煤矿主扇扩散器防尘装置的数值仿真研究

刘润军

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

研究人员几乎将所有注意力集中在地下工作场所煤尘的控制和处理上，对地面上的煤尘控制理论和技术的研究还不够充分。煤矿主风机扩散器逸出的煤尘是造成工业广场环境质量下降的主要污染源。为提高绿色采煤技术和改善煤矿环境质量，对主风机扩散器的技术和设备进行研究具有重要的实践意义和环境效益。

1 仿真模型的建立

物理模型煤矿主风机扩散器的物理模型起源于笔者工作的实例煤矿。物理模型的大小如图1中（1-1）所示。主扇扩散器截面积5.5m×3.2m=17.6m2。

图1 物理模型的构建与示意

经过现场调查，主粉体扩散器逃逸并排入大气环境的煤尘量大，粒度分布宽，最大直径大于5×10-3m。这些由主风机扩散器气流携带的煤颗粒随排气扩散，然后通过重力缓慢沉降到地面。沉降的煤颗粒直接污染了兴东煤矿的工业广场。

为提高工业广场的环境质量，直接排入大气环境的煤颗粒数量减少是处理煤尘的有效途径。而且为了尽可能减少对矿山系统的影响，控制设备的电阻必须降低到设备的能耗限制。因此，在惯性分离和重力沉降的应用中，设计了煤矿主风机扩散器两种控制煤粉。物理模型如图1中（1-2）所示。

2 模拟结果

数值模拟和结果分析两种类型的防尘设备的物理模型由Gambit3.23构建和网格化。在应用FLUENT6.3软件包时，湍流模型为Realizable k-ε，耦合算法为SIMPLE，差分格式为第一上风，并且空气进气速度条件的初始值依次为8 m/s和10 m/s。FLUENT6.3研究了两种防尘设备的数值模拟。结果如图2所示。

图2 物理模型压力和速度云图仿真示意

煤矿无挡板主扇扩散器防尘装置的速度分布有4个特点：

1）在主扇扩散器中，下区速度较高，上行区域的速度很低。

2）在主风机扩散器内，导叶附近区域的速度较高，远离导叶的区域速度较低。

3）从扩散器出口到主风扇扩散器的腔体区域，扩散器出口附近区域的速度较高，远离扩散器出口区域的速度较低。

4）在该型腔区域内，腔体区域上部低速区域范围较大，下部腔体区域低速区域范围较小。通过对图2的综合分析，8 m/s和10 m/s边界条件的数值模拟情况下的两个速度分布是相似的。

在下页图3中，煤矿无挡板主扇扩散器防尘设备的空间流线分布具有4个特点：

1）在整个防尘设备区，流出区有8个。

2）导叶具有明显的流动干扰效应，实现流量周边。

3）整个区域内存在明显的流动漩涡，周边流动影响较强。

图3 物理模型流场仿真示意

4）整个区域周围有流动分区，周围有3个大尺寸分区。

不完全封闭挡板主风机扩散器防尘装置的速度分布具有4个特点：

1）在主风机扩散器中，下部区域的速度较高，速度上升区域较低。

2）在主风机扩散器内，导叶附近区域的速度较高，远离导叶的区域速度较低。

3）从扩散器出口到主风机扩散器的腔体区域，扩散器出口附近区域的速度较高，远离扩散器出口区域的速度较低。

4）在这个腔体区域内，腔体区域的低速区域范围较大，下腔体区域的低速区域范围较小。

不完全封闭挡板主风机扩散器控尘装置的空间流线分布具有4个特点：

1）在整个防尘设备区，流出区有8个。

2）导叶有明显的实现了流动干涉和流动周围的影响。

3）整个区域内存在明显的流动漩涡，周边流动影响较强。

4）整个区域周围有流动分区，周围有3个大尺寸分区。通过综合分析，8 m/s和10 m/s边界条件的数值模拟实例的两个空间流线分布相似。

为了研究两种防尘设备的能耗，采用面积加权平均法对两台设备的进口压力值和出口压力值进行了分析可以看出，两台设备的进口和出口的总压力值和静压值是相似的。所以两台设备的能耗值是相似的。此外，两台设备对矿井通风系统的影响相似，加入阻力值低于73 Pa。

煤颗粒的数值模拟和防尘效果分析在FLUENT6.3对控制设备的数值模拟研究中，边界条件如下：当空气进气速度初值为10 m/s时，初始值离散相的入口速度值为8 m/s，离散相的质量为42.56 g/s；空气进口初速度为8 m/s时，离散相入口速度初值为6 m/s，离散相质量为42.56 g/s；离散相为煤颗粒群，符合Rosin-Rammler分布，最大直径为0.12 mm，最小直径为0.02 mm，平均直径为0.079 mm，扩散系数为3.676；对空气短期迭代500次，再加上1次离散相，模拟了空气离散短语的耦合计算；通过这种方式，对两种防尘设备的数值模拟进行了研究。随着空气进口速度的增加和煤颗粒速度的增加，煤粉从控制设备逃逸的概率变高，控尘效率降低。对于两种防尘设备，无挡板的主风机散流器低于不完全封闭挡板的主风机散流器，且防尘效率与进风速度关系不大。由此可见，设备结构特征的控尘效果是关键。

3 无挡板主风扇散流器的应用

通过以上分析，结果显示：就流动分布而言，闭式挡板扩散器优于无挡板式；就能量消耗而言，闭式挡板扩散器低于无挡板；就总粉尘的防尘系数而言，在进口速度为8 m/s的条件下，两者的差值为9.48，在10 m/s的入口速度下，两者的差值为5.00。虽然闭式挡板式扩散器性能系数比非挡板式扩散器高，但是闭式挡板式扩散器的构造比非挡板式扩散器更为复杂。综合考虑，本次风扇扩散器的改造应用无挡板扩散器。图4显示了完成无挡水扩散器的结构改造前后粉尘污染情况。

图4 风散扩散器结构改造前后控制粉尘对比

4 结语

煤矿主风机扩散器防尘设备的应用是工业广场煤尘治理的有效途径。增加主散流器周围流量，可以增加煤粉惯性分离的概率和煤尘重力沉降的概率。因此，非改造型主风机扩散器的除尘效率低于无挡板主风机扩散器的除尘设备，非挡板设备的除尘效率低于不完全封闭挡板，另外，无挡板设备与不完全封闭挡板之间的能耗相差不多。从以上角度来看，围绕角区测量增加流量是继续提高主扇扩散器控制煤粉效率的一种途径。