筛分车间智能化除尘系统研究

2022-01-18李永恩徐洋蒋卓

科学技术创新 2021年36期

李永恩徐洋蒋卓

（1、国家能源集团国源电力有限公司，北京 100032 2、国家卫生健康委职业安全卫生研究中心，北京 102300 3、辽宁工程技术大学，辽宁阜新 123000）

近年内，由于国民经济持续稳定发展，能源需求尤其是基础能源煤炭的需求逐年增加，因而造成了煤炭市场持续的“供不应求”的局面，为国内煤炭企业的迅速发展提供了良好的机遇。随着国家西部大开发战略的实施，西部经济发展突飞猛进，尤其是内蒙古自治区西部鄂尔多斯地区依靠丰富的煤炭资源优势，迅速成为我国新兴的煤炭生产基地。

随着煤炭工业的发展，选煤厂的煤尘污染问题导致工作人员患尘肺病的比例增加[1]，该病是我国最常见的职业病，且很难治愈，截止2020 年底各类职业病新病例19428 例，其中职业性尘肺病15898 例，占比81.83%，其中有1800 人死于该病，所以粉尘污染对于从事相关领域工作人员身体的损害是有目共睹的，治理刻不容缓。此外，粉尘除了可能引起煤尘及煤尘瓦斯爆炸事故对人体的危害外，还能加快机械磨损，缩短精密设备的使用寿命，以及降低作业环境的能见度，给安全生产带来潜在的安全隐患。

刘绪玉[2]等人研究综放工作面以及液压支架的自动化喷雾技术，这时的自动喷雾技术是随着采煤设备的开启而开启的，没有很强的针对性，工作粗放，效率低下。马骏[3]基于信息化矿山建设进行了智能化除尘系统的设计，此时的控制技术和理论成系统化，王开青[4]等人设计了电力载波通讯的喷雾降尘控制系统，对喷雾控制技术做了进一步的优化和补充。

选煤厂在煤块的洗选运输过程中会产生大量的粉尘[5-8]，随着风流的牵引逸散到空气中，严重污染周围的环境，由于工作区域的复杂性，以及受各种不稳定因素的影响，至今没有较好的除尘措施可以彻底解决洗选环节粉尘污染问题[9-12]。本研究以选煤厂筛分车间1-7 楼的各种设备、粉尘污染源进行深入的调查，找到高浓度产尘点和粉尘积聚位置[13，14]，对扩散过程的关键位置进行系统的普查，对各尘源点做好了粉尘的采样，开展煤尘综合治理技术的研究。发展粉尘浓度在线监测及喷雾降尘技术，对于提高我国的污染源监测水平和煤矿管理水平、促进技术进步和产业发展都具有重要的意义[15，16]。

1 粉尘产尘点测量和特性实验研究

1.1 粉尘游离二氧化硅含量测定实验

根据科学研究证明，引起尘肺病的主要矿物成分是呼吸性粉尘中游离二氧化硅。因此，在当今世界的煤矿安全法规中，工作场所中最高粉尘浓度的允许值（mg/m3）是基于粉尘中游离二氧化硅的含量而定的。采用国家标准《作业场所空气中粉尘测定方法》GB5748-85 进行测定，测试原理为：硅酸盐溶于加热的焦磷酸而石英几乎不溶，以质量法测定粉尘中游离二氧化硅的含量（焦磷酸法）。根据滤膜直径为75mm 的采样方法，将工作人员活动的“呼吸带”附近悬浮的粉尘最大流量收集约0.2g，带回实验室通过锥型烧瓶（50ml）；量筒（25ml）；烧杯（200～400ml）；玻璃漏斗和漏斗架；温度计（0～360℃）；电炉（可调）；高温电炉（附温度控制器）；瓷埚坩或铂坩埚（25ml，带盖）；坩埚钳或铂尖坩埚钳；干燥器（内盛变色硅胶）；分析天平（重量为0.0001g）；玛瑙研钵；定量滤纸（慢速）；pH 试纸等实验设备进行测量，测定结果如表1 所示。

表1 黄玉川粉尘游离二氧化硅含量测试结果

根据测试结果可得到黄玉川选煤厂筛分楼粉尘游离SiO2含量总体小于10%，经过计算可知该厂房工作时最高允许呼吸性粉尘浓度为2.5mg/m3。

1.2 主要产尘点测量

研究的筛分车间为一整栋作业楼，一共7 层楼，剖面图如图1 所示，原煤通过运输皮带进入筛分车间7 楼，经过车间内的原煤分级筛系统，一层一层的向下筛分，粉尘颗粒从原煤上剥离，经过风流、重力、曳力的作用向整个车间扩散。

图1 选煤厂主厂房剖面图

对整个厂房进行粉尘测量，得到粉尘浓度如表2 所示，测量得到一楼粉尘较其他楼层严重，尤其其中的末煤运输皮带，末煤相较于块煤，发尘量更大，所以我们以末煤运输皮带为研究对象研究其粉尘逸散规律。

表2 各测点粉尘质量浓度

2 数值模拟

2.1 几何模型

依据选煤厂的筛分车间一楼3001 胶带运输机作为研究对象，研究落料漏尘于胶带运行牵引共同作用下的煤尘逸散污染规律。胶带机位于筛分厂房一楼，作业场所是一个室内空间，该空间高度为3.8m，皮带长31m，上下皮带距离为0.6m，导料槽长20m，宽2m，高0.8m，利用COMSOL 软件的有限元模拟方法建立的3001 胶带机几何模型如图2 所示。

图2 3001 胶带几何模型

2.2 数学模型

气固颗粒两相流按照粉尘浓度高低可划分为稀疏流和稠密流，数值模拟方法随之不同。煤厂的产尘空间结构可分为两部分，一部分为作业人员所处的场所，即“作业空间”，这一部分粉尘浓度在500mg/m3以内，可以忽略煤尘颗粒间的相互作用力以及颗粒对壁面的碰撞作用，宜采用粉尘颗粒运动耦合Euler稀相模型。

气固两相流的微分方程组采用滑移扩散模型，用时平均法通过层流两相流方程推导出紊流两相流的时均方程组：气相连续性方程：

式中：ugi，upi分别为i 坐标方向(x，y，z)上气相、颗粒相的速度分量，m/s；Sp为尘源发尘而引起的颗粒相源项，kg/s；Sg为气相的源项，kg/s，Sg=-Sp；ρp，ρg分别为气相、颗粒相的表观密度，kg/m3，ρp与ρg的关系为：

式中：μef为气相的有效动力粘性系数，kg/m·s，μef=μ+μT；μ 为空气的动力粘性系数，kg/m·s；μT气相的紊流动力粘性系数，kg/m·s；trk为颗粒动量传递的驰豫时间常数。

2.3 边界条件设定

3003 皮带的工作过程是煤料由入料口进入导料槽，在经由皮带运输至下一个环节，入料口的诱导风流经过现场测试范围是0.5m/s-0.6m/s，所以在模型参数的设定中，入口一（入料口）的风流设定为0.56m/s；皮带的移动速度经过询问现场的工作人员得到3.27m/s，所以将模型中皮带滑动壁的设定速度为3.27m/s，且方向沿x 轴正方向。

2.4 模拟结果与分析

落料管导料槽的喷尘究其原因主要是由诱导风流造成的。落料从上方转载点引入的大量诱导风流，在导料槽内形成高压气体，导料槽内压力分布所示，产生了24MPa 的正压力。如图3所示煤尘主要在落料点周围5m 内分布，且粒径越小越能悬浮在空气中，主要在5～10 微米的呼吸性煤尘分布在1～2m 内，恰好处于工作人员常规呼吸带范围，对工人危害极大。而15～20微米煤尘则分布在0～3m 空间内，大量于落料口下方沉积，但受到惯性力的作用，扩散距离远分布广，污染范围大。

图3 落料转载煤尘逸散规律数值模拟煤尘粒径分布

如图3、4 所示，可以看出粉尘弥散在一定的范围区域内。在X 轴正方向0-10m 这个区段内，粉尘跟随皮带向前运动在5m的时候发生漏尘现象，这一区域内受到了落料扬尘与皮带运行时共同作用力，粉尘大量向两侧扩散，呈V 型区域，这一区域粉尘扩散浓度大且较为集中。在10-30m 这个区段内粉尘扩散主要依靠皮带运输时的扬尘，粉尘跟随筛分车间的风流场力运动，可以看出5～10 微米煤尘比10 微米以上煤尘更易跟随气流流线运动，这主要是因为重力的作用，大于10 微米的粉尘随重力作用沉降，而小于10 微米以下的粉尘由于质量较轻会随着风流场扩散。从图中可以看出80s 时扩散距离可达30m。在风流流线方向污染范围大。所以需要对污染漏尘的地方进行有效的除尘，以期达到对粉尘的有效降除。

3 智能化除尘系统设计

监控系统主要的功能是进行现场粉尘浓度的监测，当浓度超标后，及时进行喷雾降尘，提高降尘效果，改善生产环境，避免安全隐患。并进行现场烟雾的监测，实时分析现场是否具有煤炭的自燃现象。针对黄玉川煤矿选煤厂的生产规模和生产情况，采用基于物联网的智能化粉尘监控预警及控制系统，整体系统架构如图5。

通过主控制器实现对粉尘浓度的采集、烟雾传感器数据的采集，由于控制模块需要模拟量输入，因此需要将粉尘浓度传感器输出的200-1000Hz 频率信号转换为模拟量，然后送入控制器模块进行判断，当粉尘浓度超过4mg/m3，驱动电磁阀，打开通气管道和和通水管道，开启喷雾降尘。当粉尘浓度低于限值的时候，控制器关闭电磁阀，停止喷雾。

监控界面可对粉尘浓度、烟雾浓度的实时检测值进行判断，监控画面中会出现喷雾状态，若粉尘浓度或烟雾浓度无法通过喷雾设备降低到正常值，监控画面会产生危险报警。

图6 是软件监控界面图。

图6 监控系统监测数据历史趋势图界面效果图

对于生产工艺中易于出尘的区域进行重点布控，实时监测粉尘浓度、烟雾状态，并基于有线传输+无线传输的方式，实现监测系统的物联，构建可靠的物联网系统，为开展粉尘综合监控提供基础。进一步，将现场监测数据进行远程传输，送至监控中心，对现场所有测点信息进行综合分析，确保全厂粉尘监控的有效性与系统运行的可靠性。

4 工程实例

设计好喷雾系统和智能控制系统后进行喷雾设备的安装和调试，雾幕整体呈现半透明状，是由于雾幕雾滴动力足，雾滴运动速度快，这表明其煤尘的捕集能力突出。煤尘治理前后浓度如表3 所示。

表3 煤尘治理前后对比数据

因此该系统就降尘功能而言，它能够有效的破坏含尘气流场的分布，令双胶带干涉中的煤尘运移、涡流、积聚现象得以消除，在尘源扩散初始路径将煤尘捕集，并且有效覆盖包裹尘源点，令粉尘扩散被消弭在源头。达到了国内外先进水平，实现了设计的要求，综合降尘效果超过85%。另外，系统耗水量极低、好气量更少，全系统响应能力强、控制方式简单，效果突出，在节能的基础上实现了安全和环保。