大柳塔三盘区露天矿煤尘旋风除尘特性的数值模拟研究

摘 要：露天煤矿的生产中会产生大量的煤尘，为研究煤尘在旋风除尘设备中的运动规律，使用数值模拟的方法进行研究。研究结果表明，随着入口气流速度的增加，高压区域的压力在增加，整个高压场的分布在下移，高压区域的面积在增加。从旋风除尘设备的下部到上部，都存在着1个条形的压力条带，随着入口气流速度的增加，“摆尾状”的摆动更加明显，呈现明显的S型曲线。随着入口气流速度的增加，内部的颗粒群条带在变宽，且颗粒群条带和除尘设备内部壁面第一次接触的拐点在上移，颗粒群的条带更加清晰可视，螺旋运动的螺距在减小。

关键词：露天矿；旋风除尘；流场特性；数值模拟；煤尘

中图分类号：TD714 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0070-04

Abstract： A large amount of coal dust will be produced in the production of open-pit coal mine. In order to study the movement law of coal dust in cyclone dedusting equipment， the method of numerical simulation is used. The results show that with the increase of the inlet air velocity， the pressure in the high pressure area increases， the distribution of the whole high pressure field moves downward， and the area of the high pressure area increases. There is a pressure strip from the lower part of the cyclone dedusting equipment to the upper part of the cyclone dedusting equipment. With the increase of inlet air velocity， the "swinging tail" swing becomes more obvious， showing an obvious S-shaped curve. With the increase of the inlet air velocity， the internal particle band becomes wider， and the inflection point of the first contact between the particle band and the inner wall of the dedusting equipment is moving upward， the band of the particle group is more visible， and the pitch of the spiral motion is decreasing.

Keywords： open-pit mine; cyclone dedusting; flow field characteristics; numerical simulation; coal dust

在我国露天煤矿的生产作业过程中，会产生大量的粉尘[1-3]。这些粉尘在空气中的分布范围很广、滞留时间较长，具有颗粒微小、开放性以及质量细小等特点，这会污染露天煤矿周围的环境，煤矿中含有的多种重金属（比如铅、铜、镉等）会对动植物产生毒副作用，一定程度上会打破生态平衡[4]，更有甚者会严重影响矿工的身体健康，矿工长期大量吸入粉尘，会得矽肺病或尘肺病等各种职业病，影响家庭幸福。空气中的煤矿微粒，会加速露天采矿机械和车辆的磨损。粉尘污染已经影响到生态平衡，矿工的身体健康以及设备的正常生产作业，这些都会影响到煤矿企业的整体社会效益和经济效益，影响和制约了煤矿企业的长期可持续发展。因此，如何有效控制和降低露天煤矿粉尘的浓度，对于改善矿区周围的生态环境，提升矿工的幸福指数以及引领煤矿企业的可持续发展都有非常重大的现实意义。

旋风除尘设备其内部结构较简单，设备成本低，分离效率较高，有较强的应用场景[5]，但是旋风除尘设备内部的气固两相流的运动特性比较复杂。常规是采用实验的方式，对煤尘颗粒的运动以及分离效率进行测定和评估，但对于旋风除尘设备内部完整的气固流动过程的湍流特性很难获取到，而数值模拟的方式是一种全新的研发方法[6-7]。基于气体和煤尘颗粒两相流，通过旋风流体对煤尘颗粒和气体的惯性离心力的不同，进而影响其运动轨迹，最终实现气体和煤尘颗粒的分离。研究煤矿颗粒的运动规律，对除尘机理进行量化的科学分析，以便评价旋风除尘的除尘效率，为露天煤矿粉尘的治理提供科学的理论依据。

1 大柳塔三盘区露天煤矿的基本情况

大柳塔三盘区地处陕北黄土高原之北侧，毛乌素沙漠东南缘，地势是北高南低，中间高而东西低。大部属于风沙堆积地貌， 沙丘、沙垄和沙坪交错分布。东西两部沟壑纵横， 切割强烈，沟谷两侧基岩裸露，生态环境比较脆弱。

大柳塔三盘区露天煤矿，位于大柳塔井煤田的东南部，其属于大柳塔三盘区的一部分，东边邻近大海则煤矿，西边邻近双沟。北部是以大柳塔三盘区集中大巷保护煤柱线为界，西部是以三盘区2-2煤火烧区边界护煤柱线为界，南部是以三盘区2-2煤火烧区边界护煤柱线、大柳塔井田边界保护煤柱为界，东部是以月芽渠地方煤矿边界线、三盘区2-2煤最低可采线、2-2煤火烧区边界护煤柱线、大柳塔井田边界保护煤柱为界。整个露天煤矿，其长约4.79 km，宽约1.44～2.83 km，煤底板2境界总面积8.19 km2。规划露天开采区总面积约9.40 km2，露天规划区境界内资源总储是38.23 Mt，其中可采储33.06 Mt，储量备用系数1.1。

2 旋风除尘设备的工作原理

旋风除尘设备的工作原理比较简单[8]，如图1所示。当含有煤尘的空气从进口处进入除尘设备的内部，在设备的约束限制下，煤尘空气的运动轨迹就会从直线运动变成弧线的圆周运动，气体和煤尘颗粒两相流中密度大的一相（即煤尘固体颗粒），因为其受到了较大的离心力作用，就会先和除尘设备的内壁面接触，这时在重力以及惯性的作用下，会直接沿内壁面下落，通过旋涡罩，最终进入到除尘设备底部的灰斗中；而气体和煤尘颗粒两相流中密度小的一相（即气相），会采用同样的方式，从相同的入口进入到除尘设备的内部，当气流到达底部位置时，由于圆柱到圆锥的收缩以及气流自身密度小的原因，会在除尘设备的底部形成内旋流并会向上运动，并通过上端的空气出口排出到大气中。

3 旋风除尘设备的内部湍流特性研究

3.1 除尘设备内部湍流特性的建模

使用CFD软件进行建模分析，考虑到旋风除尘设备的内部是旋流运动占有优势的运动，因此采用了RNG K-ε的双方程湍流数学模型中的Swirl Dominated Flow数学模型，这种模型是基于气相的气体为连续的介质，而固相的煤尘颗粒则是作为离散的体系。RNG K-ε的双方程湍流模型主要是考虑了动量的传递，忽略了热量的传递。

气体介质的连续性方程，表述如下。

式中：下标g为基于气相的气体；t为湍流运动的时间；？准为气体的体积分数；？籽为气体的密度；为气体的速度向量。

气体介质的动量守恒方程，表述如下。

， （2）

式中：下标S为基于固相的煤矿颗粒；P为气体的压力；为黏性应力张量；？茁为气固两相流之间的拽力系数；常规的重力加速度的向量。

采用Gambit软件，建立了三维旋风分离设备的模型，并划分出网格，划分后的网格示意图如图2所示。

3.2 除尘设备内部湍流特性的数值模拟

3.2.1 压力场分布的数值仿真模拟

实际生产作业中发现，不同的入口气流速度，旋风除尘设备的分离效率会有较大的差异，因此，对入口的不同气流速度下进行了压力场的数值仿真，压力场分布的数值仿真模拟如图3所示。

由图3可知，①不同的入口气流速度下，旋风除尘设备的压力场分布规律是趋于一致的，压力沿着轴向垂直方向的变化不明显，即速度变化较小；压力沿着径向水平方向的变化明显，即速度变化较大。②不同的入口气流速度下，在旋风除尘设备的下部和上部，都有一个压力条带，随着气流速度的变大，条带的摆动轨迹更加明显。③在设备的排气出口以及圆锥形底部的灰斗位置处，均存在一个负压区域，且随着入口气流速度的增加，负压区域明显增大并在垂直方向进行拉伸，如图3的虚线圆形所标记的。④压力场的高压区域，都存在于除尘设备的壁面位置附近，且随着入口气流速度的增加，高压区域的压力在增加，整个高压场的分布在下移，高压区域的面积在增加。

3.2.2 不同的入口气流速度下的切线速度分布模拟

切线方向的速度是由颗粒所受的离心力所决定的，在颗粒和气体的分离过程中起着决定性的作用。在3.2.1中，压力沿着径向水平方向变化明显，为了更好地研究除尘设备内部的速度特性，分别选取了4个横截面（即0.5R，1R，1.5R，2.5R），研究了这4个截面的切线速度分布情况，其中截面示意图如图4所示，速度分布图如图5所示。

由图5可知，①在4个不同的截面位置处，切线速度的分布情况都大体相当，均呈现M状；从旋风除尘设备的中心沿径向到壁面位置处，速度都呈现先增加后减小的趋势，在壁面位置附近，切线方向的速度最小。②在最上面的截面位置处（即0.5R的截面位置处），切线速度沿着旋风除尘设备中心轴线是对称的，且对称性很好；不同入口气流速度下，切线速度的分布规律在径向方向上均趋于一致。③对比4个横截面（即0.5R，1R，1.5R，2.5R）的切线速度分布情况，最大的切线速度随着截面位置的下移趋于减小，且均随着入口气流速度的增加而增加。

3.2.3 不同的入口气流速度下的煤尘颗粒群运动轨迹的数值模拟

煤尘颗粒群在进入到旋风除尘设备内部之后，在离心分离力的作用下，会靠近壁面位置附近进行螺旋运动，图6显示了入口风速是12.5 m/s时，旋风除尘设备内部颗粒流态随着时间的分布情况，从数值模拟的结果来看，①煤尘颗粒群在进入到除尘设备之后，大部分颗粒都会沿着壁面从上向下运动，在到达设备下部的圆锥形的灰斗位置处之后，被集中收集。②在0.9 s时，煤尘颗粒可以从入口到达出口位置处，在2 s之后，整个煤尘颗粒群的运动趋于比较稳定的状态。③由于圆锥位置的空间较圆筒位置缩小，颗粒群在上部的圆筒位置处的下降角度大于下部的圆锥位置。

图7为不同的入口气流速度下旋风除尘设备内部的煤尘颗粒群流态稳态模拟图，从图7中可知，①随着入口的气流速度的增加，旋风除尘设备内部的颗粒群条带运动轨迹在变宽（如图7上标记的双箭头所示），且颗粒群条带轨迹和除尘设备的内壁面接触的拐点在向上移动，颗粒群的运动轨迹看起来更加清晰，在下部的圆锥灰斗位置处的螺距减小的现象更加明显。②在入口气流速度较小时（即5 m/s时），其受到的离心力较小，当其进入旋风除尘设备内部时，受到的旋流影响比较小，这就导致了沿着轴向方向上，煤尘群颗粒分布的条带比较窄，煤尘颗粒群在分离空间内停留的时间短，不利于除尘效率的提升。③在入口气流速度适中时（即10 m/s和12.5 m/s时），其受到的离心力较大，当其进入旋风除尘设备内部时，会加速其向壁面的运动，煤尘颗粒群在除尘设备的中部聚集比较多，停留的时间增加，在壁面区域进行螺旋运动之后，有利于煤尘颗粒群的运动，比较利于除尘效率的提升。④在入口气流速度较大时（即15 m/s时），其受到的离心力很大，远大于自身的重力和浮力，使得离心力的分量在径向和轴向的方向上均达到最大值，这就会造成颗粒群条带分散波动不集中，反而不利于煤尘颗粒群的运动，不利于除尘效率的提升。

4 结论

1）不同的入口气流速度下，旋风除尘设备的压力场分布规律是趋于一致的，压力沿着轴向垂直方向的变化不明显，即速度变化较小；压力沿着径向水平方向的变化明显，即速度变化较大；且随着入口气流速度的增加，高压区域的压力在增加，整个高压场的分布在下移，高压区域的面积在增加。

2）不同的入口气流速度下，旋风除尘设备的切线速度的分布情况都大体相当，均呈现M状；从旋风除尘设备的中心沿径向到壁面位置处，速度都呈现先增加后减小的趋势，在壁面位置附近，切线方向的速度最小，切线速度的分布规律在径向方向上均趋于一致。

3）不同的入口气流速度下，旋风除尘设备的颗粒群条带分布规律也在变化，随着入口气流速度的增加，除尘设备内部的颗粒群的分布条带在逐渐变宽，且颗粒群条带轨迹和除尘设备的内壁面第一次接触的拐点在逐渐靠上移动，颗粒群的条带变得更加清晰，整个螺旋运动的螺距呈现出减小的趋势。

参考文献：

[1] 罗怀廷，周伟，刘宇，等.露天煤矿冬季坑底粉尘污染特征及影响因素[J].深圳大学学报（理工版），2020，37（6）：637-644.

[2] 徐占金，王毅.露天煤矿粉尘危害与起尘机理及其治理措施[J].内蒙古煤炭经济，2019（23）：1-4.

[3] 胡成功，赵奇.露天煤矿破碎站粉尘无组织排放治理方案研究[J].中国煤炭，2020，46（4）：57-61.

[4] 李玉洁，赵娜，曹月娥，等.露天煤矿煤粉沉降对矿区周边主要植物的生理影响[J].生态学报，2018，38（22）：8129-8138.

[5] 吴剑.除尘系统中旋风除尘器与布袋除尘器的型式与配置[J].中国铸造装备与技术，2020，55（5）：5-9.

[6] 陈巨辉，张宗云，陈纪元，等.流化床旋风分离除尘器结构优化及数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报，2020，25（3）：109-115.

[7] 郗元，霍浩，代岩，等.旋风除尘器最优化设计及CFD数值验证[J].机械设计与制造，2018（8）：33-35，40.

[8] 李小敏.旋风除尘器的结构设计[J].现代制造技术与装备，2021，57（6）：86-88.