选煤厂产尘环节粉尘运动基本规律的研究①

李斯昊

(1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024;2.中煤平朔集团有限责任公司，山西 朔州 036006)

0 引言

粉尘是对人体健康有很大的危害，如使光照度和能见度降低，增加工伤事故的发生概率等。通过对平朔公司安家岭选煤厂的粉尘普查，发现产尘点几乎遍布安家岭选煤厂的原煤系统，粉尘浓度范围在30 mg/m3～780 mg/m3。选煤厂降尘量范围在21.18～44.36t/d，致使地面粉尘沉积，随时会引起爆炸、爆燃，严重影响安全生产［1－3］。因此，必须对其运动规律进行研究，为煤尘治理提供理论依据。

1 粉尘颗粒扩散过程描述

1.1 尘源点粉尘粒子扩散过程分析

在选煤厂加工洗选工艺过程中，原煤运移、转载伴随着的粉尘颗粒所受到机械力、重力、浮力和空气流动作用力等各种力的作用，在不同的产尘环节，上述各种作用力的贡献是不同的，因此粉尘粒子在空气中的扩散运动相当复杂，它不仅受到各种外在环境和内在碰撞作用力的影响，而且还受空气介质和空气流动状态影响，使不同粒径的粉尘粒子产生不同的扩散状态。图1表示粗粉尘粒子、细粉尘粒子、亚微粉尘粒子在尘源点一次扬尘扩散状态。粗粉尘粒子扩散主要取决于粗粉尘粒子载体煤流运移速度和粉尘粒子所承受的重力的影响，呈抛物线状态扩散，扩散半径比较小;细粉尘粒子不仅受细粉尘粒子载体煤流运移速度和粉尘粒子所承受的重力的影响，而且受粉尘粒子相互碰撞作用的影响和空气紊流作用的一般影响，呈脉动曲线状态扩散，扩散半径比较大;亚微粉尘粒子不仅受亚微粉尘粒子载体煤流运移速度和粉尘粒子所承受的重力的影响，而且受粉尘粒子相互碰撞作用的影响和空气紊流作用的较大影响，呈脉动飘扬曲线状态扩散，扩散半径无穷大。

图1 粉尘粒子在湍流气体中的运动状态

1.2 选煤厂粉尘在空气中扩散过程分析

选煤厂粉尘是在尘源点脱离原煤载体进入空气载体中形成的湍流扩散的气固两相流，此扩散过程不仅扩散速率大，而且扩散规律复杂。既形成粉尘的一次扬尘，又产生粉尘的二次扬尘，造成空气污染。一次扬尘主要由细颗粒和亚微颗粒在空气湍流中形成气固两相流进行湍流扩散。湍流扩散主要取决于自然空气流、外界影响空气流的流动状态。二次扬尘主要由于设备设施振动和相关的冲击气流把沉落在物体表面的粗颗粒粉尘再次扬起，进入空气湍流过程中进行气固两相流湍流扩散。湍流扩散主要取决于外界影响空气流的流动状态。

2 影响粉尘粒子扩散主要因素的理论研究

2.1 粉尘粒径分布规律对粉尘析出的影响

原煤经过筛分、破碎、转载产生大量不同粒径组成的粉尘。粉尘粒径分布特性对粉尘析出影响比较大。

粉尘的粒径分布是指某种粉尘中，各种粒径的颗粒所占的比例，也称为粉尘的分散度，如图2所示。以颗粒的粒数表示所占的比例称为粒径分布，以颗粒质量表示所占的比例称为质量分布。在某一粒径间隔内尘粒所占的质量百分数称也粒径的频率分布［4－5］。

在转载点粉尘粒子的粒径分布范围很广，满足Rosin－Rammler公式:

式中:R(dj)——粒径大于dj的那部分颗粒占整个颗粒群的质量分数;

dj——颗粒群中某一尘粒的粒径;

d——颗粒群的平均粒径，又称特征尺寸;

n——拟合常数。

图2 不同粒径粒子的正态分布

通过选煤厂尘源点粉尘粒子扩散过程描述和不同粒径粒子的正态分布曲线分析，粉尘中粗颗粒所占比重越大，粉尘扩散空间越小，空气污染程度越小，如图3所示。粉尘中粉尘细颗粒和亚微颗粒所占比重越大，粉尘扩散的空间越大，空气污染程度越大，如图4所示。

图3 大颗粒粉尘的降落

图4 细颗粒粉尘的降落

粉尘粒径分布对粉尘产生浓度影响如图5所示。由于细小颗粒在空气中的停留时间长，可对于小颗粒煤样在单位体积内的量也比较大，所以在一定时间内单位体积中的细小粉尘量比大颗粒煤样大。

图5 粉尘浓度随粒径的变化规律

粉尘颗粒在空气中的停留时间和运行距离受到粉尘颗粒粒径的影响，小颗粒粉尘的停留时间长，部分在长时间内不沉降，成为飘尘;大颗粒粉尘在不受其它因素的影响沉降后将不再被击起。

2.2 物料含水率对粉尘析出的影响

物料含水包括内水和外水。内水是煤炭形成过程中自然存在的;而外水是在选煤厂皮带上加水，附着在煤样颗粒上的。外水的大小对煤尘的产生有很大的影响。按照客观现象来说，来煤含水率越高，产生的粉尘量越小。在实际中由于受到地质条件和气候的影响，原煤含水率一般不是很高，而内部含水对粉尘的产生影响较小，在洗选时原煤外水的含量对粉尘大小产生很大影响［6－8］。

一方面，由于原煤干燥易碎特性，在洗选工艺过程中，原煤经过筛分、破碎、转载环节原煤外水的大小对产尘量的影响特别大。另一方面，相同粒径的粉尘粒子因含水量的大小其比重大小发生变化，使粉尘粒子粒径分布特性发生变化，根据选煤厂加工洗选过程中尘源点粉尘粒子扩散过程描述和粉尘粒径分布规律对粉尘析出的影响理论分析可见:增加原煤外水对粉尘析出产生影响，可以降低粉尘污染。

2.3 转载落差大小对粉尘析出的影响

在原煤存储、洗选加工过程中，存在着落差大小不同的转载环节。落差大小不同对粉尘粒子析出产生不同的影响:一方面对粉尘析出量产生影响，另一方面对粉尘粒子扩散速度、扩散状态曲线产生影响［9－12］。

原煤在不同转载过程中形成不同落差的煤流，由于煤流的运动，必然从煤流过程中析出粉尘。因煤流落差的大小不同，同一断面的煤流运动时间和煤流对受料点冲击力的大小发生变化，随着过程时间的变化和冲击力大小的变化从煤流中析出的粉尘量发生变化，变化曲线如图6所示。

图6 落差对粉尘析出量影响变化曲线示意图

煤流转载落差大小变化对粉尘粗颗粒、细颗粒、亚微颗粒粒子扩散的影响:

1)粉尘粗颗粒、细颗粒、亚微颗粒相互碰撞影响增强。

2)粉尘粗颗粒降落时间相应增大，产生二次脉动飘扬扩散曲线。

3)粉尘细颗粒产生脉动飘扬曲线，增大扩散速率。

4)粉尘亚微颗粒不仅增大扩散速率，而且增强了穿透力。

通过以上分析转载落差增大不仅增大了粉尘浓度，而且增大了粉尘湍流速率，扩大了粉尘扩散半径，增大了粉尘逸出强度。

3 结论

1)通过对选煤厂加工洗选过程中粉尘运移规律的分析，得出其空间粉尘颗粒污染主要是细颗粒和亚微颗粒，并且对人体危害较大。

2)由设备振动和相关的冲击气流将沉落在物体表面的粗颗粒粉尘再次扬起形成的二次扬尘是进一步加大粉尘污染的主因，因此在粉尘治理中控制二次扬尘现象至关重要。

3)通过研究说明，原煤含水率和转载点落差是影响粉尘逸散的外在因素，合理的提高原煤含水率和降低转载点落差能有效降低粉尘污染。

本文通过对选煤厂粉尘运动规律的理论分析与现场观测，得出了粉尘运动机理及影响因素，为今后的粉尘防治工作提供了理论依据。

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