除尘风机离心除尘器除尘数值模拟与应用

郭秀廷 郭增乐 李继春 李淑玉 陈 琛

（1.潞安集团环能股份有限公司，山西 长治 046103；2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083；3.潞安集团 通风处，山西 长治 046299）

0 引言

粉尘是煤矿五大灾害之一。粉尘不仅在一定条件下会爆炸，造成大量人员伤亡和财产损失，而且会引发尘肺病，尘肺病是危害煤矿工人身体健康最严重的职业病。为防止粉尘爆炸，为煤矿工人创造一个安全健康的职业环境，粉尘治理一直是煤矿企业安全工作的重点。掘进工作面是煤矿井下主要产尘源之一，掘进巷的通风除尘系统是针对掘进面截割时的产尘量大而应用的有效除尘技术。大同煤矿集团公司燕子山矿掘进工作面采用粉尘综合治理技术，其粉尘治理技术主要包括：综掘机内外喷雾降尘，煤层注水和使用湿式除尘风机除尘。目前燕子山矿掘进工作面湿式除尘风机除尘效率较低，巷道空气环境中粉尘含量较高。为提高掘进工作面湿式除尘风机除尘效率，改善巷道环境，需要对原有的湿式除尘风机离心除尘器进行改造设计，对除尘器螺旋挡板间距这一关键数值进行模拟研究。国内对掘进巷道通风除尘系统的研究主要有数值模拟研究、工程应用研究和设备研发研究，胡方坤[1]进行了长压短抽全岩综掘面通风除尘的粉尘运移数值模拟研究，马成民等人[2-5]进行了湿式除尘风机在综掘工作面的应用研究，陈虎[6]进行了矿用湿式除尘风机的研制，赵海鸣[7]对湿式除尘风机三相除尘运行参数进行了研究，邓敬亮[8]进行了离心风机全三维数值模拟及优化设计研究。本文以大同煤矿集团公司燕子山矿粉尘专项治理为工程背景，基于计算流体力学软件Fluent，应用数值模拟的方法，以湿式离心除尘风机应用关键参数为研究对象，对含尘风流经过不同结构参数的离心除尘器的除尘效率进行研究，为除尘风机除尘器改造设计提供数据参考，为提高矿井巷道粉尘防治技术水平提供了支持。

1 研究背景及除尘风机关键参数构建

1.1 工程背景

燕子山矿位于大同煤田西北边缘，设计生产能力400万吨/年，服务年限70年。燕子山矿煤炭分层较多，每层煤的合并地点多，在采掘过程中会产生大量粉尘。燕子山矿粉尘治理采用预防与治理相结合的办法，需要对产尘机理、粉尘预防与粉尘治理等方面进行研究，形成适合燕子山矿的粉尘综合治理办法。燕子山矿在掘进面粉尘综合治理中采用综掘机防尘、煤层注水和通风除尘技术。在通风除尘方面，需要对除尘风机离心除尘器除尘规律进行研究，为除尘风机的设计与选择提供指导原则。

1.2 除尘器物理模型与网格划分

离心除尘器结构是影响除尘风机除尘效率的关键因素，离心除尘器内部为螺旋挡板，在挡板作用下，含尘风流通过除尘器时会进行螺旋状运动，其中粉尘在旋转运动产尘离心力的作用下沿径向方向运动，撞击除尘器的筒壁，被筒壁捕获，从而达到除尘目的。离心除尘器的设计参数包括除尘器外壳半径、除尘段长度、螺旋挡板间距、内芯体半径和螺旋通道数。本文选取螺旋挡板间距这一参数对降尘效果的影响进行研究。

除尘器外形为圆柱形，内部为螺旋结构挡板。除尘器外壳直径为0.8m，除尘器总长度为2.7m，其中螺旋段轴向长度1.5m，螺旋部分距左端面0.7m，距右端面0.5m，螺旋挡板间距为0.3m，螺旋通道为1个，以除尘器中心轴线为内芯体中轴线建立螺旋挡板，挡板厚度忽略不计。根据以上除尘器结构参数，本文用Gambit软件对除尘器建立物理模型，采用四面体网格划分网格，除尘器物理模型及网格划分情况，如图1，网格总数量为58692个。

图1 除尘器几何模型及网格划分图Fig.1 Geometric model and mesh dividing chart of dust collector

2 除尘器除尘过程的数学描述及边界条件

2.1 数学模型

本文利用Fluent对模型进行数值计算，检查网格后选择数学模型。实际应用中，除尘器内部气流为气—液—固多相流动。为简化计算，在除尘器除尘模拟中，不考虑水雾存在，只模拟粉尘与空气运动情况。模拟连续相介质为空气，离散相介质为粉尘。在计算中将空气运动视为理想不可压缩流体定常流动。

因除尘器内部流体为旋转流动状态，流线曲率大，因此在模拟过程中选择湍流模型为RNGk-ε湍流方程[9]，即

k方程：

式中：

κ—湍动能，J；

ε—湍流动能耗散率；

t—时间，s；

ui—流速沿i轴方向的分量，m/s；

αk和αε—k方程和ε方程的湍流特朗普数，αk=αε=1.39；

μeff—有效粘度，μeff=μ+μt；

μ—空气动力粘度，N/m2·s；

μt—湍流粘度

Cμ—系数，Cμ=0.0845；

Gκ—平均速度梯度产生的湍动能，J；

Gb—浮力引起的湍动能，不可压缩流体Gb取0；

YM—可压缩湍流中脉动膨胀对总扩散的影响，不可压缩流体YM取0；

C1ε、C2ε、C3ε—系数，C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=1.75。

除尘器中的粉尘颗粒运动采用DPM离散方法进行描述[10]，对x方向的颗粒运动方程为：

式中：

ρp—粉尘颗粒密度，kg/m3；

up—粉尘颗粒在x轴方向运动速度，m/s；

gx—重力加速度在x轴方向的分量，m/s2；

FD(u-up)—空气对粉尘颗粒单位质量曳力，其中为空气动力粘度，N/m2·s；dp为粉尘颗粒直径，m；CD为曳力系数，Re为相对雷诺数；

Fx—作用力或单位颗粒质量引起的附加加速度项，m/s2。

2.2 边界条件与其它参数设置

边界条件设模型左端面为粉尘和空气两相流速度入口，入口速度取0.3 ～3.9m/s，模型右端面设为自由出口，其他壁面与螺旋挡板设为固体壁面（材质为钢），喷射源类型为面喷射，阻力特征为球型颗粒，粉尘材质为低挥发分煤，粒径分布为R-R分布，最小粒径0.000001mm，最大粒径0.0001mm，中位径0.000059mm，分布指数2.42，粉尘扩散模型为随机轨道模型。计算步长设为15000，时间步长设0.01。

3 除尘模拟结果

图2为除尘器入口风流速度1.9m/s、除尘器直径为0.8m、长度为2.7m、螺距为0.3m时的粉尘运移轨迹的数值模拟结果。图2中，粉尘流动过程呈现螺旋状，入口处粉尘浓度较大，出口处粉尘浓度较小，粉尘在随风流运动过程因离心作用被壁面捕捉。

图2 粉尘流动轨迹Fig.2 The trajectory of dust movement

为分析流入除尘螺旋的不同风速对除尘效果的影响，在直径为0.8m、长度为2.7m、螺距为0.3m等条件相同情况下，在0.3～3.9m/s范围内改变除尘器入口处风流速度再进行降尘模拟，图3为不同风流速度与对应除尘效率变化关系曲线。通过图3可知，螺旋入口风速从0.3m/s增加到1.9m/s时，除尘效率曲线呈现快速上升趋势，除尘效率显著提高，而当螺旋入口风速大于1.9m/s时，曲线变化逐渐趋于平缓，随着风速的增加，除尘效率没有得到显著提升。因此，除尘器入口风速取1.9m/s时既可达到较好的除尘效果，又具有较好的经济效益。

图3 除尘效率随入口空气流速的变化关系Fig.3 The relationship between dust removal efficiency and inlet air velocity

为了进一步分析不同螺距下的除尘效果，以获得最大除尘效率时的螺距，从而合理设计湿式离心除尘器的内部结构。通过改变螺距，对不同螺距情况进行模拟，可以得到螺距变化与除尘效率之间的关系。螺距从0.1m变到0.9m时，风速取1.9m/s，其他边界条件相同。不同螺距与除尘效率之间的关系，如图4。通过图4可以看出，螺距从0.1m～0.3m时，除尘效率曲线为上升阶段，随着螺距的增加，除尘效率逐渐增加，当螺距大于0.3m时，曲线开始呈下降趋势，随着螺距的增加，除尘效率降低。因此，螺距设为0.3m较为合适，此时的除尘率最高。

图4 除尘效率随螺距的变化关系Fig.4 The relationship between dust removal efficiency and pitch

4 应用

燕子山矿综掘工作面使用KCS湿式除尘风机设计螺旋挡板间距0.3m，除尘风机安装在综掘机皮带支架上，随工作面向前掘进而前移。除尘风机的风筒进风口设置在距离综掘机机头5m处并且风筒进风口超前掘进司机处2m，压入式局部通风机出风口布置在巷道右侧并超前除尘风机进风口3m处。用GH100直读式粉尘仪对除尘风机使用前后粉尘进行测定，下表所示为综掘面使用除尘风机前后粉尘浓度测量情况，使用设计后的湿式除尘风机，其降尘效率可达96.7%，除尘效果显著。

表 除尘风机使用前后粉尘浓度测量情况Tab. Measurement of dust concentration before and after using of dust removal fan

5 结论

本文应用计算流体动力学软件Fluent对除尘风机的离心除尘器除尘过程进行数值模拟研究。结果表明：

（1）含尘风流以螺旋线运动轨迹通过除尘风机离心除尘器后，风流含尘量明显降低，离心除尘器能有效除尘；除尘器内部螺旋挡板间距是影响除尘效率的重要因素，在风流速度为1.9m/s条件下，当除尘器螺旋挡板间距为0.3m时，除尘效果最好，螺旋挡板间距过小或过大都会导致除尘器除尘效率降低。

（2）离心除尘器入口处风流速度对除尘效率有影响，入口风流速度从0.3m/s到1.9m/s之间增加时，除尘效率随除尘器入口风流速度的增加而快速增加，当风流速度大于1.9m/s时，随风流速度的增加，除尘效率趋于稳定。

（3）综掘工作面实践表明设计使用除尘器螺旋挡板间距为0.3m的湿式除尘风机降尘效率可达96.7%，除尘效果显著。