破碎机粉尘数值模拟及除尘器的选择

张 龙

（华阳集团新景公司洗煤厂， 山西 阳泉 045000）

0 引言

煤炭破碎为选煤工艺的关键环节，其将煤炭粒度减小至合理范围之内，以保证后续的分选效果。破碎机为对煤炭进行破碎的关键设备，其在实际破碎过程中会产生大量的煤尘和粉尘。虽然在现场已经布置了大量的除尘设备，但是由于种种原因并未达到预期的治理效果，导致现场的粉尘浓度依然很大[1-5]。本文将基于CFD 数值模拟软件对破碎机现场尤其是破碎机设备落煤管和导料槽附近的粉尘移动规律与浓度进行研究，为除尘器的选型提供依据和参考。

1 破碎机粉尘数值模拟

针对选煤厂破碎机落煤管和导料槽粉尘运动规律和浓度分布的研究，需要掌握现场粉尘的受力。在实际生产中，破碎机所产生的煤尘或粉尘受到两类作用力的影响，包括无关的作用力和相关的作用力，具体包括重力、阻力、热泳力、附加质量力及压力梯度力等。

1.1 粉尘产生机理

结合理论和实践对破碎机周围所产生粉尘的机理进行分析，可归结为如下几点：

1.1.1 粉尘产生的内因

煤炭在破碎过程中，旨在将煤炭的粒度降低为25 mm 以下。随着煤炭颗粒度的降低，其表面积增大，从而加剧了煤炭颗粒中水分的蒸发,导致其含水率降低，进而在破碎机导料槽和落煤管附近产生了大量的煤尘或粉尘。

1.1.2 诱导风加剧粉尘现象

为了解决破碎机堵煤的问题，将其内部结构中的筛板截割了一半,从而导致破碎的煤炭颗粒直接落入落煤管中，加剧了破碎机落煤管和导料槽处风流的压力和流量，从而加剧了周围的粉尘现象。

1.1.3 封堵增加粉根源

在实际破碎过程中，由于长时间的煤流对托辊的支架进行冲击，从而导致出现一定的弹性变形。在弹性变形的作用力下使得破碎机导料槽和输送皮带之间出现了缝隙，破碎机内部所产生的粉尘从缝隙中溢出到现场。

总的来讲，影响选煤厂破碎车间现场粉尘浓度的主要因素，包括破碎机本身的破碎方式和所要求破碎煤炭的颗粒直径、周围环境的温湿度和风速等因素。

1.2 粉尘数值模拟边界条件的确定

结合破碎机实际生产中产生粉尘机理的分析结果以及粉尘的离散相运动的数学模型，同时对选煤厂破碎机落煤管和导料槽粉尘的相关数据进行实测。基于上述基础设定合理的破碎机粉尘数值模型的参数及相关边界条件，如表1 所示。

表1 粉尘源参数设定结果

针对粉尘特性的数值模拟仿真，设定计算步长为50 000 步，时间步长为0.01。

1.3 粉尘数值模拟仿真结果

在上述边界条件和仿真参数合理设计的基础上，分别对破碎机落煤管导料槽内和落煤管导料槽外的粉尘特性进行数值模拟分析。

1.3.1 破碎机落煤管导料槽内粉尘特性仿真分析

破碎机落煤管导料槽内粉尘特性仿真结果如图1 所示。

图1 破碎机落煤管导料槽内粉尘特性（g/cm3）仿真结果

由图1 可知，破碎机将煤炭进行破碎处理后，在自身重力和煤炭下落所产生的诱导风的作用下粉尘沿着落煤管下落，而且落煤管处的浓度也最高；当破碎后的煤炭落到导料槽后，在诱导风的作用下粉尘浓度沿着导料槽长度的增加而逐渐降低。

1.3.2 破碎机落煤管导料槽外粉尘特性仿真分析

破碎机落煤管导料槽外粉尘特性仿真结果如图2 所示。

图2 破碎机落煤管导料槽外仿真浓度（g/cm3）分布特性

由图2 可知，对于外部而言，粉尘通过导料槽的缝隙和左右两个开口传播至外部空间中。根据仿真计算可知：外部环境周围的粉尘质量浓度最高可达310 mg/m3；对周围环境实际测量可知，粉尘质量浓度最高可达313 mg/m3。由此说明，本次仿真结果准确。

2 破碎机除尘器的选择及效果评估

2.1 破碎机除尘器的选型

为解决破碎机所导致周围环境粉尘浓度超标影响作业人员身心健康和导致设备可靠性低的问题，需要破碎机配套相应有效的除尘设备。除尘器可分为干式除尘器和湿式除尘器。其中，干式除尘器包括质量旋风除尘器、电除尘器、袋式除尘器等。针对破碎机落煤管和导料槽周围环境粉尘特点，本工程选用除尘效率较高的袋式除尘器拟达到预定的除尘效果。

滤料为除尘器的关键，为保证设备最终的除尘效果，为袋式除尘器配套具有较强柔性、韧性的结构质体作为其滤料。本工程选用微孔覆膜滤料。

根据“1.3”中的仿真结果中的粉尘最高浓度，结合风量、过滤面积、风压等参数的计算结果，要求所配套的除尘器的关键指标如下：有效压力大于65 MPa，风量控制在10 080 m3/h 左右。

结合上述计算结果，本工程最终所选择的除尘器的型号为LFD-70 系列，并为该型除尘器配套微孔覆膜滤料。LFD-70 系列除尘器的关键参数指标如表2所示。

表2 LFD-70 系列除尘器关键技术指标

2.2 除尘器除尘效果评估

将上述所选型的除尘器根据相关方法安装于破碎机导料槽的周围，并对加装除尘器后落煤管导料槽外的粉尘特性进行仿真分析和实测分析，对应的效果评估结果如表3 所示。

表3 除尘器除尘效果评估

实践应用表明，在除尘器的作用下破碎机落煤管导料槽内形成负压，导致导料槽内的粉尘浓度无法溢出至周围环境。经过实际测量，采用除尘器后周围环境的粉尘质量浓度平均值为6 mg/m3，与数值模拟仿真结果值相近。说明，所选型除尘器可对现场粉尘浓度进行有效处理。

3 结语

煤炭洗选工序中的破碎工艺为其关键环节，其对后续的分选效果具有十分重要的意义。在实际生产中，破碎机将煤炭破碎为预定直径的颗粒，在其重力作用和诱导风的共同作用下使得落煤管中粉尘浓度达到最大；同时对应导料槽外周围环境的粉尘质量浓度高达310 mg/m3；为此，本文结合相关理论计算为其配套了LFD-70 系列的袋式除尘器，并且经实测和仿真可知，增加除尘器后现场粉尘质量浓度平均值为6 mg/m3，该指标低于国家的标准要求，即对粉尘得到了有效的抑制。