李斯昊

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024;2.中煤平朔集團有限責任公司，山西 朔州 036006)

0 引言

粉塵是對人體健康有很大的危害，如使光照度和能見度降低，增加工傷事故的發(fā)生概率等。通過對平朔公司安家?guī)X選煤廠的粉塵普查，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)塵點幾乎遍布安家?guī)X選煤廠的原煤系統(tǒng)，粉塵濃度范圍在30 mg/m3～780 mg/m3。選煤廠降塵量范圍在21.18～44.36t/d，致使地面粉塵沉積，隨時會引起爆炸、爆燃，嚴重影響安全生產(chǎn)［1－3］。因此，必須對其運動規(guī)律進行研究，為煤塵治理提供理論依據(jù)。

1 粉塵顆粒擴散過程描述

1.1 塵源點粉塵粒子擴散過程分析

在選煤廠加工洗選工藝過程中，原煤運移、轉(zhuǎn)載伴隨著的粉塵顆粒所受到機械力、重力、浮力和空氣流動作用力等各種力的作用，在不同的產(chǎn)塵環(huán)節(jié)，上述各種作用力的貢獻是不同的，因此粉塵粒子在空氣中的擴散運動相當復雜，它不僅受到各種外在環(huán)境和內(nèi)在碰撞作用力的影響，而且還受空氣介質(zhì)和空氣流動狀態(tài)影響，使不同粒徑的粉塵粒子產(chǎn)生不同的擴散狀態(tài)。圖1表示粗粉塵粒子、細粉塵粒子、亞微粉塵粒子在塵源點一次揚塵擴散狀態(tài)。粗粉塵粒子擴散主要取決于粗粉塵粒子載體煤流運移速度和粉塵粒子所承受的重力的影響，呈拋物線狀態(tài)擴散，擴散半徑比較小;細粉塵粒子不僅受細粉塵粒子載體煤流運移速度和粉塵粒子所承受的重力的影響，而且受粉塵粒子相互碰撞作用的影響和空氣紊流作用的一般影響，呈脈動曲線狀態(tài)擴散，擴散半徑比較大;亞微粉塵粒子不僅受亞微粉塵粒子載體煤流運移速度和粉塵粒子所承受的重力的影響，而且受粉塵粒子相互碰撞作用的影響和空氣紊流作用的較大影響，呈脈動飄揚曲線狀態(tài)擴散，擴散半徑無窮大。

圖1 粉塵粒子在湍流氣體中的運動狀態(tài)

1.2 選煤廠粉塵在空氣中擴散過程分析

選煤廠粉塵是在塵源點脫離原煤載體進入空氣載體中形成的湍流擴散的氣固兩相流，此擴散過程不僅擴散速率大，而且擴散規(guī)律復雜。既形成粉塵的一次揚塵，又產(chǎn)生粉塵的二次揚塵，造成空氣污染。一次揚塵主要由細顆粒和亞微顆粒在空氣湍流中形成氣固兩相流進行湍流擴散。湍流擴散主要取決于自然空氣流、外界影響空氣流的流動狀態(tài)。二次揚塵主要由于設(shè)備設(shè)施振動和相關(guān)的沖擊氣流把沉落在物體表面的粗顆粒粉塵再次揚起，進入空氣湍流過程中進行氣固兩相流湍流擴散。湍流擴散主要取決于外界影響空氣流的流動狀態(tài)。

2 影響粉塵粒子擴散主要因素的理論研究

2.1 粉塵粒徑分布規(guī)律對粉塵析出的影響

原煤經(jīng)過篩分、破碎、轉(zhuǎn)載產(chǎn)生大量不同粒徑組成的粉塵。粉塵粒徑分布特性對粉塵析出影響比較大。

粉塵的粒徑分布是指某種粉塵中，各種粒徑的顆粒所占的比例，也稱為粉塵的分散度，如圖2所示。以顆粒的粒數(shù)表示所占的比例稱為粒徑分布，以顆粒質(zhì)量表示所占的比例稱為質(zhì)量分布。在某一粒徑間隔內(nèi)塵粒所占的質(zhì)量百分數(shù)稱也粒徑的頻率分布［4－5］。

在轉(zhuǎn)載點粉塵粒子的粒徑分布范圍很廣，滿足Rosin－Rammler公式:

式中:R(dj)——粒徑大于dj的那部分顆粒占整個顆粒群的質(zhì)量分數(shù);

dj——顆粒群中某一塵粒的粒徑;

d——顆粒群的平均粒徑，又稱特征尺寸;

n——擬合常數(shù)。

圖2 不同粒徑粒子的正態(tài)分布

通過選煤廠塵源點粉塵粒子擴散過程描述和不同粒徑粒子的正態(tài)分布曲線分析，粉塵中粗顆粒所占比重越大，粉塵擴散空間越小，空氣污染程度越小，如圖3所示。粉塵中粉塵細顆粒和亞微顆粒所占比重越大，粉塵擴散的空間越大，空氣污染程度越大，如圖4所示。

圖3 大顆粒粉塵的降落

圖4 細顆粒粉塵的降落

粉塵粒徑分布對粉塵產(chǎn)生濃度影響如圖5所示。由于細小顆粒在空氣中的停留時間長，可對于小顆粒煤樣在單位體積內(nèi)的量也比較大，所以在一定時間內(nèi)單位體積中的細小粉塵量比大顆粒煤樣大。

圖5 粉塵濃度隨粒徑的變化規(guī)律

粉塵顆粒在空氣中的停留時間和運行距離受到粉塵顆粒粒徑的影響，小顆粒粉塵的停留時間長，部分在長時間內(nèi)不沉降，成為飄塵;大顆粒粉塵在不受其它因素的影響沉降后將不再被擊起。

2.2 物料含水率對粉塵析出的影響

物料含水包括內(nèi)水和外水。內(nèi)水是煤炭形成過程中自然存在的;而外水是在選煤廠皮帶上加水，附著在煤樣顆粒上的。外水的大小對煤塵的產(chǎn)生有很大的影響。按照客觀現(xiàn)象來說，來煤含水率越高，產(chǎn)生的粉塵量越小。在實際中由于受到地質(zhì)條件和氣候的影響，原煤含水率一般不是很高，而內(nèi)部含水對粉塵的產(chǎn)生影響較小，在洗選時原煤外水的含量對粉塵大小產(chǎn)生很大影響［6－8］。

一方面，由于原煤干燥易碎特性，在洗選工藝過程中，原煤經(jīng)過篩分、破碎、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)原煤外水的大小對產(chǎn)塵量的影響特別大。另一方面，相同粒徑的粉塵粒子因含水量的大小其比重大小發(fā)生變化，使粉塵粒子粒徑分布特性發(fā)生變化，根據(jù)選煤廠加工洗選過程中塵源點粉塵粒子擴散過程描述和粉塵粒徑分布規(guī)律對粉塵析出的影響理論分析可見:增加原煤外水對粉塵析出產(chǎn)生影響，可以降低粉塵污染。

2.3 轉(zhuǎn)載落差大小對粉塵析出的影響

在原煤存儲、洗選加工過程中，存在著落差大小不同的轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)。落差大小不同對粉塵粒子析出產(chǎn)生不同的影響:一方面對粉塵析出量產(chǎn)生影響，另一方面對粉塵粒子擴散速度、擴散狀態(tài)曲線產(chǎn)生影響［9－12］。

原煤在不同轉(zhuǎn)載過程中形成不同落差的煤流，由于煤流的運動，必然從煤流過程中析出粉塵。因煤流落差的大小不同，同一斷面的煤流運動時間和煤流對受料點沖擊力的大小發(fā)生變化，隨著過程時間的變化和沖擊力大小的變化從煤流中析出的粉塵量發(fā)生變化，變化曲線如圖6所示。

圖6 落差對粉塵析出量影響變化曲線示意圖

煤流轉(zhuǎn)載落差大小變化對粉塵粗顆粒、細顆粒、亞微顆粒粒子擴散的影響:

1)粉塵粗顆粒、細顆粒、亞微顆粒相互碰撞影響增強。

2)粉塵粗顆粒降落時間相應(yīng)增大，產(chǎn)生二次脈動飄揚擴散曲線。

3)粉塵細顆粒產(chǎn)生脈動飄揚曲線，增大擴散速率。

4)粉塵亞微顆粒不僅增大擴散速率，而且增強了穿透力。

通過以上分析轉(zhuǎn)載落差增大不僅增大了粉塵濃度，而且增大了粉塵湍流速率，擴大了粉塵擴散半徑，增大了粉塵逸出強度。

3 結(jié)論

1)通過對選煤廠加工洗選過程中粉塵運移規(guī)律的分析，得出其空間粉塵顆粒污染主要是細顆粒和亞微顆粒，并且對人體危害較大。

2)由設(shè)備振動和相關(guān)的沖擊氣流將沉落在物體表面的粗顆粒粉塵再次揚起形成的二次揚塵是進一步加大粉塵污染的主因，因此在粉塵治理中控制二次揚塵現(xiàn)象至關(guān)重要。

3)通過研究說明，原煤含水率和轉(zhuǎn)載點落差是影響粉塵逸散的外在因素，合理的提高原煤含水率和降低轉(zhuǎn)載點落差能有效降低粉塵污染。

本文通過對選煤廠粉塵運動規(guī)律的理論分析與現(xiàn)場觀測，得出了粉塵運動機理及影響因素，為今后的粉塵防治工作提供了理論依據(jù)。

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