黃進寶 沈恒根

東華大學環(huán)境科學與工程學院

0 前言

進入21 世紀以來，隨著國家發(fā)展迅速，我國對煤炭能源的需求進一步增加，煤炭產業(yè)發(fā)展迅速，機械化水平也隨之快速提高，煤礦井下在采煤過程中會產生大量的粉塵，粉塵威脅著礦井的安全生產和職工的身體健康。有效控制粉塵，降低粉塵濃度，是煤礦安全生產的一個重要環(huán)節(jié)，抓好礦井防塵工作，對促進礦井安全生產，保障職工身體健康具有重大意義[1]。并且近些年來，國家對空氣中污染物濃度要求越來越嚴格，但現(xiàn)有技術方法與措施已不能滿足煤礦井下健康安全生產和國家相關規(guī)范要求。

鑒于上述原因，本文提出把塑燒板應用到礦用掘進機除塵器中，先通過實驗測試了塑燒板的過濾性能，用以探究把塑燒板應用到礦用掘進機除塵器中可行性。接下來還設計了礦用塑燒板掘進機除塵器的基本結構，并建立掘進機除塵器的物理模型用Fluent 進行優(yōu)化分析。

1 塑燒板簡介與檢測

1.1 塑燒板簡介

塑燒板是一種波浪式微孔過濾板（圖1），是制造塑燒板除塵器的核心部件，它是由幾種粉末狀的高分子化合物經過特殊的結合劑模壓成形后，再通過嚴格的鑄型、燒結等過程，形成一個多孔母體。然后在塑燒板母體表面的空隙內填充PTFE 氟化樹脂，再用粘合劑加以固定而制成的。塑燒板除塵器（圖2）具有體積小，效率高，維修保養(yǎng)方便，能過濾吸潮和含水量高的粉塵和過濾含油及纖維粉塵的獨特優(yōu)點[2]。

圖1 塑燒板外形圖

圖2 燒結板除塵器的除塵原理圖

1.2 塑燒板的除塵原理

塑燒板除塵器的工作原理與普通袋式除塵器基本相同，其區(qū)別在于燒結板的過濾機理屬于表面過濾，主要是篩分效應。含塵氣體進入中部箱體(塵氣箱)，當含塵氣體由塑燒板的外表面通過塑燒板時，粉塵被阻留在塑燒板表面的PTFE 涂層上，潔凈氣流透過塑燒板從塑燒板內腔進入凈氣箱，并經排風管道排出。隨著塑燒板表面粉塵的增加，啟動脈沖閥，將壓縮空氣噴人塑燒板內腔中，反吹掉聚集在塑燒板外表面的粉塵，粉塵落入料斗之中。

2 工程概況及改進要求

該煤礦和大多數(shù)煤礦一樣，礦下的除塵方式采用的高壓噴霧降塵技術。高壓噴霧降塵技術由高壓水泵，高壓供水管路，水箱，過濾器，控制系統(tǒng)，噴霧架和高壓噴嘴組成。噴嘴噴出高速水流，高速水流在很短的距離快速的形成霧狀小液滴，并在液滴后形成一種氣流。降塵原理在很大程度上表現(xiàn)為慣性、重力、截留、靜電、擴散沉降。對于高壓噴霧降塵技術，其除塵效率一般為90%左右。由公司提供參數(shù)可知，用好現(xiàn)有高壓噴霧降塵技術的條件，其粉塵濃度140～600 mg/m3，處理風量約1800 m3/min。

根據(jù)國家職業(yè)衛(wèi)生標準，處理后含塵氣體濃度不大于4 mg/m3，處理的風量不小于1800 m3/min。在尺寸方面，巷道的寬×高=5400 mm×3400 mm。在板除塵器的一側有水、氣管道，布置管道要留出800 mm 的距離，在除塵器與管道之間要留出200 mm 的安全距離，在除塵器的另一側需要留出2900 mm 的距離供工程鏟車通過，所以綜上所述，在寬度方向上除塵器的寬度要≤1500 mm。在高度方向，塑燒板除塵器的高度≤2800 mm。

據(jù)除塵式的除塵效率式（1）、（2），可以計算出所選用除塵器最少的除塵效率為99.4%。有資料知塑燒板的過濾效率是99.99%，滿足要求。

式中：G 為粉塵量，mg/min；l 為風量，m3/min；y 為含塵氣體濃度，4 mg/m3；G1為進入除塵器的粉塵量，mg/min；G2為從除塵器排風口排除的粉塵量，mg/min；G3為除塵器所捕集的粉塵量，mg/min。

3 塑燒板除塵器的設計

3.1 處理氣體量的計算

計算塑燒板除塵器的處理氣體時，首先要求出工況條件下的氣體量，即實際通過塑燒板除塵器的氣體量，并且還要考慮除塵器本身的漏風量。這些數(shù)據(jù)，應根據(jù)已有工廠的實際運行經驗或檢測資料來確定，如果缺乏必要的數(shù)據(jù)，可按生產工藝過程產生的氣體量，再增加集氣罩混進的空氣量（約20%～40%）來計算。

式中：Q 為通過除塵器的含塵氣體量，m3/min；Qs為生產過程中產生的氣體量，m3/min；tc為除塵器內氣體的溫度，℃；Pa為環(huán)境大氣壓，kPa；K 則為除塵器前漏風系數(shù)。

通過前面的介紹，Qs=1800 m3/min，tc=28 ℃（查閱文獻知，煤礦下溫度不高于28 ℃），除塵器器前漏風系數(shù)K=0.4，Pa=101.325 KPa。將相關數(shù)據(jù)代入式（3）得：Q≈1800 m3/min。

3.2 過濾風速的選取

過濾速度是塑燒板除塵器最重要的技術指標之一，應當慎重確定一般按除塵器樣本推薦的數(shù)據(jù)及使用者的實踐經驗選取。表1 中所列過濾風速可供選取參考[4]：

表1 除塵器過濾風速的選取（m3/min）

根據(jù)表4 除塵器過濾風速的選取，對煤礦粉塵暫時大致選取v=2.0 m/min。

3.3 過濾面積的選取

根據(jù)通過除塵器的總氣量和選定的過濾速度，按照式（4）計算最小過濾面積至少為900 m2。

式中：A 為塑燒板除塵器的過濾面積，m2；Q 為塑燒板除塵器的處理風量，m3/min；V 為塑燒板除塵器的過濾速度，m/min。

3.4 塑燒板數(shù)量的選取

本項目選取的是長×寬×高=1000 mm×62 mm×1000 mm 的塑燒板，厚度3 m。過濾面積約為3.3 m2。所以需要塑燒板最小的數(shù)量為：900 m2÷3.3 m2/ 個=273 個。

3.5 塑燒板除塵器的設計

如圖3 塑燒板除塵器的結構圖，塑燒板除塵系統(tǒng)中塑燒板除塵器有凈氣室、擋板、進氣口、刮板機、雪橇板、中箱體（內部有塑燒板）、出氣口組成。含塵氣體從進氣口進入到中箱體，中箱體里含有塑燒板，氣體經塑燒板過濾后進入上箱體潔凈室，最后通過出氣口排除。該除塵器與傳統(tǒng)除塵器最大的不同是用刮板機代替了灰斗，節(jié)省了高度方向的空間。

圖3 塑燒板除塵器的結構圖

除塵器中橫向14 行、縱向24 排塑燒板，共336 個塑燒板（大于最小塑燒板個數(shù)273 個）所以塑燒板除塵器的總過濾面積=326×3.3 m2=1076 m2，處理風量為1800 m3/min，過濾速度=1.67 m/min。上腔體尺寸=1404 mm×1250 mm。中腔體尺寸=1428 mm×1250 mm。刮板機尺寸=1428 mm×150 mm；雪橇尺寸：1404 mm×100 mm。塑燒板在橫向方向上與壁面的距離為38 mm，塑燒板之間的距離為76 mm。在縱向方向上與壁面之間的距離為17 mm，塑燒板之間的距離為34 mm。

4 除塵器氣流組織的CFD 數(shù)值模擬分析

4.1 物理簡化

除塵器運行過程中，內部結構各個位置均有可能發(fā)生變形、振動、搖擺等物理現(xiàn)象，各連接點和除塵器配件結構復雜，本研究對原型塑燒板除塵器做了如下簡化：

1）忽略塑燒板除塵器噴吹清灰結構，將濾袋看為是固定狀態(tài)，忽略花板的變形、振動情況，忽略除塵器內部支撐梁架等構件。

2）假定空氣在流動過程中密度不變，為不可壓縮流體，忽略粉塵與氣流的相互作用，簡化為單相氣體進行模擬。

3）忽略除塵器內部與外界環(huán)境的熱量交換，將除塵器的壁面看出是絕熱壁面。

4）假定單個塑燒板的各個地方透氣率及厚度均相同，忽略濾袋清灰過程中的變形情況。

4.2 塑燒板除塵器邊界條件設定

1）入口邊界條件：由于本塑燒板除塵器處理風量一定，內部流體簡化為不可壓縮流體，除塵器進口動壓大小無法確定，因此入口邊界條件采用速度入口邊界，設定入口處氣流充分發(fā)展并均勻分布。根據(jù)式（4）計算可知進口風速為17.2 m/s。

2）出口邊界條件：出口邊界條件設置為壓力出口邊界條件，定義出口處相對靜壓取值為0 Pa。

3）壁面邊界條件：壁面設置為靜止壁面，邊界為無滑移條件，在x，y，z 三個方向上的速度u=v=w=0，與外界無熱量交換，為絕熱壁面，氣流在壁面附近區(qū)域處的流動采用標準壁面函數(shù)。

4）塑燒板邊界條件：將濾袋與粉塵層看做一體多孔介質，設置其邊界條件為多孔跳躍邊界條件。根據(jù)廠家提供材料及相關論文，塑燒板的表面滲透率取10-9[5]。

4.3 模擬結果分析

從塑燒板除塵器的速度流線圖（圖4）和塑燒板的出口平均速度（圖5）來看，靠近進口第一塊塑燒板的速度最低，可能是由于氣流在第1 個塑燒板處產生了渦流導致第一個塑燒板出口速度低，同時也影響了第2、3 號塑燒板。第4～13 號塑燒板的速度較高在5 m/s左右。第14～22 號比第4～13 號塑燒板的速度低一些在4 m/s 左右。第23、24 號塑燒板的速度的速度回升在5 m/s 左右。

圖4 Z=663 mm 處除塵器速度流線圖

圖5 Z=663 mm 塑燒板出口速度曲線圖

引入速度偏差的概念來評價氣流的均勻性：速度偏差直觀表征了塑燒板除塵器各塑燒板氣流速度分配與平均氣流速度分配的不均勻率的大小，用δ 表示。

式中：Vi為第i 個塑燒板氣流速度，m/s；Vp為平均氣流速度，m/s。

從表2 可知，最大速度偏差為64.10%，平均速度偏差20.58%，速度偏差很大，需要對塑燒板除塵器進行改進。

表3 Z=663 mm 處速度偏差表

5 塑燒板除塵器的優(yōu)化

根據(jù)連續(xù)性方程式、伯努利方程式和工程實際，把塑燒板除塵器設計成階梯型。階梯型的塑燒板除塵器尺寸如圖6 所示，塑燒板的長、寬、高都和等截面的相同，只是把中箱體的等截面塑燒板設計成階梯型，階梯高度差300 mm，從入口到出口共四個階梯：第一到第四階梯，第一階梯和第四階梯有5 排塑燒板，第二、第三階梯有7 排塑燒板。

圖6 階梯型塑燒板除塵器圖

從階梯型除塵器速度流線圖（圖7）和速度曲線圖（圖8）可以發(fā)現(xiàn)在第一階梯速度比其他階梯速度較高，第二、三、四階梯速度相當。在每個階梯內，除最后一排塑燒板，其他排塑燒板速度大小相差不大，最后一排塑燒板速度會變大。

從階梯型塑燒板出口平均速度的速度偏差表（表3）可知，最大的速度偏差為22.65%，要小于等截面塑燒板除塵器的最大速度偏差64.10%。階梯型除塵器的平均速度偏差為9.59%，比等截面塑燒板除塵器的平均速度偏差20.58%要低。所階梯型塑燒板除塵器的氣流更加均勻。

表3 Z=663mm 處階梯型速度偏差表

圖7 階梯型Z=663 mm 處速度流線圖

圖8 階梯型Z=663 mm 處速度曲線圖

6 結論

把塑燒板應用到煤礦井下除塵系統(tǒng)中極大的降低了礦井下的空氣污染物濃度，改善了空氣質量，并且塑燒板的體積小、壽命長、易維護的特點節(jié)省了空間及人力和運行成本。另外，本文用刮板機代替了灰斗節(jié)省了高度方向上的空間，采用中箱體塑燒板階梯式設計既節(jié)省了寬度方向上的空間又使氣流組織更加均勻。