摘 要：露天煤礦的生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，為研究煤塵在旋風(fēng)除塵設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，隨著入口氣流速度的增加，高壓區(qū)域的壓力在增加，整個(gè)高壓場的分布在下移，高壓區(qū)域的面積在增加。從旋風(fēng)除塵設(shè)備的下部到上部，都存在著1個(gè)條形的壓力條帶，隨著入口氣流速度的增加，“擺尾狀”的擺動(dòng)更加明顯，呈現(xiàn)明顯的S型曲線。隨著入口氣流速度的增加，內(nèi)部的顆粒群條帶在變寬，且顆粒群條帶和除塵設(shè)備內(nèi)部壁面第一次接觸的拐點(diǎn)在上移，顆粒群的條帶更加清晰可視，螺旋運(yùn)動(dòng)的螺距在減小。

關(guān)鍵詞：露天礦；旋風(fēng)除塵；流場特性；數(shù)值模擬；煤塵

中圖分類號(hào)：TD714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0070-04

Abstract： A large amount of coal dust will be produced in the production of open-pit coal mine. In order to study the movement law of coal dust in cyclone dedusting equipment， the method of numerical simulation is used. The results show that with the increase of the inlet air velocity， the pressure in the high pressure area increases， the distribution of the whole high pressure field moves downward， and the area of the high pressure area increases. There is a pressure strip from the lower part of the cyclone dedusting equipment to the upper part of the cyclone dedusting equipment. With the increase of inlet air velocity， the "swinging tail" swing becomes more obvious， showing an obvious S-shaped curve. With the increase of the inlet air velocity， the internal particle band becomes wider， and the inflection point of the first contact between the particle band and the inner wall of the dedusting equipment is moving upward， the band of the particle group is more visible， and the pitch of the spiral motion is decreasing.

Keywords： open-pit mine; cyclone dedusting; flow field characteristics; numerical simulation; coal dust

在我國露天煤礦的生產(chǎn)作業(yè)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵[1-3]。這些粉塵在空氣中的分布范圍很廣、滯留時(shí)間較長，具有顆粒微小、開放性以及質(zhì)量細(xì)小等特點(diǎn)，這會(huì)污染露天煤礦周圍的環(huán)境，煤礦中含有的多種重金屬（比如鉛、銅、鎘等）會(huì)對動(dòng)植物產(chǎn)生毒副作用，一定程度上會(huì)打破生態(tài)平衡[4]，更有甚者會(huì)嚴(yán)重影響礦工的身體健康，礦工長期大量吸入粉塵，會(huì)得矽肺病或塵肺病等各種職業(yè)病，影響家庭幸福。空氣中的煤礦微粒，會(huì)加速露天采礦機(jī)械和車輛的磨損。粉塵污染已經(jīng)影響到生態(tài)平衡，礦工的身體健康以及設(shè)備的正常生產(chǎn)作業(yè)，這些都會(huì)影響到煤礦企業(yè)的整體社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，影響和制約了煤礦企業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。因此，如何有效控制和降低露天煤礦粉塵的濃度，對于改善礦區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境，提升礦工的幸福指數(shù)以及引領(lǐng)煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

旋風(fēng)除塵設(shè)備其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較簡單，設(shè)備成本低，分離效率較高，有較強(qiáng)的應(yīng)用場景[5]，但是旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部的氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)特性比較復(fù)雜。常規(guī)是采用實(shí)驗(yàn)的方式，對煤塵顆粒的運(yùn)動(dòng)以及分離效率進(jìn)行測定和評估，但對于旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部完整的氣固流動(dòng)過程的湍流特性很難獲取到，而數(shù)值模擬的方式是一種全新的研發(fā)方法[6-7]?；跉怏w和煤塵顆粒兩相流，通過旋風(fēng)流體對煤塵顆粒和氣體的慣性離心力的不同，進(jìn)而影響其運(yùn)動(dòng)軌跡，最終實(shí)現(xiàn)氣體和煤塵顆粒的分離。研究煤礦顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對除塵機(jī)理進(jìn)行量化的科學(xué)分析，以便評價(jià)旋風(fēng)除塵的除塵效率，為露天煤礦粉塵的治理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 大柳塔三盤區(qū)露天煤礦的基本情況

大柳塔三盤區(qū)地處陜北黃土高原之北側(cè)，毛烏素沙漠東南緣，地勢是北高南低，中間高而東西低。大部屬于風(fēng)沙堆積地貌， 沙丘、沙壟和沙坪交錯(cuò)分布。東西兩部溝壑縱橫， 切割強(qiáng)烈，溝谷兩側(cè)基巖裸露，生態(tài)環(huán)境比較脆弱。

大柳塔三盤區(qū)露天煤礦，位于大柳塔井煤田的東南部，其屬于大柳塔三盤區(qū)的一部分，東邊鄰近大海則煤礦，西邊鄰近雙溝。北部是以大柳塔三盤區(qū)集中大巷保護(hù)煤柱線為界，西部是以三盤區(qū)2-2煤火燒區(qū)邊界護(hù)煤柱線為界，南部是以三盤區(qū)2-2煤火燒區(qū)邊界護(hù)煤柱線、大柳塔井田邊界保護(hù)煤柱為界，東部是以月芽渠地方煤礦邊界線、三盤區(qū)2-2煤最低可采線、2-2煤火燒區(qū)邊界護(hù)煤柱線、大柳塔井田邊界保護(hù)煤柱為界。整個(gè)露天煤礦，其長約4.79 km，寬約1.44～2.83 km，煤底板2境界總面積8.19 km2。規(guī)劃露天開采區(qū)總面積約9.40 km2，露天規(guī)劃區(qū)境界內(nèi)資源總儲(chǔ)是38.23 Mt，其中可采儲(chǔ)33.06 Mt，儲(chǔ)量備用系數(shù)1.1。

2 旋風(fēng)除塵設(shè)備的工作原理

旋風(fēng)除塵設(shè)備的工作原理比較簡單[8]，如圖1所示。當(dāng)含有煤塵的空氣從進(jìn)口處進(jìn)入除塵設(shè)備的內(nèi)部，在設(shè)備的約束限制下，煤塵空氣的運(yùn)動(dòng)軌跡就會(huì)從直線運(yùn)動(dòng)變成弧線的圓周運(yùn)動(dòng)，氣體和煤塵顆粒兩相流中密度大的一相（即煤塵固體顆粒），因?yàn)槠涫艿搅溯^大的離心力作用，就會(huì)先和除塵設(shè)備的內(nèi)壁面接觸，這時(shí)在重力以及慣性的作用下，會(huì)直接沿內(nèi)壁面下落，通過旋渦罩，最終進(jìn)入到除塵設(shè)備底部的灰斗中；而氣體和煤塵顆粒兩相流中密度小的一相（即氣相），會(huì)采用同樣的方式，從相同的入口進(jìn)入到除塵設(shè)備的內(nèi)部，當(dāng)氣流到達(dá)底部位置時(shí)，由于圓柱到圓錐的收縮以及氣流自身密度小的原因，會(huì)在除塵設(shè)備的底部形成內(nèi)旋流并會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，并通過上端的空氣出口排出到大氣中。

3 旋風(fēng)除塵設(shè)備的內(nèi)部湍流特性研究

3.1 除塵設(shè)備內(nèi)部湍流特性的建模

使用CFD軟件進(jìn)行建模分析，考慮到旋風(fēng)除塵設(shè)備的內(nèi)部是旋流運(yùn)動(dòng)占有優(yōu)勢的運(yùn)動(dòng)，因此采用了RNG K-ε的雙方程湍流數(shù)學(xué)模型中的Swirl Dominated Flow數(shù)學(xué)模型，這種模型是基于氣相的氣體為連續(xù)的介質(zhì)，而固相的煤塵顆粒則是作為離散的體系。RNG K-ε的雙方程湍流模型主要是考慮了動(dòng)量的傳遞，忽略了熱量的傳遞。

氣體介質(zhì)的連續(xù)性方程，表述如下。

式中：下標(biāo)g為基于氣相的氣體；t為湍流運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；？準(zhǔn)為氣體的體積分?jǐn)?shù)；？籽為氣體的密度；為氣體的速度向量。

氣體介質(zhì)的動(dòng)量守恒方程，表述如下。

， （2）

式中：下標(biāo)S為基于固相的煤礦顆粒；P為氣體的壓力；為黏性應(yīng)力張量；？茁為氣固兩相流之間的拽力系數(shù)；常規(guī)的重力加速度的向量。

采用Gambit軟件，建立了三維旋風(fēng)分離設(shè)備的模型，并劃分出網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

3.2 除塵設(shè)備內(nèi)部湍流特性的數(shù)值模擬

3.2.1 壓力場分布的數(shù)值仿真模擬

實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，不同的入口氣流速度，旋風(fēng)除塵設(shè)備的分離效率會(huì)有較大的差異，因此，對入口的不同氣流速度下進(jìn)行了壓力場的數(shù)值仿真，壓力場分布的數(shù)值仿真模擬如圖3所示。

由圖3可知，①不同的入口氣流速度下，旋風(fēng)除塵設(shè)備的壓力場分布規(guī)律是趨于一致的，壓力沿著軸向垂直方向的變化不明顯，即速度變化較??；壓力沿著徑向水平方向的變化明顯，即速度變化較大。②不同的入口氣流速度下，在旋風(fēng)除塵設(shè)備的下部和上部，都有一個(gè)壓力條帶，隨著氣流速度的變大，條帶的擺動(dòng)軌跡更加明顯。③在設(shè)備的排氣出口以及圓錐形底部的灰斗位置處，均存在一個(gè)負(fù)壓區(qū)域，且隨著入口氣流速度的增加，負(fù)壓區(qū)域明顯增大并在垂直方向進(jìn)行拉伸，如圖3的虛線圓形所標(biāo)記的。④壓力場的高壓區(qū)域，都存在于除塵設(shè)備的壁面位置附近，且隨著入口氣流速度的增加，高壓區(qū)域的壓力在增加，整個(gè)高壓場的分布在下移，高壓區(qū)域的面積在增加。

3.2.2 不同的入口氣流速度下的切線速度分布模擬

切線方向的速度是由顆粒所受的離心力所決定的，在顆粒和氣體的分離過程中起著決定性的作用。在3.2.1中，壓力沿著徑向水平方向變化明顯，為了更好地研究除塵設(shè)備內(nèi)部的速度特性，分別選取了4個(gè)橫截面（即0.5R，1R，1.5R，2.5R），研究了這4個(gè)截面的切線速度分布情況，其中截面示意圖如圖4所示，速度分布圖如圖5所示。

由圖5可知，①在4個(gè)不同的截面位置處，切線速度的分布情況都大體相當(dāng)，均呈現(xiàn)M狀；從旋風(fēng)除塵設(shè)備的中心沿徑向到壁面位置處，速度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在壁面位置附近，切線方向的速度最小。②在最上面的截面位置處（即0.5R的截面位置處），切線速度沿著旋風(fēng)除塵設(shè)備中心軸線是對稱的，且對稱性很好；不同入口氣流速度下，切線速度的分布規(guī)律在徑向方向上均趨于一致。③對比4個(gè)橫截面（即0.5R，1R，1.5R，2.5R）的切線速度分布情況，最大的切線速度隨著截面位置的下移趨于減小，且均隨著入口氣流速度的增加而增加。

3.2.3 不同的入口氣流速度下的煤塵顆粒群運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬

煤塵顆粒群在進(jìn)入到旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部之后，在離心分離力的作用下，會(huì)靠近壁面位置附近進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，圖6顯示了入口風(fēng)速是12.5 m/s時(shí)，旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部顆粒流態(tài)隨著時(shí)間的分布情況，從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，①煤塵顆粒群在進(jìn)入到除塵設(shè)備之后，大部分顆粒都會(huì)沿著壁面從上向下運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)設(shè)備下部的圓錐形的灰斗位置處之后，被集中收集。②在0.9 s時(shí)，煤塵顆?？梢詮娜肟诘竭_(dá)出口位置處，在2 s之后，整個(gè)煤塵顆粒群的運(yùn)動(dòng)趨于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。③由于圓錐位置的空間較圓筒位置縮小，顆粒群在上部的圓筒位置處的下降角度大于下部的圓錐位置。

圖7為不同的入口氣流速度下旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部的煤塵顆粒群流態(tài)穩(wěn)態(tài)模擬圖，從圖7中可知，①隨著入口的氣流速度的增加，旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部的顆粒群條帶運(yùn)動(dòng)軌跡在變寬（如圖7上標(biāo)記的雙箭頭所示），且顆粒群條帶軌跡和除塵設(shè)備的內(nèi)壁面接觸的拐點(diǎn)在向上移動(dòng)，顆粒群的運(yùn)動(dòng)軌跡看起來更加清晰，在下部的圓錐灰斗位置處的螺距減小的現(xiàn)象更加明顯。②在入口氣流速度較小時(shí)（即5 m/s時(shí)），其受到的離心力較小，當(dāng)其進(jìn)入旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部時(shí)，受到的旋流影響比較小，這就導(dǎo)致了沿著軸向方向上，煤塵群顆粒分布的條帶比較窄，煤塵顆粒群在分離空間內(nèi)停留的時(shí)間短，不利于除塵效率的提升。③在入口氣流速度適中時(shí)（即10 m/s和12.5 m/s時(shí)），其受到的離心力較大，當(dāng)其進(jìn)入旋風(fēng)除塵設(shè)備內(nèi)部時(shí)，會(huì)加速其向壁面的運(yùn)動(dòng)，煤塵顆粒群在除塵設(shè)備的中部聚集比較多，停留的時(shí)間增加，在壁面區(qū)域進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)之后，有利于煤塵顆粒群的運(yùn)動(dòng)，比較利于除塵效率的提升。④在入口氣流速度較大時(shí)（即15 m/s時(shí)），其受到的離心力很大，遠(yuǎn)大于自身的重力和浮力，使得離心力的分量在徑向和軸向的方向上均達(dá)到最大值，這就會(huì)造成顆粒群條帶分散波動(dòng)不集中，反而不利于煤塵顆粒群的運(yùn)動(dòng)，不利于除塵效率的提升。

4 結(jié)論

1）不同的入口氣流速度下，旋風(fēng)除塵設(shè)備的壓力場分布規(guī)律是趨于一致的，壓力沿著軸向垂直方向的變化不明顯，即速度變化較??；壓力沿著徑向水平方向的變化明顯，即速度變化較大；且隨著入口氣流速度的增加，高壓區(qū)域的壓力在增加，整個(gè)高壓場的分布在下移，高壓區(qū)域的面積在增加。

2）不同的入口氣流速度下，旋風(fēng)除塵設(shè)備的切線速度的分布情況都大體相當(dāng)，均呈現(xiàn)M狀；從旋風(fēng)除塵設(shè)備的中心沿徑向到壁面位置處，速度都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在壁面位置附近，切線方向的速度最小，切線速度的分布規(guī)律在徑向方向上均趨于一致。

3）不同的入口氣流速度下，旋風(fēng)除塵設(shè)備的顆粒群條帶分布規(guī)律也在變化，隨著入口氣流速度的增加，除塵設(shè)備內(nèi)部的顆粒群的分布條帶在逐漸變寬，且顆粒群條帶軌跡和除塵設(shè)備的內(nèi)壁面第一次接觸的拐點(diǎn)在逐漸靠上移動(dòng)，顆粒群的條帶變得更加清晰，整個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)的螺距呈現(xiàn)出減小的趨勢。

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