宋智瀛 李飛航 馬 飛 賈瑞清

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

新型礦用濕式除塵器的研究與動態(tài)模擬

宋智瀛 李飛航 馬 飛 賈瑞清

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

結合綜采工作面粉塵濃度分布和濕式除塵機理，對新型礦用濕式除塵器進行了介紹，該濕式除塵器具有體積小以及安裝和維修方便等特點，能夠除掉0.1μm以上的塵粒。重點對蜂窩擾流濾芯的設計、工作原理以及提高除塵效率的方法進行了分析，最后通過3D Studio Max軟件動態(tài)模擬了濕式除塵器的工作過程，為除塵器的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

濕式除塵器 蜂窩擾流濾芯 除塵機理 動態(tài)模擬

煤炭粉塵是我國煤礦五大災害（瓦斯、頂板、粉塵、水災、火災）之一，其危害性主要表現(xiàn)在兩個方面，一是井下工人吸入直徑小于5μm的呼吸性粉塵后所引起的塵肺病，二是直徑小于1 mm的粉塵具有潛在的爆炸可能性，其中最嚴重的危害就是塵肺病。目前，全國塵肺病報告人數(shù)已超72萬人，其中62%集中在煤炭行業(yè)，每年死于塵肺病的煤礦工人人數(shù)遠遠高于同期生產(chǎn)事故的死亡人數(shù)，煤礦塵肺病防治形勢十分嚴峻。針對這一現(xiàn)象，除了采取對煤層注水、濕式打眼以及粉塵檢測等綜合防塵措施，還需對井下工作環(huán)境配備除塵裝置。

常用的除塵裝置主要分為機械式、過濾式、濕式和電除塵器。其中，濕式除塵器適于捕集非纖維性粉塵，尤其針對過濾易燃、易爆及高溫氣體，非常適合煤礦井下應用，因此設計了一種應用于井下綜采工作面的新型濕式蜂窩濾芯除塵器，該除塵器具有體積小以及安裝和維修方便等特點。

1　綜采工作面粉塵濃度分布情況介紹

我國煤礦采煤工作面是產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場所，綜采工藝中的破煤、落煤和裝煤等工序是產(chǎn)生煤塵的主要來源，產(chǎn)塵量約占礦井產(chǎn)塵量60%以上。在地質條件和通風狀況基本相同的情況下，若不采取防塵措施，綜采工作面作業(yè)地點的粉塵濃度為2500～3000 mg/m3，即便在采取噴霧灑水和煤層注水等除塵措施后，綜采面的粉塵濃度仍可達到1000 mg/m3以上。醫(yī)學研究已經(jīng)證明，生產(chǎn)性粉塵中的游離二氧化硅（SiO2）是導致塵肺病的主要礦物成分，因此在各國的礦山安全規(guī)程中，對作業(yè)環(huán)境空氣中粉塵濃度（mg/m3）容許值的規(guī)定都是以粉塵中游離二氧化硅含量值為依據(jù)。我國 《煤礦安全規(guī)程》第739條中規(guī)定:作業(yè)場所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度應符合表1要求。而在實際生產(chǎn)中，綜采工作面的粉塵濃度大大超過國家有關衛(wèi)生標準，因此在采煤工作面開展除塵裝置的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

表1　作業(yè)場所空氣中粉塵濃度標準

2　濕式除塵機理

在濕式除塵器中主要依靠工作介質水來捕集夾雜在空氣中的粉塵，水與粉塵顆粒的接觸方式主要有水滴、水膜和氣泡這3種方式，在實際應用的除塵器中，可能兼具其中2種或3種全有的方式。

依靠介質水捕集塵粒的機理很多，常用除塵器主要利用的是慣性碰撞、布朗擴散和攔截進行粉塵捕集。其中慣性碰撞是針對較大顆粒的粉塵在跟隨著氣流運動時，由于其自身的慣性，接近液滴的塵粒不會隨著氣流前進，而是脫離氣體流線并碰撞在液滴上，從而被液滴捕獲；布朗擴散是針對粒徑較小的粉塵隨著氣流運動時，由于布朗擴散的作用，顆粒運動軌跡與流線不一致而沉降在液滴上，擴散主要對粒徑小于1μm的粉塵起作用，粒徑越小則布朗擴散越強烈；攔截則是不考慮粉塵顆粒的慣性，沿流線運動的粉塵不僅能在其流線與液滴相交處被捕獲，而且當流線與液滴表面距離在顆粒半徑范圍以內(nèi)，粉塵與液滴接觸也可被捕獲。

本文所提出的新型礦用濕式蜂窩濾芯除塵器就是依據(jù)碰撞-攔截-沉降模型進行設計和研究的。

3　新型礦用濕式除塵器的研究

3.1除塵器的設計

濕式蜂窩濾芯除塵器主要由軸流風機、噴水裝置、蜂窩擾流濾芯、脫水濾網(wǎng)、導流板和污水收集裝置等部件組成，其結構組成如圖1所示。

圖1　濕式蜂窩濾芯除塵器結構組成

由圖1可以看出，風量大小的控制是通過調(diào)節(jié)軸流風機扇葉的轉速來實現(xiàn)；進風口采用畢托管測速儀來測量風速，噴嘴噴水方向與氣流方向一致，以減小除塵器的內(nèi)部壓降；脫水濾網(wǎng)去除空氣中的水滴和粉塵顆粒，污水流入集污槽進行集中處理，以防止二次污染。

濕式除塵器中最核心的組成部分就是400 mm長的蜂窩擾流濾芯，蜂窩擾流濾芯3D模型如圖2所示。

圖2　蜂窩擾流濾芯3D模型

由圖2可以看出，蜂窩是指濾芯內(nèi)部由許多呈六邊形的金屬薄板通過擾流柱連接組成的蜂窩狀結構，相鄰擾流柱夾角為120°，并交叉排列；擾流是指含塵氣流在擾流圓柱后形成的卡門渦街對于（平板）邊界層產(chǎn)生的擾動作用。組裝好的濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的樣機如圖3所示。

3.2蜂窩濾芯除塵效率分析

為了便于研究，蜂窩濾芯模型簡化后如圖4所示。

由圖4可見，將單一通路六邊形濾芯的當量直徑設為?，經(jīng)過計算即為其內(nèi)接圓直徑，薄板內(nèi)壁水膜厚度均值為δ。假設在圖中a處氣體的微團粉塵濃度為C，長度為d x，運動到b位置時，一部分塵粒會被濾芯壁面厚度為δ的水膜所捕集，根據(jù)

圖3　濕式除塵器樣機

圖4　蜂窩濾芯模型

質量守恒方程得出式（1）:

其中:C——入口a處的粉塵濃度，mg/m3；

?——蜂窩擾流濾芯當量直徑，m；

d x——a處氣體微團長度，m；

t——氣體微團運動的時間，s；

δ——蜂窩濾芯壁面的水膜厚度，m。

對式（1）整理，解微分方程得式（2）:

式中:c——初始氣體濃度，mg/m3。

式中:β——濾芯水膜厚度與濾芯當量直徑之比。

蜂窩濾芯除塵效率η表示為:

式中:η——蜂窩濾芯除塵效率，%。

從以上公式可以看出，有2種方式可以提高除塵器的除塵效率，一種是增加粉塵氣體在蜂窩濾芯內(nèi)部的接觸時間，另一種是增大濾芯壁面水膜厚度δ與?的比值。當入口風速一定時，粉塵在濾芯中的停留時間主要取決于濾芯長度，式（4）中粉塵濃度與時間t是指數(shù)關系，當t增大到一定值時，濃度C會變化很小，而且濾芯過長會使除塵器的通風量減小，工作效率降低，體積變大會導致制造成本的增加，因此濾芯存在一個比較經(jīng)濟的長度值，通過試驗后，實驗室設計的濾芯長度為400 mm。

4　新型礦用濕式除塵器工作原理與動態(tài)模擬

4.1新型礦用濕式除塵器工作原理

新型礦用濕式除塵用水通過噴嘴向蜂窩擾流濾芯噴水，在其壁面和濾芯內(nèi)的擾流柱表面形成一層連續(xù)的水膜。當含塵空氣通過蜂窩狀濾芯時，大粒徑的顆粒依靠其自身較大的慣性效應撞擊在擾流柱或蜂窩擾流濾芯壁面，被這些表面所附著的水膜捕集；對于粒徑小且跟隨性較好的顆粒，會隨著氣體繞過擾流柱，并在其后面形成卡門渦街，強化多相流渦團間的作用，增強粉塵顆粒的擴散效應，增加顆粒被濾芯壁面和擾流柱表面水膜捕集的幾率，達到提高除塵效率的目的。由于連續(xù)不斷地噴水，將在蜂窩擾流濾芯表面的形成新的水膜，使除塵器本身具有了自清潔的能力。

4.2新型礦用濕式除塵器動態(tài)模擬

為了清晰地演示濕式除塵器內(nèi)部的工作過程，通過Solid Works軟件進行除塵器的實體建模，將三維模型導入3D Studio Max軟件中實現(xiàn)除塵器工作的動畫仿真，該仿真過程主要包括風機排風段、噴嘴噴水與蜂窩濾芯除塵、脫水段和污水收集段，除塵過程動態(tài)模擬如圖5所示。通過3D Studio max軟件對除塵過程的動態(tài)模擬，增強除塵視覺效果，使除塵過程一目了然。

5　結論

濕式除塵與干式除塵相比具有設備投資少、構造簡單及凈化效率高等特點，能夠去除掉0.1μm以上的塵粒，而且在除塵過程中還具有降溫冷卻、增加濕度和凈化有毒易燃氣體等作用，適用于處理與水不發(fā)生化學反應的各類粉塵，但在冬季使用時需考慮防凍問題。結合濕式除塵理論，通過對新式濕式除塵器的研究與過濾效率的分析得出以下結論，為除塵器的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

（1）新式濕式除塵器的除塵效率主要不是取決于粉塵的潤濕性，而是取決于所有到達液滴表面或者進入并穿過液滴，或者黏附在液滴表面的塵粒的數(shù)量。

圖5　除塵過程動態(tài)模擬

（2）新式濕式除塵器在除塵過程中需保證充足的噴水量，以便形成連續(xù)的水膜捕集空氣中的粉塵，并沖走含塵污水到集污槽。由于除塵過程中需要大量用水，因此在設計和使用中特別注意了污水的處理和循環(huán)再利用問題。

（3）蜂窩濾芯中的擾流柱后面產(chǎn)生的卡門渦街提高了含塵氣體的湍流強度，增加了濾芯表面水膜與氣體的接觸厚度，提高了粉塵被捕集的幾率。

（4）增加濾芯長度可以延長除塵時間并能夠提高除塵效率，但濃度與時間呈指數(shù)關系，當時間達到一定值時，濃度減小不明顯，而且會使除塵器體積變大，使通風量減小，因此應合理選擇濾芯長度。

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（責任編輯 王雅琴）

Study and dynamic simulation on a new type of mine wet scrubber

Song Zhiying，Li Feihang，Ma Fei，Jia Ruiqing
（School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

The authors introduced a new type of mine wet scrubber，by combining dust concentration distribution of full-mechanized coal mining face and mechanism of wet dust removal. The wet scrubber has characteristics of small volume，easy to install and maintain and can remove dust particles which size were larger than 0.1μm.The authors also focused on designing and working principle of honeycomb filter，and analyzed methods of improving dust collection efficiency.Finally，according to 3ds Max software，working process of wet scrubber were dynamic simulated which providing theoretical foundation of further optimization on wet scrubber.

wet scrubber，honeycomb filter，dedust mechanism，dynamic simulation

TD714.4

A

宋智瀛（1985-），男，遼寧錦州人，中國礦業(yè)大學（北京）在讀博士研究生，主要研究方向為礦井除塵設備研究。