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理論與實(shí)踐：新型礦用濕式除塵器的研究與動(dòng)態(tài)模擬

     常用的除塵裝置主要分為機(jī)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(duì)過濾易燃、易爆及高溫氣體，非常適合煤礦井下應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)了一種應(yīng)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(diǎn)。

1  綜采工作面粉塵濃度分布情況介紹

我國(guó)煤礦采煤工作面是產(chǎn)塵量最大的作業(yè)場(chǎng)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(zhì)條件和通風(fēng)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(diǎn)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(dá)到1000 mg/m3以上。醫(yī)學(xué)研究已經(jīng)證明，生產(chǎn)性粉塵中的游離二氧化硅(SiO2)是導(dǎo)致塵肺病的主要礦物成分，因此在各國(guó)的礦山安全規(guī)程中，對(duì)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(guó)《煤礦安全規(guī)程》第739條中規(guī)定：作業(yè)場(chǎng)所空氣中粉塵（總粉塵、呼吸性粉塵）濃度應(yīng)符合表1要求。而在實(shí)際生產(chǎn)中，綜采工作面的粉塵濃度大大超過國(guó)家有關(guān)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)意義。

2  濕式除塵機(jī)理

    在濕式除塵器中主要依靠工作介質(zhì)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(shí)際應(yīng)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(zhì)水捕集塵粒的機(jī)理很多，常用除塵器主要利用的是慣性碰撞、布朗擴(kuò)散和攔截進(jìn)行粉塵捕集。其中慣性碰撞是針對(duì)較大顆粒的粉塵在跟隨著氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其自身的慣性，接近液滴的塵粒不會(huì)隨著氣流前進(jìn)，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(kuò)散是針對(duì)粒徑較小的粉塵隨著氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于布朗擴(kuò)散的作用，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與流線不一致而沉降在液滴上，擴(kuò)散主要對(duì)粒徑小于lμm的粉塵起作用，粒徑越小則布朗擴(kuò)散越強(qiáng)烈；攔截則是不考慮粉塵顆粒的慣性，沿流線運(yùn)動(dòng)的粉塵不僅能在其流線與液滴相交處被捕獲，而且當(dāng)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)碰撞一攔截一沉降模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究的。

3新型礦用濕式除塵器的研究

3.1  除塵器的設(shè)計(jì)

濕式蜂窩濾芯除塵器主要由軸流風(fēng)機(jī)、噴水裝置、蜂窩擾流濾芯、脫水濾網(wǎng)、導(dǎo)流板和污水收集裝置等部件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

    由圖l可以看出，風(fēng)量大小的控制是通過調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)扇葉的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；進(jìn)風(fēng)口采用畢托管測(cè)速儀來測(cè)量風(fēng)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，污水流人集污槽進(jìn)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(zhǎng)的蜂窩擾流濾芯，蜂窩擾流濾芯3D模型如圖2所示。

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(jié)構(gòu)，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(duì)于（平板）邊界層產(chǎn)生的擾動(dòng)作用。組裝好的濕式蜂窩擾流濾芯除塵器的樣機(jī)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(jiǎn)化后如圖4所示。

由圖4可見，將單一通路六邊形濾芯的當(dāng)量直徑設(shè)為φ，經(jīng)過計(jì)算即為其內(nèi)接圓直徑，薄板內(nèi)壁水膜厚度均值為a。假設(shè)在圖中a處氣體的微團(tuán)粉塵濃度為C，長(zhǎng)度為dx，運(yùn)動(dòng)到b位置時(shí)，一部分塵粒會(huì)被濾芯壁面厚度為a的水膜所捕集，根據(jù)質(zhì)量守恒方程得出式(l)：

    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(shí)間，另一種是增大濾芯壁面水膜厚度a與φ的比值。當(dāng)人口風(fēng)速一定時(shí)，粉塵在濾芯中的停留時(shí)間主要取決于濾芯長(zhǎng)度，式(4)中粉塵濃度與時(shí)間t是指數(shù)關(guān)系，當(dāng)t增大到一定值時(shí)，濃度C會(huì)變化很小，而且濾芯過長(zhǎng)會(huì)使除塵器的通風(fēng)量減小，工作效率降低，體積變大會(huì)導(dǎo)致制造成本的增加，因此濾芯存在一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)度值，通過試驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的濾芯長(zhǎng)度為400mm。

4  新型礦用濕式除塵器工作原理與動(dòng)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(dāng)含塵空氣通過蜂窩狀濾芯時(shí)，大粒徑的顆粒依靠其自身較大的慣性效應(yīng)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(duì)于粒徑小且跟隨性較好的顆粒，會(huì)隨著氣體繞過擾流柱，并在其后面形成卡門渦街，強(qiáng)化多相流渦團(tuán)間的作用，增強(qiáng)粉塵顆粒的擴(kuò)散效應(yīng)，增加顆粒被濾芯壁面和擾流柱表面水膜捕集的幾率，達(dá)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(dòng)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SolidWorks軟件進(jìn)行除塵器的實(shí)體建模，將三維模型導(dǎo)人3D Studio Max軟件中實(shí)現(xiàn)除塵器工作的動(dòng)畫仿真，該仿真過程主要包括風(fēng)機(jī)排風(fēng)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(dòng)態(tài)模擬如圖5所示。通過3D Studiomax軟件對(duì)除塵過程的動(dòng)態(tài)模擬，增強(qiáng)除塵視覺效果，使除塵過程一目了然。

5  結(jié)論

    濕式除塵與干式除塵相比具有設(shè)備投資少、構(gòu)造簡(jiǎn)單及凈化效率高等特點(diǎn)，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?xì)怏w等作用，適用于處理與水不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的各類粉塵，但在冬季使用時(shí)需考慮防凍問題。結(jié)合濕式除塵理論，通過對(duì)新式濕式除塵器的研究與過濾效率的分析得出以下結(jié)論，為除塵器的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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

    (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(shè)計(jì)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(qiáng)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(zhǎng)度可以延長(zhǎng)除塵時(shí)間并能夠提高除塵效率，但濃度與時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，濃度減小不明顯，而且會(huì)使除塵器體積變大，使通風(fēng)量減小，因此應(yīng)合理選擇濾芯長(zhǎng)度。

6摘  要  

結(jié)合綜采工作面粉塵濃度分布和濕式除塵機(jī)理，對(duì)新型礦用濕式除塵器進(jìn)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(diǎn)，能夠除掉0.1 μm以上的塵粒。重點(diǎn)對(duì)蜂窩擾流濾芯的設(shè)計(jì)、工作原理以及提高除塵效率的方法進(jìn)行了分析，最后通過3D Studio Max軟件動(dòng)態(tài)模擬了濕式除塵器的工作過程，為除塵器的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。