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1、潞安矿区综合防尘技术及实践7 综掘面风幕湿式离心除尘系统7.1 布风器运行参数的确定1）布风器现场布置情况为更好地确定空气幕供风器出口断面积、安装角度等以达到最佳应用状态，需在巷道内对布风器的特性参数进行确定。内容主要包括风量（风速）、巷道风阻、空气幕供风器出口断面积、安装角度等1。在综掘工作面，供风系统的风筒采用吊挂的方式布置在巷道上方的一侧，与输送机平行布置，布风器因重量较大落地放置在小车上，放在掘进工作面巷道的非行人侧，由液压牵引车牵引移动，它不与掘进机、输送机发生直接联系，如图7-1所示。安装时圆筒可倾斜一定的角度从而使布风器开口与巷道成一定角度以实现引射风流，取得较好的通风除尘效果。
2、图7-1 布风器装配图1风门；2布风器；3布风器车架；4风筒接口为了与除尘风机匹配，达到理想的除尘效果，并考虑工作面对新鲜空气和瓦斯抽放的需求，供风风机选用FDB-230KW压入式对旋轴流风机，风机的流量为Q=560460m3/min，风压为H=23505350Pa。轴流式风机工作段的特性曲线比较陡，供风量受压头变化的影响较小，适合于通风管道经常发生变化，且变化幅度较大的场合。巷道掘进延伸时，长度不断发生变化，通风阻力也随之发生变化，但工作面所需要的风量必须保持在一定的范围内，故轴流式风机适合这种工况。布风器放置在巷道非行人一侧的落地小车上，随皮带机的机尾前进而前进。在掘进巷道内通过改变空气幕
3、供风器出口断面积、安装角度的方法，分别测得巷道内风速、风量、通风阻力等各项数据，列于下表7-1。优选其中对巷道通风、排除瓦斯、降低掘进巷道粉尘浓度（与湿式离心除尘器配合作用）有利的结果作为应用布风器的依据。表7-1 压差计法测定矿井通风阻力汇总表供风器出口断面积（m2）供风器安装角度（10度）巷道风速（m/s）巷道中风量（m3/s）巷道通风阻力（100Pa）0.310.3 5.3 7.3130.3 5.3 7.0950.3 5.3 8.420.410.3 5.3 6.930.4 7.0 6.6250.3 4.9 7.90.510.4 7.0 6.1830.4 7.0 5.7550.4 7.0
4、5.890.610.4 7.0 5.9630.4 7.0 6.2550.3 5.3 6.9根据所得数据，可作出反映供风器出口断面积、安装角度与巷道风量、通风阻力的变化关系的曲线，如图7-2所示。图7-2 供风器出口断面积、安装角度与巷道风量、通风阻力的关系从表7-1和图7-2不难得出以下结论：（1）在供风器出口断面积为0.3m2、0.4m2时，随着供风器安装角度的增加，巷道通风阻力呈抛物线型变化，且均在安装角度为30时达到最小阻力；巷道中风量在供风器出口断面积为0.3m2时几乎保持不变，在供风器出口断面积为0.4m2时，随安装角度的变化起伏较大，在安装角度为30时达到最大风量7.0m3/s。（
5、2）在供风器出口断面积为0.5m2时，随着供风器安装角度的增加，巷道通风阻力呈抛物线型变化，在安装角度为30时达到最小阻力且此时的最小阻力小于出口断面积为0.3m2、0.4m2时测得的最小阻力。风量几乎维持在7.0m3/s。（3）在供风器出口断面积为0.6m2时，随着供风器安装角度的增加，巷道通风阻力呈递增趋势，其最小的通风阻力比出口断面积为0.5m2时的最小阻力值略大。风量则由7.0m3/s逐渐下降。（4）通过以上分析可见，安装角度为30时为一理想的角度，此时风量与供风器处于其他安装角度时基本一样有时甚至可达到更高风量（如：出口断面积为0.4m2时）。供风器出口断面积介于0.50.6m2为一
6、理想的断面积，此时风量稳定且较为充足，达到7.0m3/s，更为重要的是风阻比其他断面积时均小，有利于除尘和排除瓦斯，使矿井达到最佳通风效果。根据以上分析，可以应用如下图7-3所示的布风器与下节将要介绍的湿式离心除尘器配套使用。图7-3 布风器制造尺寸图该布风器的供风器出口断面积为0.528m2，在井下安装时，使圆筒倾斜，安装角度设置为30。7.2 KCS系列矿用湿式离心除尘器内部结构（1）喷雾系统除尘器的除尘过程，可分为雾化、凝聚、离心沉降和脱水四个环节。含尘风流经过吸气风筒，进入除尘器，首先经过的便是雾化区，雾化区由5个喷嘴组合而成，如图7-4所示。考虑到管道所能承受的压力和最佳液气比、喷雾
7、造成的风阻等问题，确定供水压力为4bar，用水量5060L/min，喷嘴孔直径为1.3mm。喷雾开启时，5个喷嘴喷出的气雾能覆盖除尘器的整个截面，以较高的相对速度与尘粒接触，接着尘粒表面附着的气膜被冲破，尘粒被水润湿，发生激烈的凝聚，为尘粒的沉降、粘附和离心作用准备条件。 图7-4 喷雾系统结构（2）挡板结构除尘器内的挡板实物图如图7-5所示。两面用钢筋焊接而成的栅栏（400260mm）固定，中间夹层由80多层的金属丝网交替折叠而成，这样设计制造的目的一是这种层状结构可以有利于保留住更多的水分，且形成多层水膜（水帘），可以提高挡板的捕尘效率；二是用多层金属丝网做挡板经济耐用，有利于设备的日常维
8、护。 图7-5 除尘器内的挡板结构图7.3 湿式离心除尘器内部气流场数值模拟7.3.1 湿式离心除尘器的建模湿式离心除尘器内部是一种经过改进的网状折板挡尘收集装置（见图7-6），其工作原理是：粉尘通过湿式离心除尘器时，经喷雾雾化后，在多层尘雾收集挡尘网的作用下，形成“之”字形风流。尘雾在风流拐弯处的离心力作用下，撞击到挡尘网上，被网上的液膜吸附，从而达到除尘目的。a） b）图7-6 湿式离心除尘器结构示意图a）主视图；b）俯视图1除尘器体；2喷嘴；3立放气液过滤网；4平放气液过滤网；5粉尘水收集槽由湿式离心除尘器的工作原理可知，在其内部去除含尘气体涉及气液固三相三维的液体力学行为和相间的物理作
9、用，过程相当复杂。除尘器内的子过程包括：气相的湍流流动和湍流输运、多相流动及液雾蒸发和液相对固体颗粒的捕集。因此要对上述几个过程进行全面的数值模拟是不现实的。兼顾数值模拟的可行性和准确性，对模拟作了适当的简化：气体视为不可压缩；气体流动各参数随时间变化较小，因而气体流动视为定常流动；省去喷雾的过程，仅考虑气固两相流动，液膜粘尘效应用简化的trap边界条件代替；除尘器内壁绝热，忽略气固两相与器壁的传热。简化后具体的物理模型如图7-7所示。为方便后文的阐述，将粉尘水收集板简称挡板，由左至右计数共分为五级。图7-7 湿式离心除尘器数值模拟的结构示意图7.3.2 除尘器内部流动现象的结果与分析综合考虑
10、气流与除尘器内部隔板、挡板之间的相互作用，在负压风筒额定工况的条件下（400m3/min），对除尘器内部气流场进行模拟研究，并对数值模拟的结果进行详细的分析，揭示气流在除尘器内部的复杂流动情况。1）速度分布规律分析图7-8为气流入口速度为23.6m/s（除尘器额定工况下）时，除尘器z=0轴向截面的速度矢量图。从图中可以看出除尘器在工作过程中，气流速度越来越大，最大流速主要出现在挡板附近，特别是挡板边缘处，最小流速出现在进口处。气流速度从入口到出口先变小后逐渐变大，这主要是除尘器x轴向截面积变化引起的，因为经吸尘风筒吸入除尘器内的风量一定，在挡板边缘处，面积骤减，所以气流速度增加。图7-8 z=
11、0m截面速度矢量图图7-9为气流入口速度为23.6m/s（除尘器额定工况下）时，除尘器x=0.42，x=1.02，x=1.62m截面的速度矢量图。这3个截面刚好为气流经过3块挡板后的速度分布表示。从这3个截面的切片可以看出，在x轴截面上，气流速度总体呈“小、大、小、大、小”的规律分布。气流速度大的区域依然为面积较小的“缩口”处。而其他地方速度较小但分布不均匀说明除尘器内有涡旋但涡旋不大，压损自然也不大。这种方式有利于除尘器的捕尘和矿井抽排瓦斯。图7-9 x=0.42，1.02，1.62m截面速度矢量图图7-10为气流入口速度为23.6m/s（除尘器额定工况下）时，除尘器y=0.25m截面的速度
12、矢量图。从y轴截面图可以看出，局部压力沿气流主方向呈逆压分布，所以在每个挡板后侧均形成一个回流区。一方面气体的回流增加了气体在除尘器内的滞留时间，有利于提高气体的净化效果，但由于流程延长，回旋流动加强，削弱了除尘器内部气流的通畅性，导致塔内压力损失的增加。另一方面，该处的涡流在除尘器内部占据了有效体积，使气流波浪形前进时的相对截面积变小，气体流速大大提升，从而加强离心效果，提高除尘效率2。图7-10 y=0.25m截面速度矢量图为了更为直观的表现除尘器内部的速度变化以及对速度变化进行定量分析，在除尘器内部选定一条特征线段，即连接点（0，0.25，0.2）和点（1.8，0.25，0.2）形成直线
13、段（图7-11）。图7-11 特征线段直观位置图图7-12 特征线段上速度值变化图如图7-12所示，气流进入矩形截面后，速度先逐渐升高，在x=0.315m处达到峰值，之后逐渐降低，至一级挡板处速度降为0。在x=0.42m处，特征线段已经过一级挡板，线上的速度又开始升高，如此反复经过二、三、四、五级挡板，故线段上出现5次峰值，峰值点的具体坐标、速度及压力值如下表7-2所示。表7-2 特征线段上的速度峰值变化表X点坐标（m）00.3150.6150.9151.2151.5151.8速度（m/s）18.332.067.177.586.584.547.0由图7-12和表7-2可以看出，在四级挡板处速度
14、峰值最大，高达86.5m/s，五级挡板处速度峰值降低，自由出口处速度为47.0m/s。由此，我们可以分析出，如果只是盲目地增加挡板级数，在压力损失增加，能耗增加的同时，除尘效率并不能线性升高。但在除尘器实际的工作过程中，其内部速度并没有理论值所计算出来的那么高，主要原因是速度增大后，即马赫数过大时，会导致流体处于可压缩态，可压缩流体运动的模拟计算量非常大，对计算机性能要求很高，会与模拟采用粘性不可压缩流体运动模型的结果略有差异，但并不影响对除尘器的性能分析。2）静压力分布规律分析图7-13为除尘器在额定工况下在z=0截面的静压力分布云图。从图中可以看出，静压力从入口处至出口处逐渐降低，入口与出
15、口的压差为12kPa，气流在遇到挡板及分流板时压力梯度变化较大。在第一块分流板处的静压力均为最大，且围绕分流板明显形成一圆形区域。静压力沿除尘器的中轴线成对称分布。原因同速度分布规律章节所述。图7-13 z=0截面静态压力分布图7-14为除尘器在额定工况下在x=0.42，x=1.02，x=1.62m截面的静压力分布云图。从每块切片可以看出，静压力在x轴向呈“大、小、大”的规律分布。当气流流过挡板后，流道面积突然扩大，另外由于离心力的影响，在挡板附近区域形成二次流，静态压力突然减少，这也是在挡板后面有时候形成涡旋的主要原因。图7-14 x=0.42，1.02，1.62m 截面静态压力分布图7-15为除尘器在额定工况下y=0.25m截面的静压力分布云图。从云图上我们可以看出，y=0.25m截面的静压力沿轴向递减。这与z轴、x轴截面的静态压力分布分析结果相吻合。图7-15 y=0.25 m截面静态压力分布同前节速度分布规律分析类似，为了更为直观地表现除尘器
