Numerical simulation of cyclone separation technology for dry drilling dust removal
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摘要:
以旋风除尘器为研究对象，建立几何模型，通过FLUENT数值模拟软件对旋风除尘器粉尘收集率进行分析，得到旋风除尘器的筒体高度、阻力、入口风速与粉尘收集率的关系。以数值模拟的结果为依据，设计旋风除尘器样机，并对其各个参数与过滤效率之间的关系进行验证，最终得到旋风除尘器工艺参数。结果表明：最佳筒体高度为1.5倍的筒体直径，入口风速为15 m/s，此时模拟的粉尘收集率为82.47%，阻力为500.76 Pa。实验旋风除尘器过滤效率为80.22%，阻力为494.6 Pa，与数值模拟的结果相近。
Abstract:In this paper, the cyclone dust collector was taken as the research object, and the geometric model was established. FLUENT was used to analyze the collection rate of the cyclone dust collector. The relationship between the height of the cyclone dust collector, the resistance, the inlet wind speed and the dust collection rate was obtained. Based on the results of numerical simulation, the prototype of cyclone dust collector was designed, and the relationship between its parameters and filtration efficiency was verified. Finally, the process parameters of cyclone dust collector were obtained. The results show that the optimal cylinder height is 1.5 times the diameter of the cylinder; the inlet wind speed is 15 m/s; the simulated collection rate is 82.47% and the resistance is 500.76 Pa. The filter efficiency of experimental cyclone dust collector is 80.22% and the resistance is 494.6 Pa, which is similar to the numerical simulation results.
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煤矿瓦斯治理以抽采为主，而瓦斯抽采方式有很多种[1-2]，如钻孔抽采、巷道抽采和综合抽采等，其最终目的都是提高瓦斯抽采率，确保矿井巷道中瓦斯浓度在安全范围内。大部分瓦斯抽采方式都离不开钻孔，钻孔分为干式钻孔和湿式钻孔[3]。在碎软煤层中，湿式钻孔因为水力排渣导致塌孔卡钻、断钻杆且成孔后堵孔、塌孔现象时有发生，因此很少使用[4]。煤矿瓦斯抽采钻孔施工主要采用干式钻孔[5]，但干式钻孔会产生大量粉尘，影响工人身体健康，因此，需要对粉尘进行治理。国内外针对干式钻孔产生的粉尘的治理技术方法有喷雾除尘、泡沫除尘及除尘器除尘等[6]。喷雾除尘因其喷嘴直径小，需要极高的水压，而高水压会导致其零件寿命缩短[7]；泡沫降尘中泡沫容易造成二次污染，且泡沫在昏暗的矿井下会阻挡工人视线[8]，这些问题极大地限制了其应用范围。因此，国内多使用除尘器除尘[9]。除尘器分为干式除尘器和湿式除尘器[10-12]。干式布袋除尘器具有除尘效率高的优点，但钻孔产尘量过大，导致布袋除尘器负载过大；而旋风除尘器体积小、效率高、使用方便。因此，选择旋风除尘器进行初级过滤[13]。
目前针对干式钻孔，实验室使用的旋风除尘器尺寸与入口风速的匹配度不够[14]，所以针对干式钻孔粉尘的特点，通过数值模拟和实验室试验的方法，对影响旋风除尘器除尘效率的因素进行研究，以期得到针对干式钻孔粉尘的最佳旋风分离技术参数。
1. 旋风分离技术
1.1 旋风除尘器工作原理
旋风除尘器由筒体、锥体、进气管、排气管及排灰口四部分组成。在一定风速下混合粉尘由进气口进入除尘器内部，并做圆周运动。由于粒子受到的力不同，一部分粒子在离心力的作用下被甩向壁面，从而被收集并从排灰口排除，另一部分则随着气流从排气管排除[15]。旋风除尘器工作原理如图 1所示。
1.2 旋风除尘器中粉尘运动状态分析
粉尘在除尘器中受到重力、浮力、阻力、压力梯度力、Saffman升力等多个力的作用，但起决定作用的主要是重力、浮力和阻力[16]。因粉尘颗粒是不规则的，为了便于分析与计算，将其假设为球形的粒子[17]。粉尘受到的重力G、浮力FB、阻力FD计算公式如下：
G=ρpvpg (1) FB=ρvpg (2) FD=CDρ|v−vp|(v−vp)πd2p8 (3) 式中: ρp为粉尘密度，kg/m3；ρ为空气密度，kg/m3；g为重力加速度, m/s2; CD为粉尘阻力系数；vp为入口风速，m/s；v为粉尘速度, m/s; dP为粉尘直径，m。
通过理论分析得到影响粉尘粒子在旋风除尘器内部运动的因素，对影响其运动状态的入口风速、风压和阻力3个内部因素进行研究。
2. 干式钻孔产尘特性及粉尘粒度分布
2.1 干式钻孔产尘特性
干式钻孔施工过程中，采用风力排渣系统进行排渣，会产生大量的煤尘和高浓度瓦斯。尤其在突出矿井煤巷中施工钻孔，煤层较软，煤体结构容易被破坏，产生大量煤尘和高浓度瓦斯[18]。不仅给钻孔施工环境造成恶劣影响，而且构成满足煤尘和瓦斯爆炸的必备条件之一，严重影响工作人员安全及健康[19]。经查阅文献，大多数煤矿的钻场内粉尘质量浓度为800 mg/m3，部分煤矿钻场内粉尘质量浓度甚至达到1 000 mg/m3，远高于《煤矿安全规程》要求的10 mg/m3的最高限制[20]。
2.2 干式钻孔粉尘粒度分布研究
对青龙煤矿钻孔煤渣颗粒进行采样并带回实验室，先将粒径300 μm以上的粉尘筛分出来，随后将1~150 μm的粉尘也筛分出来并用Bettersize2000E激光粒度分布仪测出煤粉粒径1~150 μm分布，最后对1~300 μm的粉尘粒径分布进行分析，结果见表 1。
表 1 粉尘粒度分布粒径dp/μm ＜1 ＜10 ＜20 ＜100 ＜300 粒度分布R(dp)/% 0.48 9.12 18.03 66.83 100 粉尘粒度分布一般服从罗辛—拉姆勒分布(Rosin-Rammler分布，简称R-R分布), 其与dp的关系如下:
R(dp)={1−exp[−(dpˉd)n]}×100% (4) 式中: R(dp)为直径小于dp的颗粒的质量百分比，%；d为特征尺寸，μm；n为传播系数。
根据不同的dp和R(dp)计算得到n=1.061，dp=95.439 1 μm。当粉尘群的粒径服从R-R分布时，其质量中间直径(单位，μm)按下式计算：Dmm=0.6931/n·d，测得Dmm=67.553 5 μm。所求出的传播系数、粉尘质量中间直径为后续模拟所需参数。
3. 旋风除尘器数值模拟研究
3.1 旋风除尘器几何尺寸的选取
根据青龙煤矿工作面空压机风量来确定除尘器的处理风量；根据《现代机械设备设计手册》确定各部分尺寸。设计中，旋风除尘器的高度应保证有足够的自然长度，一般取圆筒部分高度H=(1.5~2.0)D(D为筒体直径)，为了使研究更准确，取H=1.3D、1.5D、1.6D、1.8D、2.0D。
研究的5个旋风除尘器的具体尺寸见表 2。
表 2 旋风除尘器各部分参数值参数名称 参数值 进气口面积A/m2 0.016 进风口长l/m 0.184 进风口宽b/m 0.092 筒体直径D/m 0.33 排气管直径De/m 0.15 筒体高度H 1.3D, 1.5D, 1.6D, 1.8D, 2.0D 锥体高度h/m 0.66 半锥体角α/(°) 13 排灰口直径D2/m 0.2 3.2 模型建立及网格划分
针对筒体高度(简称“筒高”)与入口风速、除尘器阻力、除尘器压强进行研究。通过FLUENT数值模拟软件对5个旋风除尘器模型进行网格(六面体)划分，入口风速与粉尘初始速度保持一致。具体网格设置情况见表 3，网格划分示意图见图 2。
表 3 旋风除尘器模型网格设置除尘器圆筒高度 网格数 H=1.3D 176 482 H=1.5D 181 356 H=1.6D 187 634 H=1.8D 197 675 H=2.0D 206 436 3.3 模型参数设置
将模型导入软件后，设置求解器类型、湍流模型和求解类型等参数。旋风除尘器数值模拟的参数设置见表 4。
表 4 旋风除尘器模拟参数设置参数类型 参数设置 求解器 非耦合求解法 湍流模型 k-ε模型 求解类型 稳态计算 能量方程 开启 离散相模型 开启 压力速度耦合 SIMPLE算法 重力加速度/(m·s-2) 9.81 温度/K 313.15 耦合计算频率/步 10 计算总步数/步 1 500 阻力特征 球形阻力 喷射源类型 面喷射 喷射面 风流入口 粒子材质 煤粉 颗粒与空气入口初始速度/(m·s-1) 6，9，12，15，18 颗粒最大直径/m 0.000 3 颗粒最小直径/m 1×10-6 特征尺寸/m 6.755×10-5 传播系数 1.06 分布特征 R-R分布 利用R-R分布设置粒子离散相并加入离散相喷射源粒子进行耦合计算，直至流场最终收敛，截取旋风除尘器竖直方向上的压力分布云图和粉尘质量浓度分布云图。
3.4 数值模拟结果分析
1) 不同入口风速和不同尺寸的旋风除尘器与其阻力、收集率对比分析
分别对不同筒体高度和不同入口风速的旋风除尘器进行模拟，导出收集率η和阻力Ff，结果如图 3所示。
由图 3可以看出，随着入口风速不断增大，相同筒高下除尘器阻力也逐渐增大，由于粉尘速度越大撞击频率越高，撞击幅度也越大，所以阻力增大；当除尘器筒高不断增大时，阻力逐渐增大，由于筒高越高，粉尘停留的时间越长，粉尘做离心运动时间也会越长。随着速度的逐渐增加，相同除尘器的收集率不断增大，由于速度增加会导致粉尘有更多机会做离心运动。随着筒高增加除尘效率逐渐增大，H＝1.5D时达到最高，随后H增大除尘效率反而下降，由于H=1.3D时粉尘随风流进入旋风除尘器内部时未来得及进行分离便形成“短路”, 导致大量粉尘直接从排气管排出；当H＞1.5D时，由于H过长导致被分离的粉尘做离心运动时间增加，但同时也增大了“回流”的概率。而当速度大于15 m/s时，除尘效率几乎不变；当速度为15 m/s时，大部分粉尘已满足做离心运动进行分离。
2) 不同入口风速与旋风除尘器压力对比云图
在筒高为1.5D和不同入口风速条件下进行模拟，在后处理器中导出压力云图，如图 4所示。
由图 4可以看出, 压力随入口风速增大而增大，并且随着入口风速增大旋风除尘器压力梯度增大。由于粉尘在旋风除尘器内部做离心运动，因此除尘器内部越靠近内壁压强越大，并沿径向分布呈现对称。
3) 不同入口风速与粒子质量浓度对比云图
筒高为1.5D时，在不同入口风速条件下进行模拟。在后处理器中导出粉尘质量浓度云图，如图 5所示。
由图 5可以看出，当入口风速为6 m/s时，由于大部分粉尘不满足做离心运动的条件，一部分飘浮在除尘器内部，一部分停留在进气管处，一部分从排灰口和排气管直接逃逸。当入口风速逐渐增大时，越来越多的粉尘满足做离心运动的条件，飘浮的粉尘逐渐减少，停留在进气管处的粉尘与直接从排灰口和排气管逃逸的粉尘也减少。当入口风速达到15 m/s时，由于5 μm及以上粉尘大多数都在壁面附近做离心运动，所以几乎没有粉尘飘浮在除尘器内部，同时停留在进气管处的粉尘与直接从排灰口和排气管逃逸的粉尘也较少。
通过对旋风除尘器进行模拟，得到了在不同速度条件下旋风除尘器的入口风速、尺寸与收集率、阻力的关系，得出旋风除尘器最佳尺寸H=1.5D，以及粒子浓度分布图和压强分布图，表明旋风除尘器针对干式钻孔的粉尘最佳除尘入口风速为15 m/s，阻力为500.76 Pa，收集率为82.47%。
4. 旋风除尘器实验室测试
按模拟的最佳尺寸设计出旋风除尘器, 并根据图 6连接好实验装置。将实验装置的风速调到模拟所确定的最佳值，然后通过发尘器进行一段时间的发尘。通过2个U型管记录除尘器阻力，并通过发尘袋质量和发尘量可得到过滤效率(收集率)。可在装置左边的管道内贴金属片来逐步增大除尘器阻力。
将实验数据进行整理，得到不同入口风速下旋风除尘器总过滤效率和阻力测试结果，见表 5~6。
表 5 旋风除尘器过滤效率测试结果编号 入口风速/(m·s-1) 发尘总质量/g 收尘袋内粉尘质量/g 过滤效率/% 1 13 1 000 751.0 75.10 2 14 1 000 770.4 77.04 3 15 1 000 802.2 80.22 4 16 1 000 805.2 80.52 5 17 1 000 807.2 80.72 表 6 旋风除尘器阻力测试结果编号 不同入口风速下的阻力/Pa 17 m/s 16 m/s 15 m/s 14 m/s 13 m/s 1 620 565 500 446 373 2 610 570 502 447 374 3 620 570 502 432 368 4 607 563 486 444 383 5 607 559 483 443 385 由模拟结果可知，当入口风速大于15 m/s时，收集率几乎不再变化，而其阻力一直在增大。由表 5~6可见，实验室实验过程中，最佳入口风速为15 m/s，过滤效率和模拟中过滤效率趋势相同，阻力也与模拟的结果相近，过滤效率为80.22%，平均阻力为494.6 Pa。
5. 结论
1) 通过粉尘粒度分布实验得到粉尘粒度分布范围和粉尘粒度分布参数，即传播系数、特征尺寸、粉尘质量中间直径。
2) 针对干式钻孔粉尘粒度分布的特点，采用数值模拟的方法对影响旋风除尘器除尘效率的因素进行研究，得到了旋风除尘器最佳参数，即最佳旋风分离的筒体高度为筒体直径的1.5倍，最佳入口风速为15 m/s，最佳阻力为500.76 Pa，其粉尘收集率为82.47%。
3) 根据最佳旋风除尘器模拟尺寸设计出除尘器样机，在15 m/s的入口风速下进行实验。旋风分离过滤效率达到80.22%，平均阻力为494.6 Pa，取得了良好的过滤效果。
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表 2 旋风除尘器各部分参数值
参数名称 参数值 进气口面积A/m2 0.016 进风口长l/m 0.184 进风口宽b/m 0.092 筒体直径D/m 0.33 排气管直径De/m 0.15 筒体高度H 1.3D, 1.5D, 1.6D, 1.8D, 2.0D 锥体高度h/m 0.66 半锥体角α/(°) 13 排灰口直径D2/m 0.2 
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表 3 旋风除尘器模型网格设置
除尘器圆筒高度 网格数 H=1.3D 176 482 H=1.5D 181 356 H=1.6D 187 634 H=1.8D 197 675 H=2.0D 206 436
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表 4 旋风除尘器模拟参数设置
参数类型 参数设置 求解器 非耦合求解法 湍流模型 k-ε模型 求解类型 稳态计算 能量方程 开启 离散相模型 开启 压力速度耦合 SIMPLE算法 重力加速度/(m·s-2) 9.81 温度/K 313.15 耦合计算频率/步 10 计算总步数/步 1 500 阻力特征 球形阻力 喷射源类型 面喷射 喷射面 风流入口 粒子材质 煤粉 颗粒与空气入口初始速度/(m·s-1) 6，9，12，15，18 颗粒最大直径/m 0.000 3 颗粒最小直径/m 1×10-6 特征尺寸/m 6.755×10-5 传播系数 1.06 分布特征 R-R分布
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表 5 旋风除尘器过滤效率测试结果
编号 入口风速/(m·s-1) 发尘总质量/g 收尘袋内粉尘质量/g 过滤效率/% 1 13 1 000 751.0 75.10 2 14 1 000 770.4 77.04 3 15 1 000 802.2 80.22 4 16 1 000 805.2 80.52 5 17 1 000 807.2 80.72
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表 6 旋风除尘器阻力测试结果
编号 不同入口风速下的阻力/Pa 17 m/s 16 m/s 15 m/s 14 m/s 13 m/s 1 620 565 500 446 373 2 610 570 502 447 374 3 620 570 502 432 368 4 607 563 486 444 383 5 607 559 483 443 385
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