自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡機(jī)理及抑塵技術(shù)研究.pdf

1、礦塵是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。近年來(lái),隨著礦井綜合機(jī)械化程度的大幅提高和開采強(qiáng)度的持續(xù)增加,總產(chǎn)塵量急劇上升,疏水性的呼吸性粉塵比重增大,迫切需要進(jìn)行高效除塵技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用。與水霧相比,泡沫的表面積和流量大、黏附和濕潤(rùn)能力強(qiáng),是提高捕塵效率的極為有效的途徑之一。其中,泡沫的高效可靠制備是泡沫抑塵的核心內(nèi)容,不僅是實(shí)施泡沫抑塵的先決條件,還直接影響到抑塵效果和運(yùn)行成本。然而,現(xiàn)有的泡沫制備技術(shù)存在適用性差、安全可靠性低、制備成本高

2、、產(chǎn)泡能力弱等問題,嚴(yán)重阻礙了泡沫抑塵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。為解決上述問題,論文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的綜合研究方法,提出并較為系統(tǒng)地研究了自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡理論與技術(shù)這一新課題,取得的主要成果和結(jié)論如下:
　　提出了自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡原理和方法。即以小流量壓力水射流為動(dòng)力,利用射流卷吸效應(yīng)及其形成的負(fù)壓作用自動(dòng)吸入空氣和發(fā)泡劑,取消壓風(fēng)管路和定量添加泵;又采用旋流方法減小發(fā)泡介質(zhì)的流動(dòng)阻力,提

3、高產(chǎn)泡能力和泡沫出口能量,同時(shí)保障吸氣吸液負(fù)壓的形成。該原理和方法實(shí)現(xiàn)了從供壓風(fēng)發(fā)泡到自吸空氣產(chǎn)泡的突破,提高了泡沫制備的適用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
　　發(fā)明了自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡裝置,闡釋了其工作過(guò)程。構(gòu)思設(shè)計(jì)該裝置由射流噴嘴、吸氣室、吸液室、混合室、擴(kuò)散室和發(fā)泡室構(gòu)成,界定了其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和基本性能參數(shù);采用計(jì)算流體力學(xué)軟件,求解得到了該裝置內(nèi)紊動(dòng)射流的速度和壓力分布;通過(guò)理論分析和高速攝影觀測(cè)發(fā)現(xiàn),其工作過(guò)程依次為射流負(fù)壓

4、吸氣與吸液、射流破碎與混合、擴(kuò)散增壓初步成泡和旋流強(qiáng)化產(chǎn)泡。
　　研究了紊動(dòng)射流自吸空氣特性。采用ANSYS FLUENT模擬軟件和自主構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了基本幾何參數(shù)對(duì)射流吸氣性能的影響,探索了壓力水工況參數(shù)與吸氣性能參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,比較了單股射流與多股射流吸氣性能的差異。研究表明,吸氣量和氣水比隨面積比的增加而增大;氣水比隨距徑比和長(zhǎng)徑比的增加呈現(xiàn)出先升高后下降的變化規(guī)律;吸氣量與壓力水工作流量之間為線性關(guān)系、與工作壓強(qiáng)之間

5、為二次函數(shù)遞增關(guān)系,氣水比則在一定工況點(diǎn)后保持穩(wěn)定;多股射流的吸氣能力略強(qiáng)于單股射流,但相同工作流量下需要更高的工作壓強(qiáng)。
　　研究了紊動(dòng)射流自吸發(fā)泡劑(吸液)特性。采用自主構(gòu)建的發(fā)泡劑添加實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),探究了工作壓強(qiáng)和出口壓強(qiáng)對(duì)吸液負(fù)壓形成的影響、吸液負(fù)壓與吸液參數(shù)的函數(shù)關(guān)系、吸液管閥門開度對(duì)吸液性能的影響。研究表明:工作壓強(qiáng)和出口壓強(qiáng)從“一正一反”兩個(gè)方向線性地影響吸液負(fù)壓(真空度)的形成,即吸液負(fù)壓隨工作壓強(qiáng)的上升線性增長(zhǎng)、隨出

6、口壓強(qiáng)的升高則線性衰減;發(fā)泡劑吸入量及添加比例與吸液真空度之間為二次函數(shù)遞增關(guān)系,且增長(zhǎng)過(guò)程具有分段特性,即較低真空度下緩慢增加、較高真空度下快速增加;在形成較強(qiáng)負(fù)壓的基礎(chǔ)上,通過(guò)吸液管上的流量調(diào)節(jié)閥可以實(shí)現(xiàn)發(fā)泡劑的小流量低比例自動(dòng)添加。
　　研究了氣液旋流低阻高效產(chǎn)泡特性。采用ANSYS FLUENT軟件,探索了旋流構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其阻力特性的影響,采用自主構(gòu)建的旋流產(chǎn)泡特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),探究了工況條件、吸氣參數(shù)、發(fā)泡劑添加比例對(duì)產(chǎn)泡

7、性能的影響,實(shí)驗(yàn)比較了旋流構(gòu)件與擋板式構(gòu)件的發(fā)泡性能。研究表明:等腰梯形旋流通道具有更低的流動(dòng)阻力;泡沫生成量隨工作流量和工作壓強(qiáng)的增加分別呈現(xiàn)出線性遞增和二次函數(shù)遞增規(guī)律,發(fā)泡倍數(shù)則隨工作流量、工作壓強(qiáng)和吸氣量的增加呈現(xiàn)出“快速上升-基本穩(wěn)定-緩慢下降”的分段變化特征;旋流構(gòu)件可以在發(fā)泡劑低比例添加條件下實(shí)現(xiàn)較高倍數(shù)產(chǎn)泡;較之目前常用的擋板式發(fā)泡構(gòu)件,本文設(shè)計(jì)的旋流構(gòu)件的阻力損失降低40-60％,并且對(duì)喉管入口較強(qiáng)負(fù)壓的形成不造成影響

8、。
　　開發(fā)了礦山自吸空氣式泡沫抑塵技術(shù)。針對(duì)井下條件及采掘機(jī)械產(chǎn)塵特點(diǎn),研發(fā)出自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡與包裹塵源噴射相結(jié)合的自吸空氣式泡沫抑塵系統(tǒng),在朱仙莊煤礦 II1051綜采面和810軌道上山巖巷綜掘面成功進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。實(shí)踐證明,該技術(shù)的耗水量為0.4~0.6 m3/h、發(fā)泡劑添加比例為0.5~1.0%、發(fā)泡倍數(shù)>50倍,實(shí)現(xiàn)了壓力水和發(fā)泡劑小流量供給條件下的低阻高效產(chǎn)泡,解決了泡沫制備困難、可靠性低和制備成本高的問題,