自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡機理及抑塵技術研究.pdf

1、礦塵是煤礦中最嚴重的災害之一。近年來,隨著礦井綜合機械化程度的大幅提高和開采強度的持續(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,迫切需要進行高效除塵技術的研究、開發(fā)和應用。與水霧相比,泡沫的表面積和流量大、黏附和濕潤能力強,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,不僅是實施泡沫抑塵的先決條件,還直接影響到抑塵效果和運行成本。然而,現(xiàn)有的泡沫制備技術存在適用性差、安全可靠性低、制備成本高

2、、產(chǎn)泡能力弱等問題,嚴重阻礙了泡沫抑塵技術的發(fā)展和應用。為解決上述問題,論文采用理論分析、實驗室實驗、數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結合的綜合研究方法,提出并較為系統(tǒng)地研究了自吸空氣-發(fā)泡劑旋流產(chǎn)泡理論與技術這一新課題,取得的主要成果和結論如下:
　　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力,利用射流卷吸效應及其形成的負壓作用自動吸入空氣和發(fā)泡劑,取消壓風管路和定量添加泵;又采用旋流方法減小發(fā)泡介質(zhì)的流動阻力,提

3、高產(chǎn)泡能力和泡沫出口能量,同時保障吸氣吸液負壓的形成。該原理和方法實現(xiàn)了從供壓風發(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,闡釋了其工作過程。構思設計該裝置由射流噴嘴、吸氣室、吸液室、混合室、擴散室和發(fā)泡室構成,界定了其基本結構參數(shù)和基本性能參數(shù);采用計算流體力學軟件,求解得到了該裝置內(nèi)紊動射流的速度和壓力分布;通過理論分析和高速攝影觀測發(fā)現(xiàn),其工作過程依次為射流負壓

4、吸氣與吸液、射流破碎與混合、擴散增壓初步成泡和旋流強化產(chǎn)泡。
　　研究了紊動射流自吸空氣特性。采用ANSYS FLUENT模擬軟件和自主構建的實驗系統(tǒng),研究了基本幾何參數(shù)對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系、與工作壓強之間

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

6、口壓強的升高則線性衰減;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)遞增關系,且增長過程具有分段特性,即較低真空度下緩慢增加、較高真空度下快速增加;在形成較強負壓的基礎上,通過吸液管上的流量調(diào)節(jié)閥可以實現(xiàn)發(fā)泡劑的小流量低比例自動添加。
　　研究了氣液旋流低阻高效產(chǎn)泡特性。采用ANSYS FLUENT軟件,探索了旋流構件結構參數(shù)對其阻力特性的影響,采用自主構建的旋流產(chǎn)泡特性實驗系統(tǒng),探究了工況條件、吸氣參數(shù)、發(fā)泡劑添加比例對產(chǎn)泡

7、性能的影響,實驗比較了旋流構件與擋板式構件的發(fā)泡性能。研究表明:等腰梯形旋流通道具有更低的流動阻力;泡沫生成量隨工作流量和工作壓強的增加分別呈現(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;旋流構件可以在發(fā)泡劑低比例添加條件下實現(xiàn)較高倍數(shù)產(chǎn)泡;較之目前常用的擋板式發(fā)泡構件,本文設計的旋流構件的阻力損失降低40-60％,并且對喉管入口較強負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。針對井下條件及采掘機械產(chǎn)塵特點,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行了工業(yè)性試驗。實踐證明,該技術的耗水量為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,