自吸空气-发泡剂旋流产泡机理及抑尘技术研究

摘要

矿尘是煤矿中最严重的灾害之一。近年来,随着矿井综合机械化程度的大幅提高和开采强度的持续增加,总产尘量急剧上升,疏水性的呼吸性粉尘比重增大,迫切需要进行高效除尘技术的研究、开发和应用。与水雾相比,泡沫的表面积和流量大、黏附和湿润能力强,是提高捕尘效率的极为有效的途径之一。其中,泡沫的高效可靠制备是泡沫抑尘的核心内容,不仅是实施泡沫抑尘的先决条件,还直接影响到抑尘效果和运行成本。然而,现有的泡沫制备技术存在适用性差、安全可靠性低、制备成本高、产泡能力弱等问题,严重阻碍了泡沫抑尘技术的发展和应用。为解决上述问题,论文采用理论分析、实验室实验、数值模拟与现场试验相结合的综合研究方法,提出并较为系统地研究了自吸空气-发泡剂旋流产泡理论与技术这一新课题,取得的主要成果和结论如下:
　　提出了自吸空气-发泡剂旋流产泡原理和方法。即以小流量压力水射流为动力,利用射流卷吸效应及其形成的负压作用自动吸入空气和发泡剂,取消压风管路和定量添加泵;又采用旋流方法减小发泡介质的流动阻力,提高产泡能力和泡沫出口能量,同时保障吸气吸液负压的形成。该原理和方法实现了从供压风发泡到自吸空气产泡的突破,提高了泡沫制备的适用性、可靠性和经济性。
　　发明了自吸空气-发泡剂旋流产泡装置,阐释了其工作过程。构思设计该装置由射流喷嘴、吸气室、吸液室、混合室、扩散室和发泡室构成,界定了其基本结构参数和基本性能参数;采用计算流体力学软件,求解得到了该装置内紊动射流的速度和压力分布;通过理论分析和高速摄影观测发现,其工作过程依次为射流负压吸气与吸液、射流破碎与混合、扩散增压初步成泡和旋流强化产泡。
　　研究了紊动射流自吸空气特性。采用ANSYS FLUENT模拟软件和自主构建的实验系统,研究了基本几何参数对射流吸气性能的影响,探索了压力水工况参数与吸气性能参数的函数关系,比较了单股射流与多股射流吸气性能的差异。研究表明,吸气量和气水比随面积比的增加而增大;气水比随距径比和长径比的增加呈现出先升高后下降的变化规律;吸气量与压力水工作流量之间为线性关系、与工作压强之间为二次函数递增关系,气水比则在一定工况点后保持稳定;多股射流的吸气能力略强于单股射流,但相同工作流量下需要更高的工作压强。
　　研究了紊动射流自吸发泡剂(吸液)特性。采用自主构建的发泡剂添加实验系统,探究了工作压强和出口压强对吸液负压形成的影响、吸液负压与吸液参数的函数关系、吸液管阀门开度对吸液性能的影响。研究表明:工作压强和出口压强从“一正一反”两个方向线性地影响吸液负压(真空度)的形成,即吸液负压随工作压强的上升线性增长、随出口压强的升高则线性衰减;发泡剂吸入量及添加比例与吸液真空度之间为二次函数递增关系,且增长过程具有分段特性,即较低真空度下缓慢增加、较高真空度下快速增加;在形成较强负压的基础上,通过吸液管上的流量调节阀可以实现发泡剂的小流量低比例自动添加。
　　研究了气液旋流低阻高效产泡特性。采用ANSYS FLUENT软件,探索了旋流构件结构参数对其阻力特性的影响,采用自主构建的旋流产泡特性实验系统,探究了工况条件、吸气参数、发泡剂添加比例对产泡性能的影响,实验比较了旋流构件与挡板式构件的发泡性能。研究表明:等腰梯形旋流通道具有更低的流动阻力;泡沫生成量随工作流量和工作压强的增加分别呈现出线性递增和二次函数递增规律,发泡倍数则随工作流量、工作压强和吸气量的增加呈现出“快速上升-基本稳定-缓慢下降”的分段变化特征;旋流构件可以在发泡剂低比例添加条件下实现较高倍数产泡;较之目前常用的挡板式发泡构件,本文设计的旋流构件的阻力损失降低40-60％,并且对喉管入口较强负压的形成不造成影响。
　　开发了矿山自吸空气式泡沫抑尘技术。针对井下条件及采掘机械产尘特点,研发出自吸空气-发泡剂旋流产泡与包裹尘源喷射相结合的自吸空气式泡沫抑尘系统,在朱仙庄煤矿 II1051综采面和810轨道上山岩巷综掘面成功进行了工业性试验。实践证明,该技术的耗水量为0.4~0.6 m3/h、发泡剂添加比例为0.5~1.0%、发泡倍数>50倍,实现了压力水和发泡剂小流量供给条件下的低阻高效产泡,解决了泡沫制备困难、可靠性低和制备成本高的问题,抑尘效果显著。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义（Research Background and Significance）

1.2 泡沫除尘技术的应用现状（Development of Controlling Dust by Foam in Coal Mines）

1.3 除尘泡沫制备技术研究综述（Research Status of Foam Preparation Technology for Dust Control）

1.4 论文提出的科学问题（The Proposed Scientific Problems）

1.5 论文研究内容与技术路线（Research Contents and Technical Approach）

2.1 自吸空气-发泡剂旋流产泡装置设计原理（Design principle of Foam Generation Device of Rotational Flow with Air and Foaming Agent Self-suction）

2.2 发泡装置内紊动射流特性分析（ Analysis of Turbulent Jet Characteristics in Foam Generation Device） 2.2.1 流动结构

2.2.2 基本方程

2.2.3 速度与压力分布

2.3 气液自吸与混合过程的理论分析（Theoretical Analysis of Air and FoamingAgent Self-suction and Gas-liquid Mixing Process）

2.4 本章小结（Brief Summary of this Chapter）

3 射流自吸空气特性的数值模拟与实验研究

3.1 吸气特性数值模拟策略（Numerical Simulation Strategy for the Characteristics of Air Self-suction）

3.2 模拟结果与分析（Simulation Results and Analysis） 3.2.1 距径比对吸气量的影响

3.3 吸气特性实验方案（Experimental Scheme of Air Self-suction Characteristics）

3.4 实验结果（Experimental Results） 3.4.1 单股射流吸气实验数据

3.5 实验结果讨论（Results Discussion） 3.5.1 面积比对吸气性能的关系

3.6 本章小结（Brief Summary of this Chapter）

4 射流自吸发泡剂特性的实验研究

4.1 发泡剂物性测试（Property Test of the Foaming Agent）

4.2 自吸发泡剂特性实验方案（Experimental Scheme of Foaming Agent Self-suction Characteristics）

4.3 实验结果（Experimental Results） 4.3.1 不同工作压强下吸液实验结果

4.4 结果讨论（Results Discussion）

4.5 本章小结（Brief Summary of this Chapter）

5 气液旋流产泡特性的数值模拟与实验研究

5.1 旋流构件的数值模拟与设计（ Numerical Simulation and Design of Foaming Component of Rotational Flow）

5.2 产泡特性实验方案（Experimental Scheme of Foam Generation Characteristics）

5.3 实验结果（Experimental Results） 5.3.1 自吸空气-发泡剂旋流产泡实验数据

5.4 结果讨论（Results Discussion） 5.4.1 工作流量对产泡性能的影响规律

5.5 本章小结（Brief Summary of this Chapter）

6 自吸空气-发泡剂旋流产泡的抑尘技术与实践

6.1 朱仙庄煤矿II1051综采面泡沫抑尘实践（Application of Foam to Suppressing Dust on II1051 Coal Face of Zhuxianzhuang Mine）

6.2 朱仙庄煤矿 810 轨道上山综掘面泡沫抑尘实践（Application of Foam to Suppressing Dust on the Fully Mechanized Excavation Face in 810 Track Roadway of Zhuxianzhuang Coal Mine）

6.3 本章小结（Brief Summary of this Chapter）

7 全文总结7 Conclusion

7.1 主要结论（Main Conclusions）

7.2 主要创新点（Main Innovative Points）

7.3 后续研究展望（Research Expectation）

参考文献

作者简历

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