選煤廠轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流影響因素的實(shí)驗(yàn)研究*

王式耀，葛少成，陳　曦,2，張興華

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全工程技術(shù)研究院，遼寧 阜新 12300)

數(shù)字出版日期： 2017-09-14

0　引言

選煤廠轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流的產(chǎn)生主要是煤料下落時(shí)對(duì)周圍空氣的拽曳作用引起的[1]。煤料在轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中，因其自身的運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)周圍空氣隨之運(yùn)動(dòng)，形成誘導(dǎo)氣流，而煤料夾帶的粉塵在誘導(dǎo)氣流造成的負(fù)壓下擴(kuò)散出來(lái)，并且當(dāng)煤料撞擊膠帶時(shí)，誘導(dǎo)氣流方向在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變并致使煤料中的粉塵再次擴(kuò)散，導(dǎo)致作業(yè)空間的粉塵污染[1-5]。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同工況下的落料誘導(dǎo)氣流進(jìn)行了大量研究，Hemeon[6]對(duì)物料下落的誘導(dǎo)氣流量進(jìn)行了分析，他將誘導(dǎo)氣流看成是單個(gè)物料在靜止空氣中自由下落產(chǎn)生的氣流總和；Peter Wypych[7]認(rèn)為物料中間運(yùn)動(dòng)的顆粒對(duì)周圍氣流產(chǎn)生的影響較顆粒單獨(dú)下落對(duì)氣流造成的影響要小，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出誘導(dǎo)氣流量與下落高度的5/3次方成正比，單位質(zhì)量料流產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流量與單位料流量的-0.67次方成正比。我國(guó)學(xué)者劉啟覺(jué)等[8-9]從牛頓剪切定律出發(fā)，將料流下落過(guò)程假設(shè)為理想過(guò)程，得出了理想落料管落料的誘導(dǎo)氣流量與落料官的空氣運(yùn)動(dòng)粘度的1/2次方成正比，與下料高度的3/4次方成正比。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)相似模型實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬等技術(shù)手段得出的研究結(jié)果都認(rèn)為物料的下料高度、物料的質(zhì)量流量、物料的粒度等影響因素是轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流大小的重要因素[6-14]，但研究過(guò)程所設(shè)定的條件或建立模型都與選煤廠的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況有一定偏差，基于此，為了更準(zhǔn)確研究選煤廠轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流運(yùn)移問(wèn)題，筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況出發(fā)，自主設(shè)計(jì)了一套等比例縮小的轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的主要影響因素進(jìn)行分析，為選煤廠安全高效生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)支撐。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行自主設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)由振動(dòng)給料機(jī)、料倉(cāng)、斜槽、落料箱、風(fēng)速儀等組成。煤料預(yù)先裝在料倉(cāng)中，振動(dòng)給料機(jī)振動(dòng)給料，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕改變給料機(jī)振動(dòng)頻率來(lái)調(diào)節(jié)下料量，斜槽為物料提供下料通道，用鍍鋅板折成的200 mm×150 mm的U型槽并能夠伸縮改變長(zhǎng)度，上口用透明PC板密封，膠帶長(zhǎng)2 400 mm，帶面寬400 mm，上部用透明PC塑料板密封，膠帶通過(guò)調(diào)頻器調(diào)節(jié)運(yùn)行速度并實(shí)現(xiàn)0～1 m/s無(wú)限調(diào)節(jié)，落料箱用于下落物料的收集，落料箱尺寸為1 100 mm×900 mm×400 mm，數(shù)據(jù)的采集使用熱球式風(fēng)速儀，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1　Transfer point induced airflow experiment platform

1.2　實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)煤樣選取自遼寧省阜新市海州露天煤礦，并根據(jù)選煤廠用煤情況選取了粒度相對(duì)均勻的末煤作為實(shí)驗(yàn)用料，通過(guò)晾曬和濕度測(cè)試，保證濕度基本一致。實(shí)驗(yàn)樣品如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)煤樣Fig.2　Experimental coal samples

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

為了解下料高差h，單位時(shí)間下料量m和膠帶運(yùn)行情況等因素對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流的影響，改變各參數(shù)，測(cè)量氣流速度。其中實(shí)驗(yàn)參數(shù)：下落高差h為 750，950，1 150，1 350 mm，單位時(shí)間下料量m為2，5， 8，11 t/h ，膠帶速度V膠為0.31，0.47，0.63，0.79 m/s。具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為3個(gè)方面：?jiǎn)挝粫r(shí)間下料量與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系，其中設(shè)定膠帶速度為0.47 m/s，落料高差950 mm，在斜槽傾角為30°，45°，60° 3個(gè)角度下分別測(cè)量2，5，8，11 t/h 4個(gè)單位時(shí)間下料量下所產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流速度;下料高度與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系，設(shè)定膠帶速度為0.63 m/s，單位時(shí)間落料量為8t/h，同樣在斜槽傾角為30°，45°，60° 3個(gè)角度下分別測(cè)量750，950，1 150，1 350 mm 4個(gè)下料高度下的誘導(dǎo)氣流速度;不同條件下膠帶運(yùn)行情況對(duì)誘導(dǎo)氣流的影響，單位時(shí)間落料量為2，5t/h和落料高差950，1 150 mm情況下分別測(cè)量斜槽傾角為30°，45°，60° 3個(gè)角度下膠帶速度為0和0.47 m/s時(shí)的誘導(dǎo)氣流速度。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　單位時(shí)間下料量與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，風(fēng)速儀、膠帶、給料機(jī)同時(shí)開(kāi)啟，根據(jù)料倉(cāng)的容量，將測(cè)量時(shí)間定為40 s，當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量時(shí)間時(shí)，首先關(guān)閉測(cè)量?jī)x器以及給料機(jī)，待膠帶上的物料全部落入落料箱，關(guān)閉膠帶，得到誘導(dǎo)氣流速度隨時(shí)間的變化曲線，通過(guò)對(duì)不同落料量下的誘導(dǎo)氣流的比較，研究落料量對(duì)誘導(dǎo)氣流影響其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　單位時(shí)間下料量與誘導(dǎo)氣流速度之間的關(guān)系Fig.3　The relationship between the amount of material being discharged and the velocity of induced airflow

由圖3可以看出:

1)不同的單位時(shí)間下料量情況下導(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度變化趨勢(shì)整體相同，即導(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度在5 s后迅速提升，在10 s以后趨于穩(wěn)定。

2)導(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度的大小隨著單位時(shí)間下料量的增加呈冪函數(shù)的趨勢(shì)增大，當(dāng)物料核心區(qū)對(duì)氣流的誘導(dǎo)作用較弱，且當(dāng)物料下料量增大時(shí)處于物料核心區(qū)的質(zhì)量增多，外圍區(qū)增加的相對(duì)值較小，此時(shí)導(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度趨于平緩，說(shuō)明冪函數(shù)的指數(shù)較小，即隨著煤的單位時(shí)間下料量的提高，誘導(dǎo)氣流速度的增加量逐漸放緩。

3)在相同下落高度下，當(dāng)斜槽傾角增大時(shí)，斜槽的長(zhǎng)度相對(duì)縮短，物料與斜槽的相應(yīng)摩擦力減小而且重力在沿斜槽方向的分力增大，即物料在沿斜槽方向上的加速度增大，物料所能達(dá)到的最大速度增大，由于物料的速度越大對(duì)其周圍空氣的拽曳力越大，因此，在相同下落高度下，隨著斜槽的傾角增大時(shí)，導(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流的運(yùn)行速度增大明顯。

2.2　下料高度與誘導(dǎo)氣流之間的關(guān)系

與2.1步驟相同通過(guò)改變不同下料高差，研究在斜槽傾角為30°，45°，60° 3個(gè)角度下不同下料高差對(duì)誘導(dǎo)氣流的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　高度與誘導(dǎo)氣流速度之間的關(guān)系Fig.4　The relationship between the height and the velocity of induced airflow

從圖4可以看出：

1)4個(gè)不同下料高度情況下的誘導(dǎo)氣流速度在10 s以后趨于穩(wěn)定，且氣流速度隨高度的升高在明顯增大，導(dǎo)料槽處誘導(dǎo)氣流速度的增加量隨下料高度的增大也在持續(xù)增大。

2)物料下落速度的提高是增大物料對(duì)周圍空氣曳力作用的主要影響因素，而物料下落高度的增大很明顯的提高了物料下落的最大速度，同時(shí)，下料斜槽角度的增大同樣能夠提高物料下落的速度。

3)當(dāng)物料隨下料速度增大時(shí)，物料所占的空間增大，料流的孔隙率也隨之增大，料流核心區(qū)外的靜止氣流隨之填充進(jìn)料流空間內(nèi)，而且外國(guó)學(xué)者Peter Wypych通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了誘導(dǎo)氣流量與物料下料高度的5/3次方成正比，即物料的誘導(dǎo)氣流的增加量隨下料高度的提高而增大，因此，誘導(dǎo)氣流的速度隨下料高度的升高而明顯增大。

2.3　膠帶速度與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系

膠帶對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流的影響主要包括2個(gè)方面：第一，膠帶對(duì)空氣的曳力作用使氣流速度相對(duì)增加；第二，由于膠帶對(duì)物料的輸出，保證了系統(tǒng)空間的相對(duì)穩(wěn)定，并且使斜槽2端壓差相對(duì)平衡，進(jìn)而使轉(zhuǎn)載點(diǎn)的誘導(dǎo)氣流持續(xù)平穩(wěn)。

為主要研究不同條件下膠帶的運(yùn)行對(duì)誘導(dǎo)氣流的影響，將膠帶運(yùn)行速度設(shè)定為0和0.47 m/s，然后同2.1步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　膠帶與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系Fig.5　the relationship between belt and the velocity of induced airflow

從圖5可以看出：

1)當(dāng)膠帶停止運(yùn)行時(shí)，即膠帶速度為0時(shí)，氣流速度基本都是經(jīng)過(guò)先升高后降低的過(guò)程，膠帶速度為0.47 m/s時(shí)，誘導(dǎo)氣流速度在10 s左右開(kāi)始趨于平穩(wěn)。

2)當(dāng)煤料的下落速度較大時(shí)，即斜槽傾角或高差較大時(shí)，膠帶運(yùn)行對(duì)空氣拽曳作用的影響相對(duì)較小，氣流速度大小沒(méi)相對(duì)明顯的變化，此時(shí)膠帶的運(yùn)行能夠輸出膠帶上堆積的煤料，使系統(tǒng)狀態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定，誘導(dǎo)氣流隨系統(tǒng)的運(yùn)行保持相對(duì)平穩(wěn)。

3)當(dāng)煤料的下落速度相對(duì)較小時(shí)，膠帶對(duì)周圍空氣拽曳作用的影響相對(duì)較大，膠帶運(yùn)行前后誘導(dǎo)氣流大小變化相對(duì)明顯，而且運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定?？偠灾?，膠帶運(yùn)行對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流的影響相對(duì)較大，但膠帶對(duì)誘導(dǎo)氣流的影響程度與物料的下料角度，下料高度和下料量之間又存在著緊密的聯(lián)系。

2.4　單位時(shí)間下料量、下料高度、膠帶速度對(duì)誘導(dǎo)氣流的影響

為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，掌握單位時(shí)間下料量、下料高度、斜槽傾角、膠帶運(yùn)行速度對(duì)誘導(dǎo)氣流的綜合影響，采用工程流體力學(xué)及能量守恒方法[15]，并結(jié)合IBM SPSS Statistics 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行擬合，得到下料量、下料高度、斜槽傾角、膠帶運(yùn)行速度對(duì)誘導(dǎo)氣流速度的影響，得到以下表達(dá)式：

(1)

(2)

式中：V為誘導(dǎo)氣流速度，m/s；h為下料高度，m；A為料流投影面積，m2；m為下料量，kg/s；V膠為膠帶運(yùn)行速度，m/s；CD為空氣粘性阻力系數(shù)，Pa/s；ρ為空氣密度，kg/m3；D為斜槽寬帶，mm。

通過(guò)公式可以看出，單位時(shí)間落料量大小和落料高度對(duì)誘導(dǎo)氣流的影響相對(duì)較大，作用效果較明顯。

3　結(jié)論

1)轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)氣流速度隨單位時(shí)間下料量的增加而增大，而且誘導(dǎo)氣流的增加量不斷減小，即隨物料質(zhì)量的增加，單位質(zhì)量的物料產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流不斷減小。

2)隨下料高差的增大，物料勢(shì)能增加，其下料速度增大，導(dǎo)致誘導(dǎo)氣流增加，并且受空間的變化，誘導(dǎo)氣流的增加量不斷變大。

3)隨著斜槽傾角的變大，物料的下落速度提高，對(duì)其周圍空氣的拽曳能力增強(qiáng)，使其誘導(dǎo)氣流速度和誘導(dǎo)氣流量增大。

4)膠帶的運(yùn)行對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的誘導(dǎo)氣流有一定的影響，膠帶對(duì)空氣的拽曳，使氣流速度加快，系統(tǒng)壓力差增大，導(dǎo)致誘導(dǎo)氣流量增加。

[1]陳曦, 葛少成. 誘導(dǎo)氣流對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)霧化特性影響規(guī)律的數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(3):603-608.

CHEN Xi, GE Shaocheng. Numerical and experimental study on spray characteristics with effect of induced airflow on trans shipment point[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(3):603-608.

[2]葛少成, 樊文濤, 張忠溫,等. 輸煤皮帶機(jī)尾粉塵污染及氣動(dòng)射霧除塵[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,34(4):459-463.

GE Shaocheng,FAN Wentao,ZHANG Zhongwen,et al. Dust pollution and air-driving shooting-fog dust control of coal converyer belt tailpiece[J]. Journal of Liaoning Technical University,2015,34(4):459-463.

[3]聶文, 程衛(wèi)民, 周剛,等． 掘進(jìn)面噴霧霧化粒度受風(fēng)流擾動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,41(3): 378-383.

NIE Wen，CHENG Weimin，ZHOU Gang，et al. Experimental study on atomized particle size as affected by airflow disturbance at the head-ing face[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2012, 41(3): 378-383.

[4]蔣仲安. 濕式除塵機(jī)理的研究與應(yīng)用[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),1994: 34-35,84-88.

[5]馬云東, 賈惠艷. 帶式輸送機(jī)輸煤系統(tǒng)轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵控制技術(shù)研究[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社,2008：12.

[6]W.D.L. Hemeon. Plant and Process Ventilation[M]. New York, USA: Industrial Press, 1963.

[7]Peter Wypych, Dave Cook, Paul Cooper. Controlling dust emissions and explosion hazards in powder handling plants[J]. Chemical Engineering and Processing, 2005(44): 323-326.

[8]劉啟覺(jué). 理想落料誘導(dǎo)空氣量的計(jì)算[J]. 通風(fēng)除塵,1987(3):33-36.

LIU Qijue. A calculation of guide air caused by ideal falling material[J]. Ventilation and Dust Removal,1987(3):33-36.

[9]劉啟覺(jué), 王繼煥. 膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)局部密閉罩內(nèi)誘導(dǎo)空氣量的計(jì)算[J]. 武漢糧食工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 1998(1):50-54.

LIU Qijue,WANG Jihuan.A calculation of guide air in a part airtight cover of transfer point of belt conveyor[J]. Journal of Wuhan Grain Industry College, 1998(1):50-54.

[10]W.Barth，Stromungsvorgange beim transport von festteilchen and flussigkeitsteilchen in gasen[J]. Chemie Ingenieur Technik, 1958, 30(3): 171-180.

[11]Chunhui He, Xianmei Chen, Jianhao Wang, et al. Conveying characteristics and resistance characteristics in dense phase pneumatic conveying of rice husk and blendings of rice husk and coal at high pressure[J]. Powder Technology, 2012, 227(9): 51-60.

[12]Daniel D. Josepha, Bobby H. Yanga. Friction factor correlations for laminar, transition and turbulent flow in smooth pipes[J]. Physica D: Nonlinear Phenomena, 2010, 239(14): 1318-1328.

[13]R. Pfeffer, S. Rossetti, S. Licklein. Analysis and correlation of heat transfer coefficient and friction factor data for dilute gas-solid suspensions[J]. NASA TN D-3603 (25th edn.)NASA, Washington, DC (1966).

[14]李小川. 氣流場(chǎng)中粉塵顆粒流動(dòng)行為與濕法凈化[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 2013: 38-47.

[15]李忠華,張永利,孫可明. 流體力學(xué)[M]. 遼寧：東北大學(xué)出版社,2008:78-88.