帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽的抑塵設(shè)計(jì)

宋冠霆，宋偉剛

1中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110015

2東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110819

帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)是散料輸送過(guò)程中粉塵的主要來(lái)源，由于環(huán)保和人員健康的要求，有關(guān)誘導(dǎo)空氣與粉塵生成機(jī)理和抑塵設(shè)計(jì)的研究成為熱點(diǎn)[1-3]。隨著對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽抑塵機(jī)理的深入研究，抑塵方法逐漸從除塵器的動(dòng)力抑塵向無(wú)動(dòng)力抑塵方式轉(zhuǎn)變；對(duì)逃逸的粉塵處理從灑水到噴霧、干霧方式的轉(zhuǎn)變。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)建立了轉(zhuǎn)載溜槽粉塵測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究抑塵的計(jì)算方法和合理抑塵結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[3-5]；澳大利亞臥龍崗大學(xué)(University of Wollongong)的 Arnold、Wypych 和國(guó)內(nèi)的夏博實(shí)等人對(duì)粉塵下落的誘導(dǎo)空氣量進(jìn)行理論研究，提出了誘導(dǎo)空氣的計(jì)算模型[1,6,7]；劉澤勤等人[8-9]研究了自由下落物料誘導(dǎo)空氣的計(jì)算方法并進(jìn)行試驗(yàn)；李小川等人也對(duì)誘導(dǎo)空氣量及影響因素進(jìn)行了研究[10-11]。

本文是帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究系列之一，將對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽誘導(dǎo)空氣的計(jì)算模型與方法進(jìn)行評(píng)述，進(jìn)而對(duì)抑塵設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，對(duì)無(wú)動(dòng)力抑塵采用的引風(fēng)管、沉降室的粉塵沉降過(guò)程和空氣刮刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，最后給出無(wú)動(dòng)力抑塵導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇方法。

1 轉(zhuǎn)載過(guò)程的空氣流及誘導(dǎo)空氣量

轉(zhuǎn)載點(diǎn)處的溜槽外形及其他部分幾何形狀的良好設(shè)計(jì)對(duì)減少粉塵的產(chǎn)生有越來(lái)越重要的作用，要很好地理解溜槽的幾何形狀與粉塵逃逸的關(guān)系，必須理解其機(jī)理，包括溜槽內(nèi)部的粉塵生成。

粉塵的生成隨空氣速度增大而增加，隨物料尺寸、內(nèi)聚力的增大而減小。在每個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)，物料流的方向發(fā)生變化，導(dǎo)致不同顆粒尺寸(其質(zhì)量也不同)的物料軌跡分離。無(wú)動(dòng)力抑塵轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)如圖1 所示，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將轉(zhuǎn)載溜槽全部密封，對(duì)粉塵進(jìn)行控制。一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)在轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)上設(shè)置風(fēng)機(jī)引流除塵時(shí)，粉塵量將增加 4 倍。

圖1 無(wú)動(dòng)力抑塵轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)Fig.1 Unpowered dust suppression transfer chute system

誘導(dǎo)空氣是由于運(yùn)動(dòng)物料曳引作用而隨物料流動(dòng)的空氣，帶入設(shè)備或防塵密閉罩中的空氣量為誘導(dǎo)空氣量。在大量的顆粒自由下落時(shí)，周?chē)目諝怆S著物料的加速運(yùn)動(dòng)而擴(kuò)散，在氣固兩相間曳力、壓力梯度力等的相互作用和影響下，會(huì)被卷吸到料流的空隙中去(見(jiàn)圖2)[3]，這也是粉體或細(xì)顆粒物料在轉(zhuǎn)載過(guò)程充氣后密度明顯降低的原因。由于誘導(dǎo)空氣流和料流存在的速度差，使吸附在料塊表面的粉塵在摩擦力作用下剝離飛揚(yáng)，并向四周飄逸，形成污染。圍繞著料流中心會(huì)形成一個(gè)粉塵邊界層，邊界層的半徑隨著落料高度的增加而增大，誘導(dǎo)空氣量的大小和很多因素有關(guān)，例如顆粒的密度和粒徑分布、落料高度、顆粒質(zhì)量流量、物料流進(jìn)口的大小等。一些試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，采用的測(cè)試設(shè)備為小型設(shè)備，且試驗(yàn)用物料為極細(xì)的氧化鋁粉、沙石等，因而很難代表實(shí)際物料轉(zhuǎn)載的誘導(dǎo)空氣。下面闡述幾種基于典型的誘導(dǎo)空氣模型的誘導(dǎo)空氣量的估算方法。

圖2 誘導(dǎo)氣流產(chǎn)塵原理示意Fig.2 Sketch of dust generation principle of induced air flow

2 誘導(dǎo)空氣計(jì)算模型與誘導(dǎo)空氣量估算方法

2.1 Hemeon 模型方法

劉澤勤[8]給出 Hemeon 模型的推導(dǎo)過(guò)程，假設(shè)在靜止的空氣中，誘導(dǎo)氣流具有一定的末速度所需要的功等于顆粒自由下落過(guò)程中空氣阻力所做的功。將誘導(dǎo)氣流看成單顆粒物料在靜止氣流中自由下落產(chǎn)生的氣流的總和，誘導(dǎo)空氣量

式中：Qind為誘導(dǎo)空氣量，m3/s；g為重力加速度，m/s2；Qm為料流質(zhì)量流量，kg/s；h為物料下落高度，m；A1為料流截面積，m2；dp為顆粒名義直徑，m；ρp為顆粒密度，kg/m3。

此計(jì)算方法僅適用于單顆粒。假設(shè)物料開(kāi)始下落時(shí)顆粒速度為零，且無(wú)法計(jì)入實(shí)際料流內(nèi)部顆粒與顆粒、顆粒與空氣之間的相互作用，此計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值偏大，不適合轉(zhuǎn)載溜槽的誘導(dǎo)空氣量預(yù)測(cè)。

2.2 Tooker 模型方法

Tooker[12]指出 Hemeon 功率方程中的總壓力，系統(tǒng)的總壓力是速度壓力和系統(tǒng)阻力壓力之和，沒(méi)有直接給出誘導(dǎo)空氣的計(jì)算式，但給出了輸送物料為煤和巖石的帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載溜槽中產(chǎn)生的誘導(dǎo)空氣量。按照 Tooker 的計(jì)算原理，誘導(dǎo)空氣

式中：Effe為誘導(dǎo)效率，考慮物料間的碰撞與摩擦，一般為0.2～0.3，對(duì)于大下落高度，取0.5～0.6；A2為空氣進(jìn)口截面積，m2；Ce為空氣進(jìn)入系數(shù)，一般取0.6。

Tooker 建議，輸送煤和巖石時(shí)顆粒的名義粒度為1.0 和12.5 mm，該方法考慮了空氣流入的阻力，當(dāng)入口較大時(shí)，1 m2數(shù)量級(jí)上誘導(dǎo)空氣量過(guò)大；當(dāng)入口面積減小2 個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，誘導(dǎo)空氣量急劇減少，這也說(shuō)明了減小入口面積可以有效地減少粉塵。

2.3 CEMA 計(jì)算方法

CEMA[13]認(rèn)為：粉塵逃逸(排放)的主要原因是溜槽內(nèi)部的正壓，使得空氣中漂浮的粒子逃逸到外面。因?yàn)榱锊鄄⒉煌耆芊?，物料的進(jìn)入使壓力升高是直接原因。在轉(zhuǎn)載點(diǎn)有3 個(gè)運(yùn)動(dòng)空氣來(lái)源，分別為置換空氣Qdis、誘導(dǎo)空氣Qind和生成空氣Qgen。

(1)置換空氣 當(dāng)一定體積的物料進(jìn)入溜槽時(shí)同樣體積的空氣被推出，流出空氣的量等于進(jìn)入溜槽的物料的體積，即

例如，當(dāng)轉(zhuǎn)載溜槽的輸送量(輸送煤)為3 500 t/h，堆積密度為900 kg/m3，其置換空氣量將達(dá)到1.08 m3/s=3 888.88 m3/h。置換空氣只有在系統(tǒng)啟動(dòng)前溜槽中沒(méi)有物料時(shí)才有作用，而在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中溜槽中的物料量基本保持不變，因而在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮置換空氣問(wèn)題。

(2)誘導(dǎo)空氣 誘導(dǎo)空氣是物料離開(kāi)頭部滾筒后沿物料軌跡運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)的空氣。輸送物料時(shí)含有一定量的夾帶空氣，在下落過(guò)程中顆粒分離，且它們每一個(gè)都拖動(dòng)空氣，被拖動(dòng)空氣的總量除了與物料下落的速度有關(guān)外，還與顆粒間距和顆粒尺寸有關(guān)。當(dāng)物料轉(zhuǎn)載且大部分的壓縮空氣釋放時(shí)，引起轉(zhuǎn)載區(qū)空氣壓力的增加，向各方向推動(dòng)粉狀物料。

誘導(dǎo)空氣總量的近似計(jì)算方法為

式中：k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，k=0.078。

(3)生成空氣 是向輸送機(jī)轉(zhuǎn)載區(qū)給料的設(shè)備運(yùn)行而產(chǎn)生的空氣，比如粉碎機(jī)、錘式粉碎機(jī)、木材削片機(jī)等，應(yīng)根據(jù)具體設(shè)備確定這部分空氣的總量，或者實(shí)際測(cè)得空氣流量。在帶式輸送機(jī)之間轉(zhuǎn)載時(shí)沒(méi)有生成空氣。

CEMA 的氣流計(jì)算方法來(lái)源于馬丁工程公司的安全維護(hù)指南，從量綱關(guān)系看，該方法是在 Hemeon計(jì)算式基礎(chǔ)上的修正。但將料流截面積替換為進(jìn)口截面積時(shí)，此計(jì)算方法在入口不采取密封措施的情況下過(guò)高地估計(jì)了誘導(dǎo)空氣量；而在入口采取密封措施后，誘導(dǎo)空氣量隨截面積減小而減少，若能在進(jìn)料區(qū)完全密封，可將誘導(dǎo)空氣降至 0。

2.4 Cooper 和 Arnold 模型方法

Cooper 和 Arnold[1]對(duì)不同粒度物料下落過(guò)程中的行為提出 2 種分析模型。

2.4.1 模型 1

第1 種模型假設(shè)從漏斗中下落的大顆粒物料全部以重力加速度的方式運(yùn)動(dòng)，與下落物料的動(dòng)量相比，忽略了流動(dòng)的空氣動(dòng)量。誘導(dǎo)空氣為物料截面積乘以下落過(guò)程的速度差，誘導(dǎo)空氣量

式中：up0為物料自由落體初速度，m/s。

該方法估計(jì)的誘導(dǎo)空氣量雖然相對(duì)較小，但沒(méi)有計(jì)入系統(tǒng)的截面積和入口阻力的影響，因此所估計(jì)的誘導(dǎo)空氣量仍相對(duì)較大。

2.4.2 模型 2(羽流模型)

第2 種模型認(rèn)為：從漏斗流出的微粒羽流運(yùn)動(dòng)與自由下落過(guò)程中粉塵排放情況最為接近，且這種流動(dòng)被認(rèn)為是以高斯速度分布的混相羽流運(yùn)動(dòng)。根據(jù)羽流運(yùn)動(dòng)的方程式，推導(dǎo)出了小顆粒粉末從高度h下落時(shí)的誘導(dǎo)空氣量

式中：C為與誘導(dǎo)作用α有關(guān)的系數(shù)，α=ve/vplume，對(duì)于氧化鋁粉，C=0.1；ve為羽流邊沿誘導(dǎo)氣流速度，m/s；vplume為誘導(dǎo)氣流豎直方向的速度，m/s。

值得注意的是，Wypych[6]所提到的誘導(dǎo)空氣量與下落高度的 5/3 次冪、與物料的質(zhì)量流量成正比，此說(shuō)法來(lái)源于Cooper 和Arnold[1]，而非 Wypych首次提出。

Cooper 和 Arnold 模型是研究粉體物料下落過(guò)程中產(chǎn)生誘導(dǎo)空氣的生成機(jī)理，不能直接應(yīng)用于轉(zhuǎn)載溜槽的誘導(dǎo)空氣預(yù)測(cè)。

2.5 《火力發(fā)電廠(chǎng)及變電所供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》方法

《火力發(fā)電廠(chǎng)及變電所供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[14]給出了輸送機(jī)轉(zhuǎn)載過(guò)程中誘導(dǎo)空氣量的計(jì)算方法，誘導(dǎo)空氣量

式中：ξ為雙密封導(dǎo)料槽所采用的系數(shù)，取值范圍為 1.0～1.5，單密封時(shí)取 3；A為落料管橫截面積，m2；φ為與料流末速度有關(guān)的系數(shù)；ρm為物料的堆積密度，t/m3；vend為料流末速度，對(duì)于直接下落情況，假設(shè)下落前物料速度為 0，則下落后的速度vend=(m/s)。

該方法還給出了料流末速度的計(jì)算方法和針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的誘導(dǎo)空氣數(shù)據(jù)表，《DL/T 51872—2004火力發(fā)電廠(chǎng)運(yùn)煤設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程——2 煤塵防治》[15]引用并擴(kuò)展了此誘導(dǎo)空氣數(shù)據(jù)表，并規(guī)定：“當(dāng)運(yùn)煤系統(tǒng)落煤管上不加任何鎖氣裝置時(shí)，可參照附錄 A 數(shù)據(jù)選用；當(dāng)運(yùn)煤系統(tǒng)各部位密封較好，落煤管上加裝鎖氣器、導(dǎo)料槽內(nèi)安裝二級(jí)橡皮擋簾時(shí)，其除塵抽風(fēng)量可參照附錄 A 數(shù)據(jù)的 1/3 選用”。同時(shí)在條文說(shuō)明中介紹：“運(yùn)煤系統(tǒng)各部位密封較好，在落煤管末端加裝緩沖鎖氣器，導(dǎo)料槽內(nèi)加裝雙層滿(mǎn)擋式中間擋簾，除塵抽風(fēng)量是本規(guī)程附錄 A 所查風(fēng)量的 22%～26%。考慮輸送帶寬度、落差及帶速等因素的影響，盡量使理論計(jì)算與實(shí)際相吻合，使設(shè)計(jì)者能在不同條件下直接準(zhǔn)確地確定風(fēng)量，因此，在第 2 條中推薦采用附錄A 中數(shù)據(jù)的 1/3?！?/p>

可見(jiàn)，DL/T 51872—2004[15]所規(guī)定的抽風(fēng)量是為了保守起見(jiàn)而推薦的較大值，這也是轉(zhuǎn)載溜槽抑塵設(shè)計(jì)的一個(gè)誤區(qū)。

2.6 誘導(dǎo)空氣的算例分析

夏博實(shí)等人[7]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溜槽的出口空氣流速進(jìn)行了測(cè)試，物料質(zhì)量流Qm=3 500 t/h=972.22 kg/s，導(dǎo)料槽出口面積為 0.221 6 m2，無(wú)護(hù)罩情況下落高度為7.36 m，氣體流速為 9.8 m/s，空氣流量為 2.17 m3/s=7 818.048 m3/h；有護(hù)罩下落高度為 35.1 m，氣體流速為 1.8 m/s，空氣流量為 0.399 m3/s=1 436 m3/h，帶速為 3.8 m/s，物料顆粒密度為 1 500 kg/m3，堆積密度為 900 kg/m3，下落高差為 5 m。

采用前述計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果如表1 所列，計(jì)算中所用其他參數(shù)為：Ce=0.6，A2=0.5 m2，Effe=0.5，dp=0.01 m，A=4A1，vend==9.9 m/s，A1==0.170 6 m2。

表1 不同計(jì)算方法的誘導(dǎo)空氣量Tab.1 Induced air volume obtained with various calculation methods m3/s

如前所述，Hemeon 模型以及 Cooper 和 Arnold模型不適用于轉(zhuǎn)載溜槽誘導(dǎo)空氣的估算。從表1 計(jì)算結(jié)果看：Tooker 模型和 CEMA 計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果比“設(shè)計(jì)手冊(cè)”的結(jié)果大 1 個(gè)數(shù)量級(jí)。但在 Tooker模型中，當(dāng)A2=0.000 5 m2時(shí)，Qind=0.09 m3/s=325.27 m/h。減小進(jìn)料口的面積(通過(guò)設(shè)置擋簾)可有效地減少誘導(dǎo)空氣，方法是卸料輸送機(jī)頭部滾筒處的良好密封。對(duì)于設(shè)計(jì)手冊(cè)方法，當(dāng)下落高度為 35 m時(shí)，空氣流量為 1.37 m3/s，也遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值?？梢?jiàn)，現(xiàn)存誘導(dǎo)空氣的估計(jì)方法均遠(yuǎn)大于實(shí)際值，這在工程上偏于保守，也是工程設(shè)計(jì)的誤區(qū)：即為了達(dá)到轉(zhuǎn)載溜槽的除塵效果，通過(guò)增加除塵器風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量，盡量使導(dǎo)料槽內(nèi)形成負(fù)壓，從而在除塵器內(nèi)除塵，但結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，隨著抽風(fēng)量增大，導(dǎo)料槽的出口粉塵超標(biāo)問(wèn)題卻更加嚴(yán)重，隨著空氣的流動(dòng)，粉塵也流動(dòng)。而設(shè)計(jì)的目標(biāo)是減緩空氣流動(dòng)，使其所含的能量不足以承受粉塵的負(fù)荷，因此必須中斷空氣流動(dòng)。降低誘導(dǎo)空氣量的其他措施包括：在溜槽形狀上應(yīng)盡量減小物料流的截面積，以使輸送物料更加聚集；在溜槽的幾何形狀上也需要防止落下的加速度過(guò)大，或者最好完全限制自由落體的量；另一個(gè)重要且實(shí)用的措施是開(kāi)放區(qū)A2的減小。因此采用無(wú)動(dòng)力抑塵方法優(yōu)于風(fēng)機(jī)的動(dòng)力除塵方式，且工程實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)，良好的無(wú)動(dòng)力抑塵方式可使粉塵量降低 98%。

3 轉(zhuǎn)載溜槽抑塵的計(jì)算機(jī)仿真方法

粉塵的產(chǎn)生不可避免，但可以抑制。轉(zhuǎn)載溜槽的粉塵抑制問(wèn)題可以通過(guò)間接或直接的仿真方法去評(píng)價(jià)粉塵的抑制效果。當(dāng)前有關(guān)轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)計(jì)算方法包括連續(xù)模型、DEM 和 CFD 以及他們之間的耦合方法。

3.1 間接仿真方法

間接仿真方法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)給出具有良好導(dǎo)流的轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)連續(xù)模型和 DEM 仿真，驗(yàn)證轉(zhuǎn)載過(guò)程中的料流集中度高、料流速度變化小，來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較低程度的抑塵效果，這種方法可用于不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比。

(1)離散元方法(DEM)是溜槽設(shè)計(jì)的輔助工具，以解決堵塞、溢出和磨損的問(wèn)題，也可以間接說(shuō)明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較低的粉塵，但是由于沒(méi)有氣流，因此無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽的空氣流動(dòng)及粉塵進(jìn)行直接預(yù)測(cè)。

(2)單相流 CFD 仿真方法 是針對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)建立幾何模型，單獨(dú)對(duì)空氣流動(dòng)仿真，其基本假設(shè)為：較大的出口空氣流速會(huì)導(dǎo)致更多的粉塵產(chǎn)生，而較大的空氣質(zhì)量流意味著會(huì)產(chǎn)生更多的粉塵。例如通過(guò) CFD 仿真氣體流場(chǎng)的壓力分布，當(dāng)導(dǎo)料槽內(nèi)的氣壓低于外部靜壓，說(shuō)明粉塵不會(huì)從導(dǎo)料槽溢出。

(3)連續(xù)-CFD 方法 是采用 Roberts 理論計(jì)算料流，再在其基礎(chǔ)上進(jìn)行單相 CFD 仿真。單相 CFD仿真和連續(xù)-CFD 方法都無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)粉塵控制性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，只能作為定性分析。

(4)間接 DEM-CFD 耦合法 Katterfeld 等人[16]提出間接 DEM-CFD 耦合法，通過(guò) 1 次 DEM 分析后導(dǎo)出散狀材料的幾何輪廓和孔隙率分布，2 次 CFD 分析分別對(duì)多孔介質(zhì)進(jìn)行 CFD 求解，沿散狀物料流輸出空氣質(zhì)量流量，再對(duì)周邊區(qū)域進(jìn)行 CFD 求解，最后得出結(jié)果。間接耦合的 DEM-CFD 可以部分預(yù)測(cè)溜槽性能，并具有減少計(jì)算時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵摲椒ǖ膽?yīng)用僅限于簡(jiǎn)單的幾何形狀，其準(zhǔn)確性在很大程度上取決于對(duì)邊界條件的假設(shè)。

3.2 直接仿真方法

直接方法是在仿真過(guò)程中含有粉塵，可以得到粉塵的分布與粉塵的溢出量。

(1)多相 CFD(TEM)方法 Donohue[16]采用 3相 CFD 模型研究粉塵抑制問(wèn)題，氣體相、固體相用1.0 mm 的顆粒表示糧食，用 0.1 mm 的顆粒來(lái)表示粉塵，通過(guò)仿真可以看到，粉塵在糧食顆粒的下面，驗(yàn)證了所改進(jìn)的曲線(xiàn)溜槽具有抑塵效果。

Chen(陳曉玲)[3]對(duì) 6 種轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并通過(guò) 2 相流 CFD 仿真，采用歐拉-歐拉方法，驗(yàn)證了 CFD 兩相流算法的有效性。其固相顆粒尺寸為1.0 mm，認(rèn)為導(dǎo)料槽上設(shè)引風(fēng)管對(duì)粉塵控制效果不明顯，增加導(dǎo)料槽處沉降室的高度對(duì)抑塵意義不大。沉降室的高度模型試驗(yàn)是在 90 mm 高度(按比例 5 對(duì)應(yīng)實(shí)際的沉降室高度 450 mm)和增加 1 倍(實(shí)際沉降室高度 900 mm)的情況下進(jìn)行的，如圖3 所示。這說(shuō)明馬丁公司沉降室的高度設(shè)計(jì)過(guò)高(馬丁公司的無(wú)動(dòng)力除塵的沉降室高度約為 900 mm)；延長(zhǎng)沉降室長(zhǎng)度可以有效抑塵，但當(dāng)?shù)竭_(dá)一定長(zhǎng)度后再延長(zhǎng)效果不明顯。

圖3 沉降室高度變化的仿真模型[17]Fig.3 Simulation model of height variation of dust settling chamber

(2)直接 DEM-CFD 耦合法 Goniva 等人[5]對(duì)Chen 的同一試驗(yàn)結(jié)果采用開(kāi)源 CFD 軟件和 LIGGGHTS的 DEM 軟件直接耦合，對(duì) Chen 的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，給出計(jì)算結(jié)果。該方法由于采用高效的 CFD-DEM 耦合，在20 個(gè)2.1 GHz 的CPU 上進(jìn)行計(jì)算，模擬時(shí)間為1 s，計(jì)算時(shí)間約為3.5 h，顆粒數(shù)約為150 000 個(gè)。

3.3 不同仿真方法比較

不同仿真方法的比較如表2 所列[17]。直接耦合的 CFD-DEM 法相比其他方法更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵摲椒梢苑治鲱w粒物料在轉(zhuǎn)載溜槽的流動(dòng)性以及對(duì)周?chē)諝獾挠绊?，但是，更?fù)雜的數(shù)值模型和更長(zhǎng)的編程時(shí)間限制了該方法的應(yīng)用，其準(zhǔn)確性介于計(jì)算時(shí)間和使用難度之間。兩相流體模型 CFD(TFM)方法是最實(shí)用的方法，可幫助設(shè)計(jì)溜槽。采用沒(méi)有粉塵的DEM 和 CFD 耦合的方法，可以對(duì)物料通過(guò)轉(zhuǎn)載溜槽時(shí)的誘導(dǎo)空氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表2 不同仿真方法比較Tab.2 Comparison of various simulation methods

4 無(wú)動(dòng)力抑塵的幾種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

4.1 引風(fēng)管設(shè)計(jì)

在一些無(wú)動(dòng)力抑塵轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)中設(shè)置引風(fēng)管路，其目的是將空氣導(dǎo)流到落料管中，以減少導(dǎo)料槽出口處的空氣流量。而實(shí)際上設(shè)置引風(fēng)管后的效果可以在不考慮粉塵的條件下進(jìn)行仿真，這里采用不包含粉塵的 DEM 和單相 CFD 耦合方法進(jìn)行仿真。所建立的轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)模型如圖4 所示，仿真 20 s 后的氣流速度場(chǎng)分布如圖5 所示。分別對(duì)直徑為 300、400、500、600 mm 的引風(fēng)管進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)引風(fēng)管的空氣流量?jī)H占從導(dǎo)料槽出口流出空氣的 5% 以下，這說(shuō)明引風(fēng)管結(jié)構(gòu)基本上不起作用，這與文獻(xiàn)[3]所得結(jié)果一致。在文獻(xiàn)[3]中，引風(fēng)管連接到落料管的位置比圖4 的位置還要高，這也說(shuō)明引風(fēng)管位置幾乎不起作用。

圖4 引風(fēng)管抑塵轉(zhuǎn)載系統(tǒng)模型Fig.4 Model of dust suppression transfer system with inducing pipe

圖5 20 s 時(shí)氣流速度場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of air flow velocity at 20th s

4.2 導(dǎo)料槽中的粉塵沉降

通常顆粒沉降速度[18]

式中：ρL為空氣密度，kg/m3；η為空氣動(dòng)力黏性系數(shù)，常溫下一般為 1.8×10-5Pa/s。

可見(jiàn)沉降室高度過(guò)高可能造成粉塵顆粒需要更長(zhǎng)的沉降時(shí)間，從而要求更長(zhǎng)的沉降室。導(dǎo)料槽中的粉塵沉降規(guī)律研究對(duì)于導(dǎo)料槽的長(zhǎng)度以及截面設(shè)計(jì)很有意義。在假設(shè)導(dǎo)料槽入口處的空氣流速前提下，可以采用 CFD 的多相流(DPM)模型進(jìn)行仿真，仿真中的顆粒分布如表3 所列。

表3 仿真顆粒的分散度Tab.3 Dispersion degree of simulated particles

對(duì)粒徑為 10～90 μm 的粉塵顆粒的沉降情況進(jìn)行對(duì)比仿真。在 FLUENT 的輸入?yún)?shù)中將粉塵顆粒的初始速度設(shè)為 0，入口速度設(shè)為 2 m/s，在 DPM 模型中粉塵粒徑的設(shè)定選擇 uniform 模型。仿真結(jié)束后觀(guān)察粉塵顆粒在風(fēng)流帶動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)及沉降情況。

圖6 中從上往下依次是粒徑為 10、20、30、40、50、60、70、80、90 μm 的粉塵顆粒在氣流帶動(dòng)下的沉降情況。從圖6 可以看出，當(dāng)粉塵顆粒在10 μm 以下時(shí)，在氣流作用下不易沉降，會(huì)漂浮在導(dǎo)料槽中；當(dāng)粉塵顆粒在20 μm 以上時(shí)，逐漸沉降在導(dǎo)料槽中，粉塵粒子的漂移距離隨粒子直徑增大而減小；當(dāng)粒徑大于 90 μm 時(shí)，粉塵粒子基本都會(huì)在達(dá)到導(dǎo)料槽出口前降到受料輸送帶上。因此，導(dǎo)料槽防塵和降塵的重點(diǎn)應(yīng)該放在小顆粒粉塵上。盡管以上仿真可能存在參數(shù)選取問(wèn)題，但從定性上可以得出結(jié)論：當(dāng)導(dǎo)料槽設(shè)計(jì)得足夠長(zhǎng)，僅有20 μm 以下的粉塵顆粒會(huì)隨空氣流出，對(duì)于這樣的粉塵需要采用干霧抑塵方法進(jìn)行降塵。

圖6 10～90 μm 粉塵顆粒沉降情況Fig.6 Settlement status of dust particles of 10～90 μm

4.3 空氣刮刀抑塵的 CFD 仿真

空氣刮刀抑塵(Airscrape)是由德國(guó)工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)發(fā)明的，其基本原理是在導(dǎo)料槽外側(cè)設(shè)置傾斜布置(與輸送帶運(yùn)行方向存在銳角)的空氣刮刀，且導(dǎo)料槽裙板和空氣刮刀均不與輸送帶接觸，如圖7所示。在輸送帶運(yùn)行過(guò)程中引起的氣流，通過(guò)傾斜空氣刮刀將導(dǎo)料槽外的空氣和粉塵吸進(jìn)導(dǎo)料槽內(nèi)，圖7給出了空氣流動(dòng)方向。可以使用單相流 CFD 仿真，通過(guò)空氣壓力分布得到氣流流向的定性分析結(jié)果，其仿真結(jié)果如圖8 所示。整個(gè)導(dǎo)料槽模型內(nèi)部的壓力均小于 0，內(nèi)部完全是負(fù)壓。導(dǎo)料槽負(fù)壓狀態(tài)能夠保證導(dǎo)料槽內(nèi)的粉塵在內(nèi)外壓力差的作用下不會(huì)向外噴發(fā)。同時(shí)，刮刀和輸送帶的0.5 mm 間距處的壓力比模型內(nèi)部壓力值更小，因此在更大的壓力差作用下，模型外部的空氣更容易通過(guò)0.5 mm 的間距涌入到模型中，因而能夠使轉(zhuǎn)載過(guò)程中的粉塵在空氣吸力的作用下保留在輸送帶上隨物料轉(zhuǎn)載出去。

圖7 空氣刮刀布置簡(jiǎn)圖Fig.7 Layout sketch of air scraper

圖8 空氣刮刀的空氣壓力分布Fig.8 Distribution of air pressure of air scraper

4.4 生成粉塵量估算方法

文獻(xiàn)[17]給出了散狀物料的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)載和運(yùn)輸過(guò)程中的粉塵排放量估算方法，粉塵排放量

式中：vab為物料卸料到?jīng)_擊點(diǎn)的速度，m/s；qnorm為標(biāo)準(zhǔn)排放因子；a為物料粉塵化的加權(quán)因子，由表4確定。

表4 物料粉塵化的加權(quán)因子Tab.4 Weighting factor of material dusting

該排放量是物料通過(guò)轉(zhuǎn)載溜槽系統(tǒng)的最大排放量，而且在輸送系統(tǒng)中大部分的粉塵可能在物料下部隨其一起運(yùn)動(dòng)，不能用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)。Katterfeld[4]給出算例：沖擊點(diǎn)的物料速度為 6.3 m/s，輸送量為 774 t/h，低粉塵生成的加權(quán)因子為a=，標(biāo)準(zhǔn)排放因子qnorm=97.7 g·m3/t2，轉(zhuǎn)載過(guò)程生成粉塵qdust=48 g/t，每小時(shí)粉塵量qdust=37 kg/h。

5 轉(zhuǎn)載溜槽的抑塵設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，可以得出轉(zhuǎn)載溜槽抑塵設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

(1)通過(guò)在入口處設(shè)置密封擋簾來(lái)盡量縮小轉(zhuǎn)載溜槽的物料進(jìn)口，同時(shí)需要考慮入口其他部位(回程段)的密封；

(2)通過(guò)設(shè)置 U 形、圓形截面的導(dǎo)流板和曲線(xiàn)溜槽來(lái)控制料流的導(dǎo)向，使料流集中，并減少物料與空氣的接觸面；

(3)粉塵擴(kuò)散的關(guān)鍵是物料流經(jīng)落料管下落后沖擊造成的，為避免沖擊，物料應(yīng)落到下部曲線(xiàn)溜槽后，在其導(dǎo)向作用下使物料的速度接近受料帶式輸送機(jī)的速度；

(4)適當(dāng)加大導(dǎo)料槽的長(zhǎng)度和高度構(gòu)成沉降室，以減緩空氣的流動(dòng)速度，即將空氣總壓力中的靜壓增加、動(dòng)壓減小，以利于降低粉塵的流動(dòng)速度，導(dǎo)料槽密封空間高度一般為：物料外輪廓最大高度的約 1.5倍，將裙板系統(tǒng)延伸到物料與輸送帶接觸區(qū)前部至少10 m 處；

(5)在沉降室內(nèi)加設(shè)多道擋簾以起到阻尼的作用，進(jìn)一步減小空氣的動(dòng)壓；

(6)在受料點(diǎn)附近設(shè)置緩沖床并使導(dǎo)料槽密封，避免粉塵的逃逸；

(7)導(dǎo)料槽的后部也需適當(dāng)加長(zhǎng)并在后部密封。

圖9 所示為導(dǎo)料槽的沉降室和擋簾的布置。

圖9 導(dǎo)料槽的沉降室和擋簾布置Fig.9 Settling chamber and curtain layout of guide chute

6 結(jié)論

對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽抑塵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題誘導(dǎo)空氣量的幾種計(jì)算模型進(jìn)行了分析對(duì)比，分析了轉(zhuǎn)載溜槽抑塵設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)仿真方法，對(duì)引風(fēng)管設(shè)計(jì)采用 DEM-CFD方法進(jìn)行了仿真，對(duì)導(dǎo)料槽沉降室中的粉塵沉降采用CFD 兩相流仿真，對(duì)空氣刮刀設(shè)計(jì)采用 CFD 仿真，給出了轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)原則，所得結(jié)論如下：

(1)基于模型假設(shè)的轉(zhuǎn)載溜槽的誘導(dǎo)空氣估計(jì)方法所得結(jié)果偏大，且 CEMA 空氣量的計(jì)算中所包含的置換空氣在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下是不存在的；

(2)通過(guò) DEM-CFD 耦合仿真，證明采用引風(fēng)管設(shè)計(jì)對(duì)減小導(dǎo)料槽的空氣流量意義不大，導(dǎo)料槽沉降室應(yīng)具有足夠長(zhǎng)度，但過(guò)高的沉降室高度是不必要的，驗(yàn)證了采用空氣刮刀設(shè)計(jì)可以將空氣流導(dǎo)入料槽；

(3)所總結(jié)的轉(zhuǎn)載溜槽的抑塵設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以有效降低轉(zhuǎn)載溜槽的粉塵逃逸，有經(jīng)驗(yàn)表明可以降低轉(zhuǎn)載溜槽 98% 的粉塵。