基于氣固兩相流仿真的散料輸送過程粉塵控制研究

王新偉，黃榮

（1.陜西榆林能源集團(tuán)楊伙盤煤電有限公司，陜西 榆林 719316；2.廈門三燁清潔科技股份有限公司，福建 廈門 361022）

隨著離散元理論的不斷進(jìn)步和發(fā)展，離散元方法和基于有限體積法的流體力學(xué)相結(jié)合的相關(guān)理論計算方法被廣泛應(yīng)用在顆粒學(xué)領(lǐng)域。本文基于氣固兩相流耦合仿真為導(dǎo)料槽內(nèi)部空間風(fēng)速的分布情況提供了有效的觀測方法。通過對楊伙盤電廠T5轉(zhuǎn)運(yùn)站的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝與現(xiàn)場實(shí)際測量，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，對散料輸送領(lǐng)域設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計起到很好的輔助作用。

1 轉(zhuǎn)載站氣固兩相流仿真原理概述

1.1 離散元仿真原理概述

離散元法是用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，其最初通過將分子動力學(xué)方法引入散狀顆粒群的計算過程。經(jīng)過40年的發(fā)展，同時隨著計算機(jī)性能的快速提高，離散元仿真能力已經(jīng)從二維模型、顆粒數(shù)目為1000個左右，發(fā)展到可以處理至少數(shù)千萬三維顆粒?；谵D(zhuǎn)載站現(xiàn)場散料輸送過程，由于顆粒受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服極限，因此，顆粒之間的接觸屬于純彈性接觸。顆粒接觸過程中法向力和切向力都具有包括彈性力和阻尼力。接觸模型示意圖如圖1所示。

在離散元仿真中，法向阻尼力Fdn被定義為。

式中，m*為等效質(zhì)量，β為彈性系數(shù)，Sn為法向剛度，是兩個相鄰顆粒相對速度的法向分量。

法向彈性力nF如下式所示。

式中，δn是法向重疊量，E*為等效彈性模量，R*為等效半徑。切向阻尼力d

tF和切向彈性力tF如下。

St為切向剛度為兩個相鄰顆粒相對速度的切向分量，δt為切向重疊量。

同時，要考慮到顆粒的轉(zhuǎn)動過程，其轉(zhuǎn)動過程中兩個顆粒之間的接觸面扭轉(zhuǎn)力 Ti為： Ti=-μrFnRiωi。

μr為滾動摩擦系數(shù)，Ri為顆粒接觸點(diǎn)到顆粒重心的距離，iω為顆粒在接觸點(diǎn)的單位角速度矢量。

1.2 流體仿真原理概述

在流體仿真中，其數(shù)值模擬方法是基于有限體積法，通過網(wǎng)格劃分計算，以單一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)借助納維斯托克方程進(jìn)行微分形式下的求解。對于轉(zhuǎn)運(yùn)站流體仿真過程，其屬于不可壓縮流體，所應(yīng)用的密度為常數(shù)的不可壓縮納維斯托克方程組為：

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其中V為速度，式（5）表示速度散度0，代表質(zhì)量守恒，式（6）表示動量守恒方程，p為壓力屬于約束變量，從純動力學(xué)出發(fā)進(jìn)行計算，動力學(xué)與熱力學(xué)壓力并不等同，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)流體仿真。

2 轉(zhuǎn)運(yùn)站粉塵各部分抑塵原理分析

在散料輸送過程的轉(zhuǎn)載站設(shè)計中，導(dǎo)料槽是粉塵從工程設(shè)備內(nèi)部向外部逸出的主要部位，因此，為了抑制粉塵逸散，需要對各部分轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定對內(nèi)部風(fēng)速進(jìn)行有效控制以抑制粉塵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，并為轉(zhuǎn)運(yùn)站特別是導(dǎo)料槽部分除塵設(shè)備改進(jìn)提供設(shè)計依據(jù)。本文的設(shè)計是基于某地電廠T3轉(zhuǎn)運(yùn)站為例進(jìn)行轉(zhuǎn)載散料運(yùn)動過程研究。

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)站總體方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)模型對仿真模型的建模提供參考，對楊伙盤電廠T5轉(zhuǎn)運(yùn)站進(jìn)行設(shè)計，分為三部分，分別為頭部漏斗、落煤管、導(dǎo)料槽。落煤管和頭部漏斗兩部分粉塵的控制主要注重減小粉塵量的產(chǎn)生于減小內(nèi)部空間的風(fēng)速，對于導(dǎo)料槽部分的粉塵控制最重要的是通過阻隔粉塵大量逸出以及減小內(nèi)部風(fēng)速。轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)部風(fēng)速的受到皮帶誘導(dǎo)風(fēng)流、顆粒高速下落帶動的擾動氣流，與工程設(shè)備碰撞過程中產(chǎn)生的氣流等因素的影響，轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 頭部漏斗現(xiàn)有抑塵結(jié)構(gòu)分析

頭部漏斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，其具體設(shè)計內(nèi)容包括頭部集流護(hù)罩、外部結(jié)構(gòu)設(shè)計、回程清掃裝置、內(nèi)部擋簾，其中內(nèi)部擋簾阻隔粉塵大量逸出。

圖3 防堵頭部漏斗三維圖

對于頭部漏斗設(shè)計，為了抑制粉塵的大量逸散，目前的頭部漏斗沖刷面與物料拋物曲線貼合設(shè)計，避免了物料流與耐磨襯板的沖擊，改為沖刷形式。頭部護(hù)罩置于滾筒中心，緊貼料流以避免顆粒飛濺產(chǎn)生粉塵。現(xiàn)場應(yīng)用的頭部漏斗如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場頭部漏斗圖片

2.3 落煤管現(xiàn)有抑塵結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5 落煤管現(xiàn)場圖片

2.4 導(dǎo)料槽現(xiàn)有抑塵結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)有的導(dǎo)料槽設(shè)計中如圖6所示，導(dǎo)料槽包括側(cè)面密封(圖6a和圖6b)及添加各項(xiàng)除塵降塵設(shè)備(圖6c)。導(dǎo)料槽作為粉塵的溢出部位，一方面，通過降低帶動粉塵的氣流速度促使粉塵顆?？焖俪两?，該方法通過圖中的循環(huán)裝置以及擴(kuò)容室實(shí)現(xiàn)；另一方面，通過設(shè)計阻隔粉塵的裝置降低粉塵在外部逸散的濃度，該方法通過泄壓器、阻尼簾和內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的側(cè)邊密封裝置實(shí)現(xiàn)。

圖6 現(xiàn)有導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 改進(jìn)結(jié)果

為了減小散料輸送過程中的粉塵逸出情況，對于現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)。思路有以下三個方面：第一，對散料輸送過程中內(nèi)部截面積進(jìn)行擴(kuò)容；第二，對落煤管和頭部漏斗部分設(shè)計改進(jìn)，確保各部分設(shè)計結(jié)構(gòu)中顆粒運(yùn)動所引起的風(fēng)速降低，湍流能量減??；第三，對導(dǎo)料槽處粉塵泄漏點(diǎn)進(jìn)行封堵。

下面將對目前現(xiàn)有的抑塵結(jié)構(gòu)并進(jìn)行及簡要的分析。在對現(xiàn)有的散料輸送過程中的粉塵控制工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的過程后，對現(xiàn)有的方案進(jìn)行改進(jìn)，從理論分析出發(fā)，使得轉(zhuǎn)運(yùn)站各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計下的粉塵控制效果更好，溢出到外部空間的微小顆粒濃度更少。

3.1 改進(jìn)方案分析

基于目前通用的轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)設(shè)計，對目前散料輸送過程中風(fēng)速分布情況進(jìn)行探究，采用離散元仿真和流體仿真耦合的方法對皮帶轉(zhuǎn)載過程的風(fēng)速分布情況進(jìn)行研究。在耦合仿真中，軟件將離散元仿真中的顆粒信息輸入流體仿真軟件中，在下一步迭代中流體仿真軟件中的仿真信息輸入到對應(yīng)的離散元仿真中，最終獲得的穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)運(yùn)站的氣固二相流仿真工況如圖7所示。

如圖7（a）和圖7（b）所示，速度云圖和湍流能量中落煤管尾部到導(dǎo)料槽部分的風(fēng)流速度最大；在頭部漏斗部分，速度有一個速度較大的云圖分布，湍流能量呈現(xiàn)；在導(dǎo)料槽中其湍流能量和速度在導(dǎo)料槽中逐漸減小。在圖7中的仿真基礎(chǔ)上，擴(kuò)大截面積以及改變出口處的顆粒速度確定其對導(dǎo)料槽內(nèi)部空間中速度的影響。在導(dǎo)料槽相同位置處不同截面積下的氣流速度云圖如圖8（a）和圖8（b）所示，在落煤管出口處不同顆粒速度帶動的氣流速度云圖如圖8（c）和圖8（d）所示。根據(jù)圖8所示，截面積越大，顆粒在出口處的速度越小，導(dǎo)料槽各部位的氣流風(fēng)速越小。

圖7 氣固二相流仿真結(jié)果

圖8 不同截面積與顆粒下落速度對氣流速度的影響

在目前對粉塵控制的工程設(shè)備的研究中，將對原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，分別通過阻隔粉塵逸散和擴(kuò)大內(nèi)部容積以降低粉塵流速等方法對粉塵進(jìn)行控制。

3.2 頭部漏斗改進(jìn)設(shè)計

在頭部漏斗部分，應(yīng)確保顆粒的拋料軌跡貼合集流護(hù)罩的曲線，根據(jù)物料運(yùn)動軌跡在橫水平方向和豎直方向的方程分別如式（7）、式（8）所示：

其中v為帶速，β為皮帶運(yùn)行方向與水平方向之間的夾角，g為重力，t為下落時間，R為滾筒半徑。需要說明的是皮帶速度的限制條件為

根據(jù)計算獲得的軌跡曲線，對頭部集流護(hù)照的區(qū)間進(jìn)行造型設(shè)計，顆粒卸料軌跡路線如圖9所示。該部分的優(yōu)化使得顆粒運(yùn)動引起的風(fēng)速降低，湍流能量減小。

圖9 設(shè)計獲得的軌跡曲線

3.3 頭部漏斗改進(jìn)設(shè)計（圖10）

圖10 頭部漏斗改進(jìn)設(shè)計

在上述對落煤管的設(shè)計中，落煤管整體為流線型。本文在此基礎(chǔ)上將最后一截落煤管設(shè)計為前傾、收口，有效地保證物料平穩(wěn)著帶，避免物料落料不正，降低落料點(diǎn)處氣壓，減小誘導(dǎo)風(fēng)流在導(dǎo)料槽內(nèi)部的風(fēng)速大小。

3.4 導(dǎo)料槽改進(jìn)設(shè)計

導(dǎo)料槽設(shè)計高度較同型號普通導(dǎo)料槽的高度上增加高度，以增大導(dǎo)料槽容積，緩解導(dǎo)料槽正壓，降低導(dǎo)料槽內(nèi)部的誘導(dǎo)風(fēng)速，從而達(dá)到降低粉塵外溢的現(xiàn)象。相對傳統(tǒng)導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)，各個帶寬導(dǎo)料槽高度增大200mm。

4 結(jié)語

基于氣固兩相流仿真的研究，在對現(xiàn)有散料輸送過程中，轉(zhuǎn)運(yùn)站各部分抑制粉塵的基礎(chǔ)上，通過對粉塵抑制方法的總結(jié)并通過計算機(jī)計算驗(yàn)證，對現(xiàn)有的方案進(jìn)行改進(jìn)。從理論分析出發(fā)，發(fā)現(xiàn)通過控制顆粒流速與控制導(dǎo)料槽截面積可以有效減小導(dǎo)料槽部位粉塵泄漏的濃度大小，分別增加導(dǎo)料槽整體的截面積，通過優(yōu)化落煤管最后一節(jié)的結(jié)構(gòu)，從理論計算出發(fā)，使得料流貼合與工程設(shè)備接觸面等方法減低氣流速度，使得空間中的氣流湍流能量減小以確保實(shí)際生產(chǎn)過程中的外部空間粉塵濃度降低。