基于氣-固兩相流的環(huán)保無(wú)動(dòng)力除塵系統(tǒng)捕塵機(jī)理的數(shù)值模擬研究

包 俊,呂 辰,劉雨萱,高 衡,譚家美

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

在日常生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種各樣的粉塵,當(dāng)有害粉塵空氣動(dòng)力學(xué)直徑在7.07 μm以下時(shí),其細(xì)小污染顆粒物可隨人的呼吸進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)[1],長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致作業(yè)人員塵肺病的發(fā)生。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)2019年塵肺病已超過(guò)97.5萬(wàn)例,其中職業(yè)性塵肺病87.3萬(wàn)例,占全國(guó)職業(yè)病發(fā)病總?cè)藬?shù)的90%左右,因此,由粉塵濃度超標(biāo)引發(fā)的塵肺病已經(jīng)成為我國(guó)最嚴(yán)重的職業(yè)危害。而在礦山、電力和物料碼頭等生產(chǎn)企業(yè)中,由于帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力大,物料傳輸效率高,設(shè)備安裝使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn),帶式輸送機(jī)已被廣泛使用。但是,在皮帶機(jī)物料輸送過(guò)程中,不可避免地存在物料轉(zhuǎn)載,且在每一處轉(zhuǎn)載點(diǎn)物料下落過(guò)程中,物料的沖擊下落又會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。目前,采取的降塵措施主要是噴淋灑水和布袋式除塵器,由于這些措施對(duì)使用條件要求非?？量?而且還會(huì)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)造成水污染和噪聲污染,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降塵效果都不理想。據(jù)有關(guān)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度檢測(cè)資料表明,皮帶運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)普遍存在粉塵濃度嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象,這給企業(yè)安全生產(chǎn)和員工身心健康帶來(lái)了很大的危害,也是生產(chǎn)企業(yè)目前急待解決的技術(shù)難題。

從20世紀(jì)60年代起,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就開始著手于治理粉塵的技術(shù)研究,這其中基礎(chǔ)理論研究包括:Hemeon[2]最早對(duì)物料自由下落產(chǎn)生的沖擊氣流進(jìn)行研究,他將料流所產(chǎn)生的沖擊氣流視為單個(gè)顆粒產(chǎn)生的沖擊氣流之和;故Huque等[3]利用慣性流技術(shù)(inertial flow technology,IFT)控制轉(zhuǎn)載點(diǎn)處物料下落軌跡,降低了沖擊風(fēng)速,從而減少粉塵逸散;通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),Esmaili等[4]對(duì)料流下落過(guò)程中顆粒與氣流組織的相互作用進(jìn)行了研究;同時(shí)Cooper等[5]對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載點(diǎn)處物料下落過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,建立了卷吸空氣量的數(shù)學(xué)模型;張江石[6]等通過(guò)離散元DEM模型對(duì)料流自由下落過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,從而對(duì)粉塵的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究,結(jié)果表明誘導(dǎo)風(fēng)流、沖擊氣流等形成的正高壓環(huán)境對(duì)粉塵外溢影響較大;而張興華等[7]對(duì)轉(zhuǎn)載點(diǎn)誘導(dǎo)風(fēng)流的影響因素進(jìn)行了研究,并建立了轉(zhuǎn)載系統(tǒng)誘導(dǎo)風(fēng)量計(jì)算模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。除以上基礎(chǔ)理論研究外,還包括應(yīng)用技術(shù)研究:Li等[8]將旋轉(zhuǎn)霧化與噴霧幕結(jié)合,使粉塵顆粒物被捕捉的空間范圍加大,增強(qiáng)了濕式除塵的效果,在最佳工況參數(shù)條件下,對(duì)總粉塵和可吸入粉塵的抑制效率分別在99.8%以上和97%以上;而秦文秀等[9]利用布袋除塵器的負(fù)壓作用有效緩解了由于物料下落導(dǎo)致的正壓影響,測(cè)試結(jié)果表明全塵與呼吸性粉塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最低降塵率分別達(dá)到了91.41%和92.25%;在通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)電除塵器的除塵性能進(jìn)行研究的過(guò)程中,Gao等[10]發(fā)現(xiàn),對(duì)于粒徑較大的顆粒,除塵效率與顆粒直徑成正比,而對(duì)于小粒徑顆粒,除塵效率隨粒徑的減小而顯著增加;Noh等[11]將幾個(gè)小旋風(fēng)分離器連接到一個(gè)切向旋風(fēng)分離器上,開發(fā)了一種新型旋風(fēng)分離器,數(shù)值分析和測(cè)試結(jié)果表明其可以在保持低壓降的同時(shí)提高收集效率。

綜上可知,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)物料自由下落引起的沖擊、誘導(dǎo)氣流均進(jìn)行了研究,且建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)粉塵顆粒逸散過(guò)程氣固兩相分別進(jìn)行了分析。然而,在料流下落的實(shí)際過(guò)程中,氣固兩相間的耦合作用是雙向的,且粉塵顆粒間的碰撞、黏附作用也不容忽視。本研究主要針對(duì)皮帶運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵難以控制的技術(shù)難題,依據(jù)流體力學(xué)、固體力學(xué)和氣-固耦合的相關(guān)理論與方法,提出了一種新型回流管式無(wú)動(dòng)力除塵裝置設(shè)計(jì)。通過(guò)運(yùn)用此先進(jìn)設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)制造的降塵裝置,可有效防治皮帶運(yùn)輸轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵外溢難題,充分保障作業(yè)人員的職業(yè)健康安全。

1 產(chǎn)塵機(jī)理

運(yùn)煤轉(zhuǎn)載點(diǎn)處整個(gè)落料過(guò)程都伴隨著煤流塵化現(xiàn)象的產(chǎn)生,粉塵逸散是由多種氣流的綜合作用引起的[12]。煤流在脫離上層皮帶后,物料以散開狀態(tài)做自由落體加速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生負(fù)壓擾動(dòng)周圍空氣形成高速誘導(dǎo)氣流。由于誘導(dǎo)氣流與煤流存在速度梯度,故煤塊表面吸附的細(xì)微粉塵在風(fēng)流剪切作用下將發(fā)生煤流塵化現(xiàn)象,形成高速含塵氣流;隨著誘導(dǎo)氣流向落料管下部流動(dòng)過(guò)程中,將逐步擠壓底部周圍空氣從而產(chǎn)生正高壓環(huán)境。由于現(xiàn)有導(dǎo)料槽密閉性較差,導(dǎo)致大量含塵氣流由導(dǎo)料槽縫隙向外部環(huán)境噴泄;當(dāng)高速料流沖擊底部皮帶時(shí),物料間隙所夾帶的空氣被擠壓出去,形成高速剪切氣流,并攜帶粉塵向四周逸散;同時(shí),煤流碰撞皮帶還會(huì)引起高速?zèng)_擊氣流,過(guò)快流速的空氣在導(dǎo)料槽中形成高正壓旋流,高壓沖擊氣流及旋流會(huì)攜帶粉塵由導(dǎo)料槽縫隙逃逸至作業(yè)環(huán)境中。此外,皮帶機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)周圍空氣形成牽引氣流,也會(huì)造成煤流塵化現(xiàn)象。

因此,運(yùn)煤轉(zhuǎn)載點(diǎn)粉塵污染原因主要在于除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。為有效解決粉塵污染問(wèn)題,需對(duì)除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究,通過(guò)最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)含塵氣流進(jìn)行有效減壓降速降塵,從而改善常規(guī)粉塵控制措施效果差的現(xiàn)狀,本研究特提出了一種無(wú)動(dòng)力除塵裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 無(wú)動(dòng)力除塵系統(tǒng)除塵原理

為避免傳統(tǒng)降塵措施存在的使用條件苛刻、運(yùn)行成本高、對(duì)作業(yè)環(huán)境破壞大、降塵效果差等問(wèn)題,回風(fēng)管式無(wú)動(dòng)力除塵裝置采用了新穎的設(shè)計(jì)理念和合理的功能模塊組合,在保證有效除塵的同時(shí),使裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,避免了傳統(tǒng)降塵措施存在的不足。如圖1,回風(fēng)管式無(wú)動(dòng)力除塵裝置主要由弧形下料管、密閉導(dǎo)料槽、回流管、S型阻尼濾塵器、泄壓擾流腔、尾部緩壓室、槽角調(diào)節(jié)器等功能模塊組成?；⌒蜗铝瞎軐?duì)煤流運(yùn)動(dòng)起引導(dǎo)及緩沖作用;密閉導(dǎo)料槽將含塵氣流進(jìn)行嚴(yán)格密閉控制,防止密閉導(dǎo)料槽向外冒塵;回流管利用沖擊氣流在回流管兩端形成的有效壓差,實(shí)現(xiàn)含塵氣流自循環(huán),達(dá)到降速降壓降塵的目的;S型阻尼濾塵器、泄壓擾流腔及尾部緩壓室通過(guò)改變含塵氣流走向、泄壓作用及粉塵與擋塵簾的碰撞,對(duì)高速氣流進(jìn)行減壓降速,加速粉塵沉降;槽角調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了密閉導(dǎo)料槽與傳送帶在尾部無(wú)縫對(duì)接,有效防止導(dǎo)料槽尾部跑塵。

圖1 無(wú)動(dòng)力除塵裝置平面圖

該裝置設(shè)計(jì)屬于工業(yè)通風(fēng)與除塵工程領(lǐng)域,通過(guò)靈活運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理,以及通風(fēng)管網(wǎng)壓力平衡和阻力平衡理論,對(duì)含塵氣流合理組織調(diào)節(jié),將密閉導(dǎo)料槽內(nèi)含塵氣流巧妙地引至密閉導(dǎo)料槽入口段,有效形成了密閉導(dǎo)料槽內(nèi)壓力、風(fēng)速調(diào)節(jié)系統(tǒng),充分實(shí)現(xiàn)了減壓、降速、降塵的目的,達(dá)到了顯著降塵效果,充分保障了作業(yè)人員的職業(yè)健康安全。

3 氣-固兩相流理論計(jì)算方程

本文啟用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,采用歐拉-拉格朗日方法進(jìn)行模擬,轉(zhuǎn)載點(diǎn)落料過(guò)程中流場(chǎng)產(chǎn)生的動(dòng)力主要來(lái)源于煤塊運(yùn)動(dòng),故仿真時(shí)必須充分考慮氣固兩相間的耦合作用。除此之外,落料過(guò)程中,煤塊顆粒之間的碰撞作用也會(huì)對(duì)煤礦的運(yùn)動(dòng)以及流場(chǎng)分布產(chǎn)生一定的影響,所以在模擬中啟用DEM collision模型。除塵器內(nèi)的空氣流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)是一個(gè)瞬態(tài)的變化過(guò)程,故本模型采取非穩(wěn)態(tài)求解方式[13]。

3.1 氣體運(yùn)動(dòng)方程

本文采用歐拉法來(lái)表示除塵裝置內(nèi)空氣流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),由于流動(dòng)過(guò)程不涉及傳熱問(wèn)題,故基本物理定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量定律。含塵氣流密度變化可忽略不計(jì),故可簡(jiǎn)化為不可壓縮黏性流體運(yùn)動(dòng),其通過(guò)數(shù)學(xué)描述的控制方程如下[14]：

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

式(1)(2)中:ρ為流體的密度,kg·m-3;xi、xj為x、y、z三個(gè)方向上的坐標(biāo),m;ui、uj為x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向上的速度分量,m·s-1;p為流體壓強(qiáng),Pa;τij為應(yīng)力張量;fi為流體在x、y、z三個(gè)坐標(biāo)方向上所受阻力,N;g為重力加速度,m·s-2。

3.2 粉塵運(yùn)動(dòng)方程

粉塵在空氣流場(chǎng)中的運(yùn)移擴(kuò)散過(guò)程中受多個(gè)力共同作用,單個(gè)粉塵的運(yùn)動(dòng)方程可表示為

(3)

式(3)中:∑F為單個(gè)粉塵顆粒所受合外力,N;mp為粉塵顆粒的質(zhì)量,kg;vp為粉塵顆粒的速度,m·s-1。粉塵在流場(chǎng)中所受到的作用力對(duì)粉塵運(yùn)移擴(kuò)散的影響作用大小各有差異,其中壓力梯度力、附加質(zhì)量力、Basset力作用較小,可忽略不計(jì),而重力、浮力、氣動(dòng)阻力、Saffman升力、Magnus力對(duì)除塵器流場(chǎng)中粉塵運(yùn)動(dòng)影響較大,需加以計(jì)算從而準(zhǔn)確描述顆粒行為[15]。

3.3 除塵效果的表征參數(shù)

由粉塵角度進(jìn)行分析,結(jié)合DPM模型所得數(shù)值模擬結(jié)果,除塵器除塵效率的表征參數(shù)為粉塵沉降率,理論方程如下:

(4)

式(4)中:η為粉塵沉降率,%;Nt為密閉導(dǎo)料槽內(nèi)產(chǎn)生的粉塵顆?？倲?shù);Ns為粉塵顆粒沉降數(shù)。

以回流管內(nèi)流體為研究對(duì)象,根據(jù)質(zhì)量流量守恒,可得

ρv1S1=ρv2S2。

(5)

式(5)中,v1、v2分別為通過(guò)回流管兩端截面的流體速度,S1、S2分別為回流管兩端截面的面積。

由于流體密度不變,回流管兩端截面面積S1≈S2,故v1≈v2。

根據(jù)伯努利方程

(6)

式(6)中,p1、p2為回流管兩端截面的靜壓,h1、h2為兩端截面高度,ΔEf為單位體積能量損失。

將(6)式化簡(jiǎn)為

(7)

式(7)中，由于v1≈v2,故流體動(dòng)能變化可忽略不計(jì),且回流管兩端截面高度一定,故流體重力勢(shì)能變化為定值。由以上可知,單位體積能量損失ΔEf與單位體積壓強(qiáng)差(p1-p2)呈正相關(guān),而回流管兩端能量損失ΔEf表示除塵器對(duì)高壓高速含塵氣流進(jìn)入回流管后的減壓降速效果,故(p1-p2)越大,除塵器減壓降速效果越明顯,粉塵越容易發(fā)生沉降[16]。

4 幾何模型建立與求解參數(shù)設(shè)置

4.1 物理模型與網(wǎng)格劃分

通過(guò)Solid works建立等比例物理模型,如圖2。以不同網(wǎng)格間距為基礎(chǔ)劃分網(wǎng)格,并進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于100 mm時(shí),計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差均小于5%,故為保證精度并節(jié)省計(jì)算資源,采用100 mm的網(wǎng)格間距劃分網(wǎng)格[17],如圖3。

圖2 物理模型

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

4.2 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)數(shù)值模擬中湍流基本原理,結(jié)合運(yùn)煤轉(zhuǎn)載點(diǎn)的實(shí)際情況,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[18],如表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)定

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采樣測(cè)試結(jié)果,作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)粉塵粒徑分布如表2,對(duì)數(shù)值模擬中離散相參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如表3。

表2 粉塵粒徑分布

表3 離散相參數(shù)設(shè)定

5 不同技術(shù)參數(shù)對(duì)除塵器除塵效率的影響

在本文模擬中,考慮煤塊與空氣之間的相互作用,首先對(duì)煤塊進(jìn)行離散相模擬從而得到除塵器內(nèi)部流場(chǎng)。模擬過(guò)程中,對(duì)除塵器回流管內(nèi)及出口處風(fēng)流的平均速度進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明其風(fēng)流速度均在8 s后達(dá)到穩(wěn)態(tài),故本文均選用10 s時(shí)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)下其對(duì)稱截面的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 回流管對(duì)除塵器除塵效率的影響分析

為研究回流管組件的安裝對(duì)除塵器除塵效率的影響,先對(duì)未安裝回流管時(shí)密閉導(dǎo)料槽內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)模擬分別得到該工況條件下空氣流場(chǎng)的速度、壓力云圖,如圖4。

圖4 無(wú)回流管模擬結(jié)果

圖4中,由速度云圖可知,煤流加速下落過(guò)程中,擾動(dòng)其附近流場(chǎng)在落料管中產(chǎn)生高速誘導(dǎo)氣流,在料流沖擊底部皮帶時(shí)產(chǎn)生高速?zèng)_擊氣流,并在導(dǎo)料槽底部由于壁面阻擋產(chǎn)生高速旋流,此時(shí)導(dǎo)料槽出口處風(fēng)速可達(dá)1.05 m/s。由壓力云圖可知,因落料管中誘導(dǎo)氣流及落料管底部沖擊氣流的擠壓作用,在導(dǎo)料槽底部產(chǎn)生了正高壓環(huán)境。

為有效緩解落料過(guò)程中產(chǎn)生的高壓環(huán)境及高速誘導(dǎo)氣流、沖擊氣流,防止由于導(dǎo)料槽密閉性不良引起的粉塵外溢,本文在落料管及下部導(dǎo)料槽間連接回流管,在回流管與導(dǎo)料槽間實(shí)現(xiàn)含塵氣流自循環(huán),達(dá)到氣固分離、料走塵降的目的。對(duì)安裝有回流管的密閉導(dǎo)料槽內(nèi)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分別得到該工況條件下空氣流場(chǎng)的速度、壓力云圖,如圖5。

圖5 安裝回流管后模擬結(jié)果

圖5中,由速度云圖可知,安裝回流管后,密閉導(dǎo)料槽尾部出口處風(fēng)速降至0.79 m/s,落料管底部沖擊氣流在引流板誘導(dǎo)下進(jìn)入回流管,在回流管中繞流后對(duì)落料管中誘導(dǎo)氣流起到擾動(dòng)中和作用,有效緩解了誘導(dǎo)氣流對(duì)導(dǎo)料槽底部高壓環(huán)境的促進(jìn)作用。結(jié)合壓力云圖可以看出,導(dǎo)料槽底部流場(chǎng)壓力顯著降低,可有效抑制由于底部正高壓環(huán)境引起的粉塵外溢問(wèn)題。

對(duì)粉塵顆粒進(jìn)行離散相模擬得到顆粒軌跡圖,如圖6,粉塵在誘導(dǎo)風(fēng)流牽引作用下由落料管中段運(yùn)動(dòng)至底部,隨后受沖擊氣流及皮帶牽引氣流作用,一部分粉塵碰撞引流板后動(dòng)能削弱自然沉降。一部分粉塵在引流板誘導(dǎo)下進(jìn)入回流管后相互碰撞,動(dòng)能減小,碰撞內(nèi)壁并黏附在其表面,凝聚成較大顆粒團(tuán),顆粒團(tuán)隨氣流引導(dǎo)在重力作用下自然沉降。另一部分粉塵穿過(guò)引流板運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)料槽中段,在S型阻尼器擾流作用下碰撞壁面降速沉降。在有無(wú)回流管兩種工況下的粉塵沉降、逃逸情況如表4,安裝回流管后,除塵裝置的除塵效率提升了24.3%。

圖6 顆粒軌跡圖

表4 粉塵沉降、逃逸數(shù)據(jù)

5.2 回流管直徑對(duì)除塵器除塵效果的影響分析

為研究回流管直徑對(duì)除塵器除塵效果的影響,分別設(shè)置回流管直徑為400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm五組數(shù)值模擬。通過(guò)模擬得到無(wú)動(dòng)力除塵器回流管兩端壓差、密閉導(dǎo)料槽內(nèi)最大風(fēng)速及除塵效率隨回流管直徑的變化曲線,并將不同直徑下的壓差進(jìn)行由小到大排序,得到對(duì)應(yīng)的粉塵平均沉積時(shí)間隨壓差的變化曲線,如圖7。

圖7 回流管直徑對(duì)除塵器除塵效果的影響

由圖7可知,回流管兩端壓差、密閉導(dǎo)料槽內(nèi)最大風(fēng)速、除塵器除塵效率均在直徑為500 mm時(shí)取得極值。當(dāng)直徑為500 mm時(shí),回流管兩端壓差達(dá)到最大值,密閉導(dǎo)料槽內(nèi)最大風(fēng)速達(dá)到最小值,除塵器除塵效率達(dá)到最大值。粉塵顆粒平均沉積時(shí)間隨壓差的增大逐漸減小,在壓差最大時(shí)粉塵平均沉積時(shí)間最短。

根據(jù)除塵器除塵效果的表征參數(shù)可知,回流管兩端壓差越大,流體能量損失越多。當(dāng)回流管直徑為500 mm,此時(shí)壓差最大,除塵器的減壓降速效果最佳,粉塵降速后發(fā)生碰撞更易沉降或凝聚成大顆粒團(tuán)落至皮帶表面。故當(dāng)回流管直徑為500 mm時(shí),除塵器除塵效果最佳。

5.3 回流管水平安裝位置對(duì)除塵器除塵效果的影響分析

為研究回流管水平安裝位置對(duì)除塵器除塵效果的影響,在回流管直徑為500 mm的基礎(chǔ)上,分別設(shè)置回流管引流口至落料管底部水平距離為1 400 mm、1 700 mm、2 000 mm、2 300 mm、2 600 mm五組數(shù)值模擬。通過(guò)模擬得到無(wú)動(dòng)力除塵器回流管兩端壓差、密閉導(dǎo)料槽內(nèi)最大風(fēng)速及除塵效率隨回流管水平安裝位置的變化曲線,并將不同水平距離下的壓差進(jìn)行由小到大排序,得到對(duì)應(yīng)的粉塵平均沉積時(shí)間隨壓差的變化曲線,如圖8。

圖8 回流管水平安裝位置對(duì)除塵器除塵效果的影響

由圖8可知,密閉導(dǎo)料槽內(nèi)最大風(fēng)速、除塵器除塵效率均在水平距離為2 000 mm時(shí)取得極值。此時(shí)回流管兩端壓差最大,除塵器降速效果最佳,除塵效率最高。粉塵平均沉積時(shí)間隨壓差的增大逐漸減小,在壓差最大時(shí)粉塵平均沉積時(shí)間最短。

同理,根據(jù)除塵效果的表征參數(shù)可知,當(dāng)水平距離為2 000 mm時(shí),回流管兩端壓差最大,此時(shí)流體能量損失最大,除塵器減壓降速效果最顯著。故當(dāng)回流管引流口至落料管底部水平距離為2 000 mm時(shí),除塵器除塵效果最佳。

5.4 可靠性驗(yàn)證

采用通風(fēng)多參數(shù)檢測(cè)儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)動(dòng)力除塵器出口處風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè),在落料時(shí)同時(shí)開啟,每隔0.5 s計(jì)數(shù)一次,共監(jiān)測(cè)10 s,得到落料時(shí)除塵器出口處風(fēng)流速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。在相同工況條件下進(jìn)行數(shù)值模擬,將模擬結(jié)果導(dǎo)出并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,如圖9。

圖9 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由圖9可知,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果中除塵器出口風(fēng)速大小總體均隨時(shí)間的增加而增大,最后趨于穩(wěn)定,兩者增加幅度及變化趨勢(shì)基本相同。但是仿真結(jié)果相比于實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)值偏大,原因在于實(shí)際場(chǎng)景中除塵器難以達(dá)到嚴(yán)格密閉環(huán)境,且仿真中擋塵簾默認(rèn)為剛性壁面,而實(shí)際工況中其為柔性材料,會(huì)隨著氣流沖擊而擺動(dòng)消耗含塵氣流動(dòng)能。由于對(duì)比結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi),故驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 論

1)本文對(duì)運(yùn)煤轉(zhuǎn)載點(diǎn)處密閉導(dǎo)料槽內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明物料由落料管下落至下層皮帶過(guò)程中,在導(dǎo)料槽底部形成高速高壓流場(chǎng)環(huán)境,粉塵由于導(dǎo)料槽密閉性不良易發(fā)生外溢噴泄。

2)為進(jìn)行有效減壓降速,本文利用無(wú)動(dòng)力除塵技術(shù),在落料管及下部導(dǎo)料槽之間連接回流管裝置并進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明無(wú)動(dòng)力除塵裝置充分實(shí)現(xiàn)了減壓、降速的目的,除塵效果顯著提升。

3)當(dāng)回流管直徑為500 mm、回流管引流口至落料管底部水平距離為2 000 mm時(shí),回流管兩端壓差達(dá)到最大,流體能量損失最多,對(duì)誘導(dǎo)氣流及沖擊氣流的減壓降速效果最顯著,除塵器除塵效果最佳。

4)本文僅針對(duì)無(wú)動(dòng)力除塵器的回流管、回流管半徑、回流管引流口至落料管底部水平距離這三個(gè)影響作用較大的參數(shù)進(jìn)行了最優(yōu)除塵效果的研究分析。事實(shí)上,無(wú)動(dòng)力除塵器的回流管傾斜度等其他結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)對(duì)除塵器的抑塵效果產(chǎn)生影響,因其除塵效果的表征參數(shù)與本文中涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同,故仍需進(jìn)一步對(duì)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析。