多負(fù)壓除塵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化研究

宋文宇,覃新蓮,秦宋林,李炳熙,王 維

(1.廣東廣物金屬產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510000;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.中電建河南萬山綠色建材有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

礦業(yè)在生產(chǎn)生活中極其重要[1]。綠色礦山建設(shè)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求[2]。在“碳中和、碳達(dá)峰”的重要框架下,綠色礦山建設(shè)中有效解決礦山企業(yè)規(guī)模小、建設(shè)水平低、能耗高、“三廢”排放高等問題是關(guān)鍵[3]。對礦山除塵設(shè)備進(jìn)行有效的節(jié)能降耗,能夠降低礦山開采成本,提高礦山開發(fā)效率降低能耗減少排放。

王曉東[4]對除塵風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提出了原始進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化、前向增加吸塵口、增設(shè)過濾除塵和加入風(fēng)流轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化方案。優(yōu)化后的掘進(jìn)機(jī)機(jī)載除塵風(fēng)機(jī)極大避免了原始方案中由于吸風(fēng)口處高度過低而導(dǎo)致的煤巖堵塞吸風(fēng)口問題,有效減少了空氣中的煤巖浮塵。劉亞南[5]等研究一種布袋式除塵設(shè)備風(fēng)量和壓力的優(yōu)化控制系統(tǒng),利用相關(guān)模型的設(shè)置,通過GA尋優(yōu)對模型參量進(jìn)行識別;針對袋式除塵器兩大控制參量除塵風(fēng)量和除塵風(fēng)壓的改善操作問題,在實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線之上,重點(diǎn)分析了袋式除塵線性二次型調(diào)節(jié)器控制裝置,改善了除塵風(fēng)量風(fēng)壓。韓高將[6]經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證,可以通過恰當(dāng)增高吸風(fēng)口處位置,結(jié)合粗化設(shè)置,在盡量保證優(yōu)化成本的情況下盡可能提高除塵風(fēng)機(jī)除塵效果。優(yōu)化后的除塵風(fēng)機(jī)可以減少粉塵含量,降低設(shè)備機(jī)器運(yùn)行時產(chǎn)生的煙粉,達(dá)到節(jié)約能源的效果。

通過上述的研究概況可以發(fā)現(xiàn),目前大多數(shù)除塵設(shè)備都存在著結(jié)構(gòu)和內(nèi)部氣流優(yōu)化的問題,布袋除塵器是最常用的技術(shù)手段,但目前布袋負(fù)壓收塵方式由于存在采用單負(fù)壓口存在能耗高、除塵效率差的問題。本文以東山白云巖礦項(xiàng)目現(xiàn)有除塵振篩機(jī)設(shè)備為研究對象,基于計(jì)算流體力學(xué)方法,并對四種不同多負(fù)壓設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬仿真,得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1 項(xiàng)目背景介紹

本研究采取干法生產(chǎn)模式。技術(shù)設(shè)置三級破碎與兩級篩分,用金屬破碎機(jī)破碎,開、閉路制造環(huán)節(jié)相配合。開路部分由兩部分組成,分別為中細(xì)碎車間與預(yù)篩分車間構(gòu)成。閉路部分由兩部分組成,分別為細(xì)碎車間與預(yù)篩分車間。開挖料由自卸汽車經(jīng)開拓道路運(yùn)輸至粗碎卸料平臺受料倉卸料,送至車間進(jìn)行粗碎處理,破碎工藝后得到半成品石料,再運(yùn)送到指定位置進(jìn)行處理。東山白云巖礦項(xiàng)目中所用礦石為白云石,平均密度為2 650 kg/m3,除塵振篩機(jī)設(shè)備中除塵風(fēng)速為3.76～6.89 m/s。

2 振篩機(jī)數(shù)值模型和數(shù)值方法

2.1 幾何模型

研究所采用的振篩機(jī)設(shè)備幾何尺寸如圖1所示,振篩機(jī)主要包括機(jī)體、石料出口和負(fù)壓吸塵口,負(fù)壓吸塵口作用在機(jī)體頂部,幾個石料出口布置在機(jī)體底部,機(jī)體內(nèi)部有五層篩板。在振動篩板的作用下,不同粒徑尺寸的石料被篩分到各個石料出口,而粉塵在負(fù)壓作用下被集中到負(fù)壓吸塵口處。

圖1 振篩機(jī)尺寸圖

2.2 數(shù)值模型

合理假設(shè)既能減少建模難度又能滿足計(jì)算精度要求[7]。所以,本文假定:

(1)氣體單相流動與多相流在一定程度上具有相似性,可通過模擬設(shè)備內(nèi)部氣體單相流動探究其內(nèi)部除塵情況,故將氣固兩相流動簡化為氣體單相流動;

(2)由于設(shè)備內(nèi)氣體馬赫數(shù)低于0.3,故認(rèn)為氣體不可壓縮。

進(jìn)行數(shù)值分析時,氣體的流動都必須受連續(xù)性方程和動量守恒定律支配,見下式

(1)

(2)

式中ρ——?dú)怏w的密度/kg·m-3;

μ——?dú)怏w的動力粘度系數(shù)/N·s·m-2;

p——?dú)怏w的壓力/Pa;

gi——重力加速度/N·m-3。

由于振篩機(jī)中有回流區(qū)產(chǎn)生,因此采用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型。同時將壁面定為絕熱無相對滑移,并對于流體近壁區(qū)域的湍動能求解,用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法(Standard Wall Functions)來處理[8]。

流場中壓力速度耦合采用COUPLE算法。邊界條件和初始條件一起稱為定解條件,只有在邊界條件和初始條件確定以后,流程的解存才在并且唯一確定[9]。計(jì)算域初始條件依據(jù)實(shí)驗(yàn)初始工況設(shè)置:入口設(shè)置為壓力入口,流體為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣,壓力值為大氣壓值。計(jì)算域出口設(shè)置為壓力出口。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞,對計(jì)算穩(wěn)定性和計(jì)算精度有很大的影響[10]。為得到良好的數(shù)據(jù)結(jié)果,需進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。本試驗(yàn)計(jì)算五組網(wǎng)格數(shù),數(shù)量分別為5萬、10萬、20萬、50萬和100萬。通過監(jiān)測除塵振篩機(jī)中間截面的平均速度進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如表1所示,可以看出在網(wǎng)格數(shù)目大于50萬以后,平均速度變化很小,由此認(rèn)為50萬網(wǎng)格可以滿足計(jì)算要求,因此選用50萬網(wǎng)格對振篩機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)果分析及討論

除塵設(shè)備的除塵效果和能耗是衡量振篩機(jī)的重要指標(biāo)?？梢杂糜行С龎m體積百分比φ評價除塵效果。從電耗P(e)[11]和設(shè)備除塵阻力ΔP[12]兩個角度評價除塵能耗。設(shè)備除塵阻力ΔP為設(shè)備進(jìn)口與出口壓差,其余兩個參數(shù)指標(biāo)見下式

(3)

P(e)=(QW×P)/(3 600×1 000×η1×η2)

(4)

式中V——振篩機(jī)體積/m3;

Ve——流速在除塵范圍內(nèi)的體積/m3;

Qw——除塵風(fēng)量/m3·h-1;

P——負(fù)壓口真空度壓力/Pa;

η1——風(fēng)機(jī)內(nèi)效率,取0.85;

η2——機(jī)械效率,取0.9。

3.1 除塵風(fēng)量的影響

研究除塵風(fēng)量大小對除塵效能的影響,本節(jié)選取除塵風(fēng)量Qw分別為5萬、10萬、15萬、20萬、25萬m3/h進(jìn)行數(shù)值模擬,其余工況狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)均與初始值一致。

數(shù)值模擬得到幾個不同除塵風(fēng)量Qw下振篩機(jī)中間截面的速度分布云圖,如圖2所示,從圖中可以觀察到除塵風(fēng)量大小直接影響著機(jī)體內(nèi)部流動情況,機(jī)箱內(nèi)部各點(diǎn)流動速度隨著除塵風(fēng)量Qw的增加而變大。負(fù)壓吸塵口面積小從而導(dǎo)致負(fù)壓口處速度很大極易卷吸小粒徑石子。由于箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)置,機(jī)體右下角存在一速度較小的流動死區(qū),該區(qū)域流體不參與主流體流動。一方面死區(qū)會導(dǎo)致粉塵堆積除塵效率低,另一方面速度分布不均勻會導(dǎo)致能量利用效率低。

圖2 不同風(fēng)量下的速度云圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到不同除塵風(fēng)量下所對應(yīng)的負(fù)壓,除塵有效體積比和功率如表2所示。除塵風(fēng)量越大,所需的負(fù)壓,除塵設(shè)備阻力和功率也越來越大,但Φ隨著進(jìn)風(fēng)量的加大先變大后減少,當(dāng)Φ為15萬m3/h時達(dá)到最大為43.0%。這是因?yàn)槌龎m風(fēng)速的范圍是確定的,除塵風(fēng)量太低則內(nèi)部流動速度低于最小除塵風(fēng)速,除塵風(fēng)量過大則內(nèi)部流動速度高于最大除塵風(fēng)速,所以有效除塵體積百分比先增加后減少。

表2 不同除塵風(fēng)量下參數(shù)指標(biāo)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,礦山除塵清潔情況十分重要。因此首先要考慮除塵有效百分比,5種不同除塵風(fēng)量中Qw為15萬m3/h和20萬m3/h時Φ最大分別為43.0%和42.8%。但Qw為15萬m3/h時的功率比Qw為20萬m3/h時小,所以綜合考慮,最優(yōu)除塵風(fēng)量為15萬m3/h。

3.2 多負(fù)壓口的影響

通過對初始模型流動情況進(jìn)行數(shù)值模擬,提出幾種不同負(fù)壓口布置方案,通過增設(shè)負(fù)壓口改善流動情況減少能耗。本節(jié)在Qw都為15萬m3/h的情況下對多種多負(fù)壓口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。

數(shù)值模擬得到不同除塵方案下中間截面的速度分布云圖如圖3所示,從圖中可以看出經(jīng)過方案1、方案2和方案4優(yōu)化后設(shè)備內(nèi)流動情況得到改善,死區(qū)區(qū)域流動得到改善死區(qū)面積有所減小。但是在方案3的處理下死區(qū)區(qū)域面積增大,原因在于負(fù)壓口位置不同,在效果好的優(yōu)化方案中,頂部均設(shè)置有一個負(fù)壓口,在其作用下所帶動的流動范圍更大。而在方案3的布置下對箱體內(nèi)部流動調(diào)節(jié)范圍小。

圖3 不同多負(fù)壓方案下的速度云圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到不同多負(fù)壓優(yōu)化方案下所對應(yīng)的負(fù)壓,除塵有效體積和功率如表3所示。優(yōu)化處理后設(shè)備所需除塵風(fēng)量相比于原始方案均有所降低,同時方案4所需的負(fù)壓、除塵設(shè)備阻力和功率最小。經(jīng)過優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2處理后,設(shè)備的有效除塵體積百分比相比于原始方案有所增加,其余兩個優(yōu)化方案則相比于原始方案有所減少。方案2的Φ最大為44.9%。

表3 不同優(yōu)化方案下的參數(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

本文基于振篩機(jī)研究了除塵風(fēng)量對除塵效能的影響,并對幾種多負(fù)壓優(yōu)化方案進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下:

(1)通過對流動情況、有效除塵體積、平均風(fēng)速及偏差、設(shè)備除塵阻力、功率的分析,可以得出最佳除塵風(fēng)量為15萬m3/h。振篩機(jī)在除塵風(fēng)量為15萬m3/h時,有效除塵體積大,除塵效果好。

(2)在除塵風(fēng)量為15萬m3/h的情況下,在原始方案的基礎(chǔ)上在振篩機(jī)背面增加一個負(fù)壓口能達(dá)到較好的除塵效果,此時改進(jìn)方案可比原始方案除 塵有效體積比增加1.9%。

(3)在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下,僅通過出風(fēng)口的優(yōu)化設(shè)計(jì)就可以達(dá)到大幅節(jié)能的目的。在最優(yōu)情況下,改進(jìn)方案可比原始方案節(jié)能約77.6%。