李小川，王啟立，劉 頎，李 強，羅會清，胡亞非，楊 豪

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，徐州 221008；3.南京中建化工設(shè)備制造有限公司，南京 210000)

溜槽轉(zhuǎn)運是散狀物料短距離輸送過程的重要環(huán)節(jié)，在物料裝載、傳遞和泄漏等過程中發(fā)揮著重要作用，是礦物開采及洗選加工、燒結(jié)工業(yè)和水泥生產(chǎn)等過程的重要環(huán)節(jié)。u同時溜槽轉(zhuǎn)運過程也伴隨嚴(yán)重的粉塵污染，成為粉料加工工業(yè)重要的污染源之一，受到廣大科研工作者的關(guān)注。通過封閉轉(zhuǎn)運點來引導(dǎo)溜槽轉(zhuǎn)運過程產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流，并進行集中凈化是轉(zhuǎn)運點防塵的有效途徑，這需要對物料轉(zhuǎn)運過程的誘導(dǎo)氣流進行有效預(yù)測。資料顯示，與不采用溜槽轉(zhuǎn)運的垂直落料相比，皮帶輸送過程使用溜槽轉(zhuǎn)運能有效降低物料產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流，但國內(nèi)具有針對性的系統(tǒng)理論研究并不豐富，還需要進行大量實驗研究對相關(guān)理論進行探討。

HEMEON[1]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)生的氣流總和，并最早對誘導(dǎo)氣流量進行了分析。MORRISON[2]在此基礎(chǔ)上采用Newton區(qū)阻力系數(shù)公式對顆粒拽曳氣流進行理論與實驗研究，給出對應(yīng)的誘導(dǎo)氣流半經(jīng)驗公式：

式中：Qind為誘導(dǎo)氣流量，m3/s；mp為物料的質(zhì)量流量，kg/s；L為溜槽長度，m；A為料柱的橫截面積，m2；g為重力加速度，m/s2；dp為物料直徑，m；ρp為物料密度，kg/m3。AMOS等[3]以能量守恒方程、氣流運動微分方程和氣動阻力方程等為基礎(chǔ)建立了落料過程誘導(dǎo)氣流模型。上述研究均忽略了顆粒間相互作用的影響，所得結(jié)果與實際結(jié)果有一定差距。PETER等[4]對這一誤差提出了“處于料流核心區(qū)的物料下落時對周圍氣流的攜帶能力較處于料流核心區(qū)之外的物料下落時對周圍氣流的攜帶能力弱”的理論解釋。李小川等[5?7]對轉(zhuǎn)運點落料誘導(dǎo)氣流非線性變化的影響因素進行了探討，認(rèn)為半封閉轉(zhuǎn)運點落料過程的有效誘導(dǎo)氣流量與落料質(zhì)量流量的?0.77次方近似成正比，在平均阻力系數(shù)為2.12的半封閉密閉罩內(nèi)，誘導(dǎo)氣流速度與下落高度的0.86次方近似成正比，并將此研究成果應(yīng)用于燒結(jié)廠轉(zhuǎn)運點高濃度粉塵的吸塵罩捕收。CHEN等[8?9]通過CFD模擬計算和實驗研究對溜槽轉(zhuǎn)運過程的揚塵過程進行研究，并測量了溜槽出口氣流流動分布狀態(tài)。ANSART等[10]對粒度＜100 μm、密度為1 000 kg/m3的自由落料過程的揚塵機理進行了研究。KOICHIRO和TOMOMI等[11?12]對自由下落粉體射流和誘導(dǎo)氣流進行了研究，所研究粉體平均粒度約454 μm、密度2 590 kg/m3。此外，國內(nèi)趙永嶺[13]、張桂芹[14]、呂太[15]和馬云東[16]等也對落料誘導(dǎo)氣流及揚塵進行了研究，其關(guān)注點在誘導(dǎo)氣流的揚塵作用。本研究的重點在溜槽轉(zhuǎn)運過程產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的大小及其影響因素，為轉(zhuǎn)運過程揚塵的治理提供理論支持。

1 溜槽轉(zhuǎn)運過程的受力及能量傳遞

物料沿溜槽下落時拽曳溜槽內(nèi)的空氣，便其隨物料向下運動，稱為誘導(dǎo)氣流。對單顆粒球形物料的運動過程而言，物料對氣流的曳力與物料粒度、物料與氣流相對運動速度和流動曳力系數(shù)有關(guān)，可表示為[17]：

式中：Fd為物料對氣流的曳力，N；ρg為氣體密度，kg/m3；ug、up分別為氣流與物料顆粒速度，m/s；dp為物料粒度，m；Cd為曳力系數(shù)，與物料顆粒的雷諾數(shù)Re有關(guān)(Re=ρgdp(up?ug)/u。u為氣流黏度，Pa/s)，當(dāng)10?6＜Re＜ 3000時，曳力系數(shù)可表示為[18]：

當(dāng)大量物料沿溜槽向下滑落時，可假設(shè)物料為粒度均勻的球形顆粒，顆粒間不發(fā)生相互作用，質(zhì)量流量為mp，溜槽當(dāng)量直徑為D，初步判斷溜槽內(nèi)部氣流為充分發(fā)展湍流，氣流平均速度為ug，則溜槽內(nèi)氣流運動微分方程為：

氣流受到溜槽及密閉罩系統(tǒng)的阻力，該阻力R主要是邊壁摩擦阻力及氣流轉(zhuǎn)向等局部阻力，可用阻力系數(shù)關(guān)系式表示為：

式中：ξ為總阻力系數(shù)，與溜槽和密閉罩結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)一定，ξ即可確定。

溜槽轉(zhuǎn)運過程產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流實質(zhì)是物料向下滑落將重力勢能轉(zhuǎn)化為物料和氣流的動能和各種摩擦產(chǎn)生的熱能，溜槽具有一定傾斜角度，因此物料重力可分為平行于溜槽方向的加速作用力和垂直于溜槽方向的對溜槽的壓力，后者的大小決定物料與溜槽表面的摩擦力大小，該摩擦力是阻礙物料下落的一個重要作用力，可列出其能量守恒方程：

式中：L為溜槽長度，m；γ為溜槽角度，rad；ζ為物料與溜槽間的摩擦因數(shù)，與溜槽表面光滑度、物料表面光滑度及物料的排列形式密切相關(guān)。由式(6)知，溜槽長度L、溜槽角度γ和物料的質(zhì)量流量mp對誘導(dǎo)氣流有直接影響，主要表現(xiàn)為隨L、γ和mp增加，系統(tǒng)輸入能量增加；由式(2)知，物料產(chǎn)生的曳力Fd與氣?粒相對速度和顆粒粒度dp有直接關(guān)系；另外，式(6)所示密閉罩能量的轉(zhuǎn)換，不同系統(tǒng)阻力系數(shù)不同，導(dǎo)致重力勢能用于克服系統(tǒng)阻力所消耗的能量不同，相應(yīng)的用于驅(qū)動氣流流動的能量也不同，這也就是造成相關(guān)文獻誘導(dǎo)氣流流速差異的一個重要原因。式(4)定量描述了溜槽內(nèi)氣流的流動狀態(tài)，由該方程的非線性特性可知，轉(zhuǎn)運過程的誘導(dǎo)氣流具有非線性變化趨勢，同時，由于式(4)假設(shè)顆粒間不發(fā)生相互作用，但實際溜槽轉(zhuǎn)運過程中物料相互蹉跌，使得實驗值與理論值有一定偏差。

2 實驗

2.1 實驗裝置

圖1 溜槽轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)氣流實驗裝置Fig.1 Facilities of induced airflow by material transfer of chute

實驗裝置如圖1所示，由振動給料機、料斗、流量調(diào)節(jié)旋鈕、調(diào)節(jié)擋板、溜槽、落料箱、受料盤、測風(fēng)管和風(fēng)速儀組成。物料預(yù)裝在振動給料機中和料斗中，振動給料機自動給料，通過流量調(diào)節(jié)旋鈕來調(diào)節(jié)給料流量；溜槽提供物料轉(zhuǎn)運通道，為直徑不同的光滑PVC圓管，溜槽角度可調(diào)；落料箱用于收集下落物料，并引導(dǎo)氣流從測風(fēng)管流出，落料箱尺寸為500 mm×350 mm×450 mm；受料盤為物料提供相同的下落高度，盤面鋪設(shè)與輸送帶相同材質(zhì)的墊層，物料下落至受料盤后自動滑落到落料箱底部，受料盤直徑10 cm；測風(fēng)管用于測量誘導(dǎo)氣流的速度，直徑10 cm；風(fēng)速測量儀器為熱線風(fēng)速儀。

2.2 實驗材料

實驗物料選擇建筑石子，經(jīng)過篩分得到不同粒度級別，并測試其密度，結(jié)果列于表1。

表1 轉(zhuǎn)運物料的物性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of transfer materials

2.3 實驗方法

實驗一：將測風(fēng)管出口端連接到一臺小型風(fēng)機的入口端，通過抽風(fēng)實驗測量落料裝置的總阻力系數(shù)。分別以溜槽長度、溜槽角度和溜槽橫截面積為變量，設(shè)置合適風(fēng)量。通過微差壓傳感器測量風(fēng)機入口靜壓，用熱線風(fēng)速儀測量抽風(fēng)速度。

實驗二：為了解溜槽傾角γ、溜槽長度L、質(zhì)量流量mp和溜槽直徑D等參數(shù)對溜槽轉(zhuǎn)運過程誘導(dǎo)氣流的影響，改變各參數(shù)，測量誘導(dǎo)氣流速度。各參數(shù)分別設(shè)置如下：

溜槽傾角：選擇3號物料，mp約為12 kg/min，D為110 mm，溜槽長度L分別為0.5、0.7、0.9、1.1和1.3 m，測量γ值為45°、60°、75°和90°(分別為0.79、1.05、1.31和1.57 rad)時的ug。

溜槽長度：選擇2～4號物料，固定γ為60°，D為110 mm，mp約為12 kg/min，測量L分別為0.5、0.7、0.9、1.1和1.3 m時的ug。

溜槽直徑：選擇3號物料，L為0.9 m，mp約為12 kg/min，γ分別為45°、60°、75°和90°(其弧度分別為0.79、1.05、1.31和1.57 rad)。測量D值分別為75、90、110、160和200 mm時的ug。

物料質(zhì)量流量：選擇3號物料，γ為60°，D值為110 mm，L分別為0.5、0.9和1.3 m，測量不同mp條件下的ug。

3 結(jié)果與分析

3.1 溜槽氣動阻力特性

由式(4)可看出，溜槽及密閉罩的結(jié)構(gòu)對氣動阻力有影響，這直接關(guān)系到物料產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流的大小。圖2所示為氣動阻力系數(shù)隨溜槽結(jié)構(gòu)的變化情況。可以看出，隨溜槽長度和溜槽角度變化，阻力系數(shù)的變化都較小，而隨溜槽橫截面積變化，阻力系數(shù)有較大變化。分析認(rèn)為，由于氣流與溜槽表面的磨擦阻力較小，增加溜槽長度僅僅增加了沿程阻力損失，對距離較短的溜槽來說阻力損失非常微?。涣锊劢嵌鹊淖兓瘜ρ爻套枇Φ挠绊戄^小，阻力損失的增加主要來自于溜槽與上下層皮帶之間過渡部分的局部阻力，溜槽角度發(fā)生變化，過渡部分的局部阻力也發(fā)生變化，當(dāng)溜槽距離較短時這種局部阻力損失較沿程阻力大；由圖2可知溜槽截面積的改變使阻力系數(shù)發(fā)生極大變化，這是流動阻力的特性所致，溜槽橫截面積較小時，氣流流動的阻礙作用較大，阻力系數(shù)必然增大。

圖2 溜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對總阻力系數(shù)的影響Fig.2 Effect of structural parameter on resistanc coefficient

3.2 溜槽傾角的影響

由式(6)可看出，溜槽傾角影響重力勢能的轉(zhuǎn)化，傾角越大，物料切向下滑作用力越大，而法向壓力越小，重力勢能更多地轉(zhuǎn)化為物料的動能，因此，溜槽傾角是影響轉(zhuǎn)運過程誘導(dǎo)氣流大小的最重要參數(shù)。圖3所示為溜槽傾角對誘導(dǎo)氣流速度的影響。由圖3可看出，隨溜槽傾角增大，誘導(dǎo)氣流速度不斷增大，但不同長度的溜槽，誘導(dǎo)氣流隨傾角增大而增大的趨勢不同。溜槽較短時，誘導(dǎo)氣流隨溜槽傾角變化的冪指數(shù)較小，隨溜槽長度增加，誘導(dǎo)氣流隨溜槽傾角變化的冪指數(shù)不斷增大。

分析可知，產(chǎn)生這一變化的原因在于轉(zhuǎn)運過程中物料分布的密度發(fā)生變化，當(dāng)溜槽長度較短時，物料轉(zhuǎn)運末期下滑速度較小，物料在溜槽表面排布緊密，相互間作用較強，與空氣接觸范圍較小，所以誘導(dǎo)氣流隨溜槽傾角增大的增幅較?。欢?dāng)溜槽較長時，物料在轉(zhuǎn)運末期下滑速度較快，物料間的排布間距增大，更多的物料在溜槽表面產(chǎn)生滑動，阻力相對減小，同時物料排布間距增大使物料與空氣的接觸面積增大，物料對氣流的拽曳作用力增強，誘導(dǎo)氣流在運行后期增速加大。

圖3 溜槽傾角對誘導(dǎo)氣流速度的影響Fig.3 Effect of chute angle on induced airflow velocity

由以上結(jié)果與分析得出，溜槽傾角從能量轉(zhuǎn)化和物料在溜槽上的排布規(guī)律兩方面直接影響轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)氣流的大小。溜槽傾角越大，重力的溜槽法向作用力越大，越多的重力勢能轉(zhuǎn)化為物料下滑的動能，增加了對氣流的拽曳作用；由于物料運動速度增加，物料在溜槽上的排布距離拉大、分散度提高，從而增加物料與氣流的接觸面積。

3.3 溜槽長度的影響

當(dāng)溜槽傾角一定時，溜槽長度與物料下落高度直接相關(guān)，而高度是影響氣流獲得能量大小的主要因素。物料下落將重力勢能轉(zhuǎn)化為物料自身動能、氣流動能以及碰撞摩擦等原因?qū)е碌膿p耗能量，圖2(a)表明溜槽長度對系統(tǒng)氣動阻力系數(shù)影響較小，因此著重考慮勢能轉(zhuǎn)化。圖4所示為表1中的2#、3#、4#物料的質(zhì)量流量與誘導(dǎo)氣流速度隨溜槽長度的變化。從圖4可知，隨溜槽長度增加，誘導(dǎo)氣流速度逐步增大，擬合冪指數(shù)在0.642～0.657之間，該結(jié)果比文獻[6]自由落料的冪指數(shù)0.86小約26%，說明采用溜槽轉(zhuǎn)運能明顯減小轉(zhuǎn)運過程誘導(dǎo)氣流。不同物料由于粒度不同，在給料時將產(chǎn)生一定的質(zhì)量流量差，從圖中可看出，2#物料的質(zhì)量流量最大，產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流也更大。

圖4 物料的質(zhì)量流量與誘導(dǎo)氣流速度隨溜槽長度的變化Fig.4 Relationships between induced airflow velocity and drop height

由于溜槽具有一定角度，物料自由下落變化為物料沿溜槽的滑落，且物料顆粒間緊密接觸，減少了與空氣的接觸面積，誘導(dǎo)氣流有效接觸表面主要集中在物料表面，因此，采用溜槽轉(zhuǎn)運物料時顆粒相的分布與自由落料有極大的區(qū)別，自由落料的誘導(dǎo)氣流模型應(yīng)用于溜槽轉(zhuǎn)運過程需做較大的修正。而圖4中不同顆粒物料產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的變化趨勢較接近，說明溜槽轉(zhuǎn)運過程中，粒度對誘導(dǎo)氣流的影響不是主要因素，溜槽轉(zhuǎn)運過程由于物料重力沿溜槽的法向分力，使物料緊貼溜槽下滑，顆粒間沿溜槽切線的分散現(xiàn)象消失，對周圍空氣的誘導(dǎo)作用有較大幅度的減弱，對抑制粉塵來說，溜槽轉(zhuǎn)運能夠較大幅度的降低誘導(dǎo)氣流速度，減少揚塵量。因此，在預(yù)測溜槽轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)氣流大小時，可考慮物料橫截面積恒定，在物料運動方向上物料的分布松散度不隨下落高度變化而發(fā)生變化，在這一過程中顆粒物對誘導(dǎo)氣流的誘導(dǎo)作用較自由落料小。

總的來說，在沿溜槽長度這一影響因素方面，由于溜槽的傾角存在，使物料沿溜槽下滑過程中始終緊貼溜槽表面，物料的在溜槽法向的分散度幾乎不發(fā)生變化，這一顆粒相的分布狀態(tài)是誘導(dǎo)氣流較自由落料狀態(tài)小的主要原因。

3.4 溜槽直徑的影響

溜槽直徑對轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)氣流的表觀速度有較大影響，圖5所示為溜槽直徑對誘導(dǎo)氣流速度的影響，由圖可見隨溜槽直徑增加，誘導(dǎo)氣流速度先增加后降低，不同傾角的溜槽，變化趨勢相近。隨溜槽直徑增大，溜槽的流動阻力迅速減小，有利于誘導(dǎo)氣流隨物料轉(zhuǎn)運方向的流動，對誘導(dǎo)氣流速度增大有積極影響。同時，由于溜槽直徑增大，物料在溜槽上的分布存在一定程度地分散，物料與氣流相互作用的面積隨之增大，誘導(dǎo)氣流速度隨之增大。而當(dāng)溜槽截面積增大到一定程度后，氣流流動空間過大，物料與氣流發(fā)生剪切作用，部分氣流在非常大的空間里跟隨物料一起向下運動的趨勢減弱，甚至出現(xiàn)“反混”現(xiàn)象，測量口的誘導(dǎo)氣流反而減少。這一減小趨勢并不代表誘導(dǎo)氣流總量減少，只能說是測量點處誘導(dǎo)氣流量減少，實際總量不變甚至增加，只是滯留在溜槽空間甚至從溜槽入口擴散出去。

圖5 溜槽直徑對誘導(dǎo)氣流速度的影響Fig.5 Effect of chute diameter on induced airflow velocity

目前工業(yè)上常采用密閉罩和排塵風(fēng)機的抑塵方式，排塵風(fēng)機的入口設(shè)置于溜槽入料口，這樣的設(shè)置使排風(fēng)氣流與物料誘導(dǎo)氣流相向而行，增加了大量排風(fēng)功率，且不能達到較好的抑塵效果。根據(jù)實驗結(jié)果，合理選擇溜槽直徑，能強化轉(zhuǎn)運過程產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流對粉塵的攜帶能力，并在誘導(dǎo)氣流下風(fēng)向設(shè)置引導(dǎo)和抽風(fēng)裝置。這一理念相當(dāng)于將落料過程轉(zhuǎn)換給氣流的動能作為轉(zhuǎn)運粉塵的一部分能量，能在一定程度上降低抽風(fēng)裝置的負荷，節(jié)約通風(fēng)能耗，但誘導(dǎo)氣流與抽風(fēng)氣流的復(fù)合是一個復(fù)雜的過程，還需要進一步進行實驗研究。

3.5 物料質(zhì)量流量的影響

物料質(zhì)量流量從能量的累積效應(yīng)方面影響誘導(dǎo)氣流大小，文獻[6]中自由下落物料質(zhì)量流量與有效誘導(dǎo)氣流的?0.77次方成正比，且與誘導(dǎo)氣流總量的0.23次方成正比，由此可以看出，在自由落料過程中，單位質(zhì)量流量的物料產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流量隨物料總質(zhì)量增加而降低，這主要是由于物料量增加，料流核心區(qū)的物料增加，物料與氣流相對接觸面積減小造成的。圖6所示為溜槽轉(zhuǎn)運過程中物料的質(zhì)量流量對誘導(dǎo)氣流的影響，可以看出，誘導(dǎo)氣流總速度的增速較自由落料小，冪指數(shù)約為0.15，而有效誘導(dǎo)氣流與質(zhì)量流量的冪指數(shù)約為?0.84。

隨質(zhì)量流量增大，物料對溜槽內(nèi)氣流的拽曳作用增強，誘導(dǎo)氣流總量有增加的趨勢。采用溜槽轉(zhuǎn)運，物料始終在溜槽表面滑動，物料分散度只在溜槽切向方向展開，較自由落料同時在法向和切向展開情況分散度小，因而與氣流的接觸面積較小，故誘導(dǎo)氣流增加速度相對較小。同時，由于溜槽轉(zhuǎn)運過程中料流始終有一個截面與溜槽接觸，進一步減少了與氣流的接觸空間，使誘導(dǎo)氣流增速進一步減小。另外，由于溜槽截面積相對物料體積來說不是無窮大，隨著質(zhì)量流量增加，溜槽過流面積相對減小，一定程度上增加了氣流流動阻力，這也是誘導(dǎo)氣流增速減緩的一個原因。

圖6 不同長度的溜槽中物料的質(zhì)量流量對有效誘導(dǎo)氣流的影響Fig.6 Effect of flow mass of bulk material on induced airflow

4 結(jié)論

1) 溜槽傾角γ從能量轉(zhuǎn)化和物料排布兩方面影響轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)氣流的大小。誘導(dǎo)氣流速度ug隨溜槽傾角γ值增大而增大，但不同長度的溜槽，ug隨γ增大的趨勢不同，ug-γ曲線的冪指數(shù)隨溜槽長度L增加而增大。

2) 溜槽轉(zhuǎn)運通過降低物料的分散度和減少物料與空氣的接觸面積來降低誘導(dǎo)氣流速度。對直徑110 mm的溜槽，ug與L擬合曲線的冪指數(shù)約為0.64，較自由落料降低約26%。

3) 溜槽直徑D是決定誘導(dǎo)氣流形成有效流動或發(fā)生“反混”現(xiàn)象的重要因素，適當(dāng)?shù)牧锊壑睆侥苡行娀T導(dǎo)氣流對粉塵的攜帶能力，降低抽風(fēng)排塵能耗。

4) 溜槽轉(zhuǎn)運使物料向溜槽底部聚集，增加了料流核心區(qū)物料的比例，使ug隨物料的質(zhì)量流量mp增加而增大的增速放緩，ug與mp的0.15次冪成正比，有效誘導(dǎo)氣流量Q與mp的?0.84次冪成正比。

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