陳曉玲， 張永星

(1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)工學(xué)院， 克拉瑪依 834000； 2. 中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院， 北京 102249)

散料連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)一般由輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載溜槽等部分組成，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、冶金、煤炭、化工等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)載溜槽在整個(gè)散料連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)中占有非常重要的地位，但同時(shí)又是整個(gè)物料連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，現(xiàn)場常常會(huì)出現(xiàn)堵塞、撒料、磨損、跑偏以及噪聲和粉塵等問題[1-3]。因此，轉(zhuǎn)載溜槽的性能不僅對(duì)輸送系統(tǒng)的效率有重要影響，而且對(duì)整個(gè)散裝物料處理廠的粉塵排放水平也有重要影響。設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)載溜槽不僅可以有效地降低粉塵的排放，還可以降低采用額外除塵設(shè)備所增加的設(shè)備費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用[4]。因此，如何在轉(zhuǎn)載溜槽的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理的抑塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足日益提高的環(huán)保要求，受到越來越多的關(guān)注和重視[5-8]。

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于轉(zhuǎn)載溜槽的研究和設(shè)計(jì)。宋偉剛等[9]采用離散元方法對(duì)直線型、折線型和曲線型轉(zhuǎn)載溜槽進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)變曲率溜槽結(jié)構(gòu)傳輸效果最好；葉濤等[10]采用離散元方法對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究，證明離散元方法可以有效輔助溜槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；孫宏發(fā)等[11]采用Fluent軟件研究了不同顆粒在不同斜拋速度下顆粒物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及流場特性，發(fā)現(xiàn)隨著顆粒質(zhì)量流量增大卷吸空氣速度明顯增大；高淑玲等[12]采用多相流模型(volume of fluid，VOF)和離散相耦合的方法研究了螺旋溜槽內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；賈蘭等[13]采用溜槽物料牽引流、落料誘導(dǎo)氣流和剪切氣流理論對(duì)溜槽系統(tǒng)內(nèi)粉塵顆粒的擴(kuò)散規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究；侯紅偉等[14]采用歐拉-拉格朗日方法對(duì)溜槽結(jié)構(gòu)對(duì)粉塵顆粒的濃度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)載溜槽結(jié)構(gòu)中的傾角取值與長寬比取值對(duì)溜槽出口處的粉塵濃度值具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。陳記合等[15]采用相似性原理，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)道內(nèi)粉塵濃度分布進(jìn)行了模擬，得出不同監(jiān)測(cè)面粉塵濃度隨時(shí)間變化規(guī)律；林子杰等[16]等對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽處除塵器吸風(fēng)口和封閉罩聯(lián)用的除塵效果進(jìn)行了研究，指出轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽除塵系統(tǒng)除塵風(fēng)量應(yīng)大于皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的誘導(dǎo)氣流流量；杜善周等[17]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件對(duì)大采高綜采工作面粉塵運(yùn)移分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究；Wang等[18]基于CPFD軟件和相似實(shí)驗(yàn)的高溜井多級(jí)卸料粉塵污染可視化研究。 雖然上述研究表明數(shù)值模擬方法，特別是粉塵釋放模型(dust production model，DPM)，在粉塵運(yùn)移規(guī)律方面具有便于觀察流場和粉塵濃度場的變化規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)，但采用DPM模型的研究忽略了真實(shí)物料中的大顆粒，特別是毫米級(jí)別以上顆粒對(duì)整個(gè)流場的影響。另外，數(shù)值模擬只能定性地對(duì)顆粒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，在粉塵產(chǎn)生和逸散的定量研究方面具有一定的局限性，更多地依賴于實(shí)驗(yàn)。而目前對(duì)不同溜槽結(jié)構(gòu)的塵發(fā)機(jī)理方面的研究及相應(yīng)的控塵效果的定量實(shí)驗(yàn)研究較少，對(duì)轉(zhuǎn)載溜槽的控塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚缺少必要的實(shí)驗(yàn)支撐。

因此，現(xiàn)采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，以某一現(xiàn)場存在粉塵問題的轉(zhuǎn)運(yùn)站溜槽為研究對(duì)象，基于經(jīng)驗(yàn)和原理給出4種溜槽的優(yōu)化方案。通過比例模型實(shí)驗(yàn)研究，定量地分析不同溜槽結(jié)構(gòu)的控塵效果，并結(jié)合數(shù)值的結(jié)果對(duì)不同結(jié)構(gòu)的控塵機(jī)理進(jìn)行分析。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將現(xiàn)場所使用的現(xiàn)有溜槽命名為溜槽A，在此基礎(chǔ)上根據(jù)溜槽的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和理論進(jìn)行了4種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別稱作溜槽B、溜槽C、溜槽D和溜槽E，如圖1所示。

溜槽B的設(shè)計(jì)是通過在出口處上部加上一個(gè)可拆卸的蓋板，以便更好地控制含塵空氣從溜槽噴出的方向而實(shí)現(xiàn)控制粉塵排放的目的。該設(shè)計(jì)是4個(gè)設(shè)計(jì)方案中最為經(jīng)濟(jì)和簡單的設(shè)計(jì)，圖1(b)顯示了安裝在比例模型轉(zhuǎn)載滑槽上的可拆卸蓋板。

溜槽C的設(shè)計(jì)是通過在溜槽的出口處安裝一個(gè)長0.68 m、高0.28 m的粉塵沉降室，并在沉降室內(nèi)間隔90 mm交錯(cuò)布置防塵簾[18]，從而降低空氣流速實(shí)現(xiàn)粉塵沉降的目的。在4個(gè)設(shè)計(jì)方案中，該設(shè)計(jì)在改造成本和方便性方面僅次于溜槽B的設(shè)計(jì)，圖1(c)顯示了安裝在比例模型上用于試驗(yàn)的粉塵沉降室。

圖1 不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)載溜槽Fig.1 Transfer chute with different structures

溜槽D是在溜槽B的基礎(chǔ)上通過在溜槽的垂直下落段加入一個(gè)等半徑彎曲的限流板，如圖1(d)所示。限流板起到集中物料、減少誘導(dǎo)氣流和減少物料撞擊溜槽底部的入射角從而減少剪切氣流的作用，實(shí)現(xiàn)降低粉塵排放的目的。該方案在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)預(yù)期的物料速度和噸位，綜合考慮到噸位激增和細(xì)?；驖裎锪辖Y(jié)塊，以及開口太小會(huì)導(dǎo)致立管中的壓力過度積聚，從而迫使灰塵從立管頂部排出等因素，將豎管的橫截面積減少至其初始值的31%。

溜槽E是溜槽C和溜槽D的結(jié)合，兼具了方案C中粉塵沉降室和方案D中限流板的所有優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的幾個(gè)方案中具有最佳的控塵效果預(yù)期。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

為了確定不同結(jié)構(gòu)溜槽在抑制粉塵排放方面的效果，對(duì)不同的溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?，F(xiàn)場工業(yè)溜槽的處理量約為2 500 t/h，給料皮帶的輸送速度為3.75 m/s，溜槽的垂直落差為9.3 m，寬為0.8 m，根據(jù)相似原理等比例縮小5倍后得到實(shí)驗(yàn)室模型溜槽的垂直下降段為1.28 m，寬為0.16 m。將溜槽置于一個(gè)密閉的大木盒中，用煤作為物料對(duì)包括原溜槽在內(nèi)的5種溜槽定量地測(cè)定不同溜槽方案的粉塵排放水平。煤先從溜槽頂部的斜管進(jìn)入，流經(jīng)溜槽后，被溜槽底部的皮帶運(yùn)出。在物料的整個(gè)傳輸過程中，由于落差物料會(huì)在溜槽出口處排放粉塵。待密閉木盒內(nèi)的粉塵沉降30 min后，將木盒內(nèi)各個(gè)測(cè)量區(qū)域沉積的粉塵回收進(jìn)行稱重，實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖2所示。

圖2 溜槽粉塵排放測(cè)試裝置Fig.2 Chute dust emission test device

鑒于溜槽和整個(gè)密閉空間的對(duì)稱性，只收集密閉盒子中一半的粉塵進(jìn)行稱重分析。粉塵收集區(qū)域按照和溜槽出口的相對(duì)位置分為區(qū)域A(距溜槽出口1 m至最遠(yuǎn)端)、區(qū)域B(溜槽出口至1 m處)、區(qū)域C(溜槽出口后部)和區(qū)域D(距溜槽出口0.5 m的正前方)。

2.2 實(shí)驗(yàn)物料

由于粉塵的排放水平與物料的組成和濕度直接相關(guān)，所以在實(shí)驗(yàn)中用同一批無煙煤作為實(shí)驗(yàn)物料，并在連續(xù)幾天環(huán)境濕度基本相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試期間無煙煤的濕度維持在2.0%～2.3%。實(shí)驗(yàn)中所用無煙煤的堆積密度為780 kg/m3，粒徑分布如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)物料的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of experimental materials

3 數(shù)值模擬

離散元方法(discrete element method，DEM)已經(jīng)被廣泛地用于轉(zhuǎn)載溜槽的輔助設(shè)計(jì)[9-10]，但該方法的局限性限制了其在轉(zhuǎn)載溜槽粉塵排放方面的應(yīng)用。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)中基于平均控制體積內(nèi)動(dòng)量和連續(xù)方程的雙流體(two-fluid model，TFM)模型將固體顆?？闯蛇B續(xù)相，可較為經(jīng)濟(jì)地獲得相對(duì)準(zhǔn)確的流場，繼而定性地分析和研究溜槽內(nèi)粉塵的影響因素和排放水平[19-21]。因此，采用TFM模型對(duì)不同的轉(zhuǎn)載溜槽進(jìn)行了數(shù)值模擬，TFM模型中的關(guān)鍵模型選取如表1所示。

表1 TFM模擬所用模型Table 1 Model used in TFM simulation

CFD計(jì)算中，空氣相被設(shè)置為密度1.225 kg/m3的不可壓縮氣體，壓強(qiáng)101 325 Pa, 溫度293.16 K, 空氣黏性系數(shù)1.789 4×10-5kg/(m·s)；由于實(shí)驗(yàn)中75%的煤粉顆粒小于4 mm，所以數(shù)值模擬中將煤粉顆粒設(shè)置為密度1 350 kg/m3的均勻4 mm球形顆粒。

4 結(jié)果討論

4.1 粉塵排放水平

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，對(duì)不同溜槽結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了5次粉塵排放水平的重復(fù)測(cè)量，測(cè)量的平均值見表2。

從表2可以看出，總體上溜槽A到溜槽E所收集到的粉塵量依次遞減，溜槽A收集到的粉塵量高達(dá)332.05 g，是溜槽E所產(chǎn)生的粉塵量近88倍；與溜槽A相比，溜槽B所排放粉塵總量也減少了47.56 g，減少了近15%的粉塵排放量。從收集到的粉塵分布區(qū)域來看，各個(gè)溜槽的粉塵排放都主要分布在區(qū)域D，即在溜槽出口正前方收集到的粉塵最多，造成這種巨大差異的一個(gè)主要原因是一些大顆粒飛濺入溜槽正前方的粉塵收集區(qū)域。為了減小大顆粒對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，將大于1 mm的顆粒剔除，并以溜槽A為基準(zhǔn)，不同溜槽的粉塵排放水平見表3。

表2 不同溜槽各區(qū)域的排放量Table 2 Emissions from different chute areas

表3 不同溜槽總的粉塵排放水平Table 3 Total dust emission level of different chutes

從表3可以看出，剔除大于1 mm的顆粒后，粉塵質(zhì)量的變化主要發(fā)生在區(qū)域D，其余區(qū)域基本沒有什么明顯的變化。從粉塵排放水平來看，溜槽C、D和E的粉塵排放水平比溜槽A低得多，溜槽E的降塵效果最佳，粉塵排放量僅為溜槽A的5%，溜槽C和D的差別不明顯。值得注意的是，與溜槽A相比，溜槽B并沒有像預(yù)期的那樣減少粉塵的排放，兩者的粉塵排放水平基本一樣。

由于溜槽E的粉塵量太少，分析篩無法進(jìn)行粒度分析，故只對(duì)溜槽A、溜槽B、溜槽C、溜槽D所收集到的剔除1 mm顆粒后的粉塵進(jìn)行了粒度分析，如圖4所示。

從圖4中可以看出，4個(gè)溜槽中，溜槽A和溜槽B的粉塵粒度分布比較相近，這與該溜槽的粉塵排放量相同的結(jié)果相一致，溜槽D的小顆粒占比比溜槽C的高。溜槽C和溜槽D的小顆粒占比明顯比溜槽A和溜槽B高，粒徑小于45 μm的顆粒，溜槽C和溜槽D的占比分別為43.62%和40.48%，而溜槽A和溜槽B相應(yīng)的占比則分別為15.26%和28.94%；粒徑小于180 μm的顆粒，溜槽C和溜槽D的占比分別為88.25%和84.81%，而溜槽A和溜槽B相應(yīng)的占比則分別為80.62%和79.70%。

圖4 不同轉(zhuǎn)載溜槽排放粉塵顆粒的粒度分布Fig.4 Particle size distribution of dust particles discharged from different transfer chutes

4.2 控塵機(jī)理

溜槽內(nèi)的流場與粉塵的產(chǎn)生息息相關(guān)。通過TFM模型獲得溜槽內(nèi)的流場分布，繼而分析不同結(jié)構(gòu)的溜槽對(duì)粉塵產(chǎn)生的抑制機(jī)理。不同結(jié)構(gòu)溜槽內(nèi)氣相和固相的流動(dòng)分布情況如圖5所示，溜槽頂部敞口處的壓力分布如圖6所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)載溜槽的流場分布Fig.5 Flow field distribution of different transfer chutes

圖6 不同轉(zhuǎn)載溜槽頂部敞口處的壓力分布Fig.6 Pressure distribution at the top opening of different transfer chutes

對(duì)比溜槽A和溜槽B，從流場分布圖5(a)和圖5(b)可以看出，由于可拆卸蓋板的阻擋，在溜槽B出口的上方形成旋渦區(qū)的面積較溜槽A明顯增大，旋渦區(qū)能有效降低氣流的速度，占據(jù)溜槽內(nèi)的空間，從而減少進(jìn)入溜槽內(nèi)的誘導(dǎo)氣體。溜槽內(nèi)的誘導(dǎo)氣流主要是由溜槽頂部的敞口進(jìn)入，從圖6(a)和圖6(b)可以看出，溜槽B頂端敞口處的壓力較溜槽A的壓力有所增加，即與大氣壓的差值減少，從而有利于減少空氣從溜槽頂端的敞口進(jìn)入溜槽隨著顆粒流下落成為誘導(dǎo)空氣流。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，出口處添加拆卸蓋板不能有效減少溜槽粉塵的排放量。這一方面是由于可拆卸蓋板的使用雖然可以控制含塵空氣的流向，但由于出口面積顯著減小，導(dǎo)致出口處的空氣流速增加；另一方面，由于在出口上方所形成的旋渦區(qū)的面積相對(duì)于整個(gè)溜槽的面積還是相對(duì)較小，旋渦區(qū)的影響有限。所以，溜槽B出口攜帶的粉塵相比原來的設(shè)計(jì)溜槽A并沒有明顯減少，但實(shí)驗(yàn)中觀察到蓋板能有效降低下落顆粒與溜槽底部撞擊后飛濺出溜槽的可能。

對(duì)比溜槽A和C，發(fā)現(xiàn)粉塵沉降室可以顯著地減少粉塵的排放量，測(cè)得的粉塵水平降低了72%。從圖5(c)可以看出，沉降室內(nèi)交錯(cuò)排布的擋塵板起到了節(jié)流的作用，能夠降低攜塵氣體的速度，當(dāng)氣體流速低于部分粉塵顆粒的懸浮速度時(shí)，這部分粉塵會(huì)脫離氣體自然沉降回落至物料表面；同時(shí)還可以看到，由于交錯(cuò)排布的擋塵板會(huì)使氣體在流通面積突然變大時(shí)形成漩渦，從而導(dǎo)致溜槽內(nèi)氣體壓力積聚，溜槽頂部敞口處與大氣壓的壓差從溜槽A的平均壓差5 Pa[圖6(a)]降低至2.5 Pa[圖6(c)]，從而減少從溜槽頂部敞口處進(jìn)入溜槽的空氣量，降低含塵氣體的排出量，實(shí)現(xiàn)降低粉塵排放的目的。

對(duì)比溜槽B和D的粉塵排放量，發(fā)現(xiàn)在溜槽的自由落體部分安裝限流板有明顯的好處，粉塵排放水平降低了70%。從圖5(d)可以看出，由于在溜槽垂直段引入限流板，可以將原來分散的物料集中沿著限流板滑落，從而減少進(jìn)入物料的誘導(dǎo)氣流，實(shí)現(xiàn)降低粉塵排放的目的。如溜槽頂部敞口處的壓力分布[圖6(b)和圖6(d)]所示，在溜槽D頂部敞口處，大部分區(qū)域的壓力與大氣的壓差明顯小于溜槽B在該處的壓差，說明通過頂部敞口進(jìn)入溜槽D內(nèi)的誘導(dǎo)氣流明顯減少。另外，如圖5(d)所示，由于物料集中沿著限流板滑落，與溜槽底部撞擊的位置上移，入射角減小，從而減少了物料與溜槽底部撞擊后的剪切壓縮氣流的速度和流量，限流板將物料流集中在導(dǎo)料溜槽的底部，形成沿導(dǎo)料溜槽底部的流線型流動(dòng)，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致；從圖5(d)還可以觀察到溜槽D出口的上方形成了一個(gè)旋渦區(qū)，其面積約為溜槽B相同位置處旋渦的兩倍，該旋渦區(qū)有效地降低了流出氣體的流速和流量，從而進(jìn)一步降低粉塵的排放。

溜槽E的粉塵排放量僅為溜槽A的5%，說明沉降室和限流板的抑塵作用疊加后會(huì)進(jìn)一步放大，能在很大程度上降低誘導(dǎo)空氣流和剪切壓縮氣流，從根源上降低粉塵的產(chǎn)生，繼而達(dá)到低粉塵排放的效果。

5 結(jié)論

基于現(xiàn)場溜槽結(jié)構(gòu)存在粉塵嚴(yán)重的問題，提出了4種解決溜槽粉塵排放問題的優(yōu)化結(jié)構(gòu)；然后對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型試驗(yàn)并測(cè)量了粉塵排放水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理的溜槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以顯著減少粉塵的產(chǎn)生和排放。最后，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)各結(jié)構(gòu)的控塵機(jī)理進(jìn)行了分析，獲得以下結(jié)論。

(1)對(duì)5種不同溜槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了粉塵排放水平的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。通過比較溜槽A和溜槽B的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在溜槽出口處安裝可拆卸蓋板不能有效減少粉塵的排放，但是可以有效減少大顆粒物料的飛濺。

(2)溜槽C的結(jié)果表明，內(nèi)置交錯(cuò)排布擋塵板的粉塵沉降室可以有效地降低溜槽出口速度，并形成內(nèi)部蓄壓，減少空氣進(jìn)入，能將原溜槽的粉塵排放水平降低72%。

(3)溜槽D的結(jié)果表明，在溜槽垂直段引入限流板，能有效減少誘導(dǎo)氣流和剪切氣流，從而將原溜槽的粉塵排放水平降低70%。

(4)溜槽E的結(jié)果表明，粉塵沉降室疊加限流板的方案可以最大限度地降低產(chǎn)生粉塵的誘導(dǎo)氣流和剪切氣流，并且一部分粉塵會(huì)在沉降室的擋板作用下回落到物料中，從而將原溜槽的粉塵排放水平降低95%。