無動力除塵在鉀肥皮帶轉運站中的應用

葉福春 竇瑋 張澤星

(青海鹽湖工業股份有限公司 青海格爾木 816000)

0 引言

在鉀肥顆粒轉運過程中，由于鉀肥顆粒粒徑普遍較小，粘結性強，在正常溫度、濕度環境下，鉀肥顆粒會逸散到周圍空間中的基本為可呼吸性粉塵，危害程度較其他轉運物料高，本文以青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥分公司T5轉運站皮帶機為例，對使用傳統鉀肥除塵方案及鉀肥輸送系統中的產塵原因進行分析歸納，運用空氣動力學原理，在沒有外加動力除塵裝置的情況下采用壓力平衡和閉環流通等方式，最大限度的降低物流導管內部空間內空氣壓力，使得內外空間中的壓差盡可能趨于平衡，最終形成一個針對于鉀肥顆粒的無動力粉塵治理方案，從根源上抑制粉塵從源頭的產生，為鉀肥輸送系統粉塵治理方案提供參考依據，使現場粉塵濃度有效減小[4-6]。

1 傳統鉀肥除塵方案概況

青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥分公司T5轉運站皮帶機上導料槽處粉塵污染情況嚴重。在現場粉塵輸送過程中，傳統設備通過簡單的隔塵裝備對T5皮帶機到下皮帶機轉運過程中產生的粉塵進行控制，通過對現有轉載站中頭部漏斗、導料槽和落料管等設備的現場應用狀況進行分析，獲得現有除塵設備中的不足與需要改進之處，作為鉀肥專用粉塵治理系統的設計方案的參考依據。

頭部漏斗現場狀況如圖1所示，在原有的轉載除塵方案中T5轉載站上皮帶機頭部漏斗部分，頭部護罩與其他設備接口處密封性能差，皮帶頭部設置的清掃器對物料的清掃功能失效，頭部護罩處于完全開放的狀態。

圖1 頭部漏斗現場狀況

在導料槽部分尾部密封性能低，與皮帶形成2～3 cm的縫隙。由于周圍空間中的粉塵積累，導料槽內部為整體貫通式，皮帶機運行過程中，粉塵在皮帶與物料的帶動下，從導料槽出口溢出，造成粉塵污染。現場皮帶機回程帶料嚴重，皮帶上粘附的物料在滾筒處、托輥處堆積揚塵；導料槽高度較低，導料槽容積小，由于誘導風流等因素的影響，會造成大量粉塵由于壓差的原因溢出，關于導料槽處的具體狀況如圖2所示。

圖2 導料槽現場狀況

落料管在設計過程轉彎角度過大，在落料管下落過程中，鉀肥可能在轉落料管轉折處產生堵料現象，另一方面一部分落料管與豎直方向上的夾角小于30°的設計標準，因而在下落過程中會由于產生的誘導風流過大而形成大量粉塵，具體情況如圖3所示。

圖3 落料管現場狀況

2 鉀肥粉塵無動力除塵技術方案

2.1 鉀肥顆粒接觸模型分析

轉載站運動過程中，鉀肥顆粒之間的接觸力作用包括：切向阻尼力、切向彈力、法向阻尼力、法向彈力，法向彈力可以有效表示顆粒之間的粘彈性特征，其物理模型如圖4所示。

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圖4 鉀肥顆粒接觸力模型

基于赫茲模型的理論，粒子之間相互作用的力學分析如下[7-8]：

(1)接觸模型的切向彈力為

Fτ=Sτδτ

(1)

切向力和摩擦力有關，摩擦力一般被表示為μsFN，FN是顆粒間的法向接觸力，μs為靜摩擦系數。

滾動摩擦系數對于數值模擬很重要，也是決定切向力的重要參數，顆粒接觸面上扭矩可以表示為

Ti=-μrFnRiωi

(2)

μr表示滾動摩擦系數；Ri是顆粒質心到接觸點之間的距離；ωi是接觸點的單位角速度矢量。

(2)接觸模型的法向彈力為

(3)

式中，F粘性力為法向彈性接觸力，γ為表面能。

2.2 轉運站產塵機理分析

鉀肥在轉載站進行密集顆粒流動過程中，由于鉀肥顆粒在運動過程中顆粒粒徑普遍較小，因此在產塵過程中容易受到各種氣流的影響而產生大量的微小顆粒逸散到空氣中，極大增加了周邊環境可呼吸性粉塵的粉塵濃度。因而需要對鉀肥產塵原因進行分析，如圖5所示，將包括碰撞產生氣流、牽引氣流、誘導風流在內的引起粉塵產生的原因進行歸納總結，以便針對性的找到鉀肥顆粒的產塵解決方案。

圖5 轉運站產塵過程

2.3 無動力除塵改造原則

基于對鉀肥粉塵來源機理的認知與傳統鉀肥除塵方案概述，針對現場環境，提出針對于頭部漏斗、導料槽與落料管處無動力除塵設備的設計原則：

(1)設計產品應針對與鉀肥物料本身所具有的顆粒粒徑普遍較小、密度低等特性進行改進。

(2)頭部漏斗改造應考慮密封性，密封材料與現場物料特性緊密結合，減少物料在頭部漏斗處的撞擊強度。設計針對于鉀鹽材料的專用頭部漏斗、頭部護罩，頭部漏斗抑塵簾采用特殊材質。

(3)導料槽設計同樣要注重密封性與抑塵簾材質問題，采用各種手段降低導料槽內部風速與壓強，減小粉塵外溢濃度。

(4)對于落料管的設計，應減少鉀肥在落料管接觸點的撞擊強度，曲線的法線角度與水平夾角不低于60°，落料管截面積與輸送量、帶速、帶寬匹配。

2.4 頭部漏斗改造方案

頭部漏斗除了原有的金屬外殼外，內部設計有鉀鹽專用弧形頭部漏斗、頭部護罩以及專用于鉀肥材料的密封擋簾，頭部漏斗的設計要盡量貼合，針對氯化鉀物料的落料曲線特性，頭部漏斗、頭部護罩裝置貼合氯化鉀物料落料曲線，減小物料與頭部漏斗的沖擊揚塵，頭部護罩與皮帶工作面間布置動態毛細密封抑塵簾，防止粉塵從頭部護罩處外溢，具體設計方案如圖6所示。

(a)設計三維模型

T5轉運站皮帶機輸送的物料為較高溫度的氯化鉀物料，氯化鉀物料又具有易潮解的特性，潮解后極易粘附在設備表面。這就要求選用的擋簾材質具備耐高溫、不粘料、耐磨、強度高等特性。同時，針對氯化鉀物料屬于粉狀顆粒物，選用的密封材料直徑不宜過大，避免自重擊打物料造成的揚塵。

2.5 流線型落料管裝置改造特點

在落料管中鉀肥下落過程中小顆粒受到大顆粒下落過程中所產生誘導風流的影響，而誘導風流來源于密集顆粒流在轉載站中的下落過程中由于高速下落的速度使得周圍空間產生巨大壓差。誘導風流一方面導致鉀肥密集顆粒流外部與顆粒流內部的壓差不一致使得流體粘性力作用顆粒流外層，使其由于旋轉、逸散等原因而產生粉塵；在另一方面，在顆粒流到達下皮帶時誘導風流會產生湍流，帶動鉀肥粉塵逸出造成周圍空間揚塵，如若沒有良好的粉塵控制手段，該部分粉塵是造成周圍空間存在大量粉塵產生的罪魁禍首[9]。

同時考慮到下落過程中因顆粒滾動、碰撞等原因使得顆粒破碎產生的粉塵，該產塵原因由兩部分組成，一部分是顆粒流在下落過程中不斷與落料管碰撞接觸所產生的粉塵，另一部分是由于下落過程中鉀肥顆粒流對轉載站下級皮帶產生了較大的沖擊。

對于落料管裝置進行無動力除塵改造屬于對粉塵產生的根本性治理，通過控制頭部漏斗到下級皮帶之間的鉀肥料流運動狀態，從根本上減少粉塵產生量與落料管中的風速，減少導料槽中的除塵量和下皮帶上的產塵量。

落料管系統主要由3部分組成：頭部漏斗、中間的曲線落料管及落料管襯板、落料管尾部。流線型入口處整體采用合理的異型截面形式設計方案，入口處設計考慮頭部漏斗尺寸。中間曲線落料管的設計應控制曲線的法線角度與水平夾角不低于60°，杜絕堵料現象，減少物料在落料管處的撞擊次數，盡量使得物料與落料管之間充分接觸。落料管出口處具有前傾、收口、擴容、對中的設計特點，落料管模型如圖7所示，落料管下落到下皮帶機的速度約為2 m/s[10-11]。落料管的設計方案一方面起到匯集料流的作用，約束顆粒的流動，減少粉塵的發散，避免料流在落料管中的堆積，預防出現堵料現象，另一方面控制料流的運動速度，使得料流從落料管傳遞到輸送帶的瞬間物料速度與帶速持平，減小鉀肥散料對皮帶的沖擊力，有利于加速鉀肥粉塵的沉降。

(a)鉀肥轉運站落料管仿真

2.6 皮帶機鉀鹽專用密閉式抑塵導料槽

皮帶機皮帶在輸送過程中的運動速度能夠達到2～3 m/s，其產生的牽引氣流也可能會造成堆積在皮帶上的微小的鉀肥顆粒逸散到空氣中。對于牽引氣流引起的粉塵，需要采用專門針對于鉀鹽的密閉式抑塵導料槽。

鉀鹽專用密閉式抑塵導料槽設計系統由全密閉式導料側板與蓋板、材質密封擋塵簾、尾部密封箱、內部擋簾等設備組成，如圖8所示。內部擋簾仍為阻燃、防粘附、大密度材料，盡可能的隔絕鉀肥顆粒所產生的的粉塵，全密封式導料槽為擴容、全封閉式導料槽，采用標準化、模塊化設計。

導料槽設計高度較同型號普通導料槽的高度有所增加，以增大導料槽容積，緩解導料槽正壓，降低導料槽內部的誘導風速，從而達到降低粉塵外溢的現象。導料槽內布置多道動態特殊結構和材質密封抑塵簾，有效降低導料槽內部風速，同時吸附粉塵，達到抑塵的目的[12-13]。

針對于鉀肥顆粒的粉塵粒徑小的特點，導料槽側板與皮帶結合處縫隙導料槽側部采取兩層密封，第一層密封設置動態特殊結構和材質密封件，動態特殊結構和材質密封件動態填補導料槽側板與膠帶結合處縫隙，減少粉塵外溢現象；第二層密封采用Y型防溢裙板，防溢裙板配帶手柄螺桿式夾持器、圓頭固定角鋁進行安裝。Y型密封結構分為裙板和裙耳兩層結構。內外兩層結構均為高分子聚氨酯+天然橡膠一體硫化而成。裙板處與皮帶接觸部分聚氨酯為“J”型結構，保證裙板與皮帶以不同角度接觸的耐磨性能。導料槽側邊皮帶下部支撐采用UHMW-PE托板裝置的對皮帶的連續支撐形式，防止皮帶承載物料時出現的“波浪形”而引起密封效果不佳，特別是針對與物料撞擊時引起的皮帶縱向振動現象。密封材質需要具備耐高溫、不粘料、耐磨、強度高等特性。同時，針對氯化鉀物料屬于粉狀顆粒物，選用的密封材料直徑不宜過大，避免自重擊打物料造成的揚塵。導料槽尾部裝置采用內層阻燃海綿隔板與外層橡膠密封板的設計，提供兩道密封，能有效防止粉塵氣體及物料從尾部導料槽處外溢。

3 鉀肥無動力除塵設備改造前后運行結果對比

本文以青海鹽湖工業股份有限公司鉀肥分公司T5轉運站皮帶機為例，對L305和L306皮帶機頭部、L401皮帶機尾部導料槽及上下皮帶機之間的落料管進行改造，改造后無動力除塵設備運行穩定、密封性較好，無外部溢塵現象，根據相關機構檢測，各部位粉塵質量濃度均下降到4 mg/m3以下，測試不同部位的改造前后粉塵濃度對比情況如表1所示。

表1 改造前后粉塵濃度對比情況

圖9為除塵改造前后對比，如圖9所示，現場鉀肥粉塵堆積狀況有著明顯的改善，設備所需維護時間和清掃量大大減少，改造后外部空間粉塵濃度符合國家標準，現場環境有著巨大的改善。

(a)改造前現場狀況

4 結語

對比傳統的鉀肥除塵方案中除塵設備密封性差、外部空間粉塵濃度過大、現場維護困難等現象，本文設計的鉀肥無動力轉載站除塵設備具有能耗小、維護量小等特點，同時通過加強設備密封性、對落料管中控制料流速度以及減小粉塵產生量，結合導料槽內部的一系列除塵措施，有效治理了現場粉塵的大量逸散并堆積在周圍空間中的情況，使得現場環境得到了巨大的改善，改造后的轉載站符合國家的環保節能要求。