散裝機伸縮段粉煤灰流動特性分析

中電國瑞物流有限公司淮南分公司 畢 波 安徽理工大學機械工程學院 來永斌 王 龍 張文龍

粉煤灰作為發電廢料在化工行業得到廣泛利用，然而粉煤灰的輸送和儲存是一項復雜的研究內容。相比各種輸灰方式，氣力輸灰具有結構簡單、持續大量輸送和抗環境干擾強等優點被大量專家研究。尹莉鈞[1]針對輸灰能耗問題，以貝葉斯理論為基礎進行了單管測模型，分析了粉煤灰的灰氣比和氣流速度對粉煤灰生成的影響，并通過數值模擬結果整合的數學模型對輸灰系統進行優化；萬承軍[2]對正壓輸灰系統進行了系統性的實驗研究，提出了灰氣比及單位能耗與輸送距離間的關系公式，根據所得公式指出輸灰單位能耗隨距離增加而減小。

李志學[3]在管道氣力輸灰中，針對管內介質高速流動磨損管壁導致的問題管道破壞泄露、增加空壓機數量和輸灰用氣的用量的問題，應用了先導式氣力輸灰系統。使用改造的輸送系統在用氣量節約七成的同時節約空壓機的使用數量，從而減少輸灰能耗；叢相州[4]運用實驗和數值模擬研究輸灰管道的彎頭處顆粒磨損的行為，驗證了耐磨堆焊層在管道輸灰中具有更高的耐磨性，使用該方法可大大提高管道的使用壽命；厲復軍[5]為解決布袋排灰堵塞造成的間歇修整問題，通過實驗分析現有的輸灰系統并進行優化，指出增加布袋輸灰管道水平位置和縮短管道距離等措施降低輸灰管道堵塞問題。

劉毅[6]運用實際工程驗證理論和公式推導對正壓濃相輸灰系統進行研究。通過實驗獲取了60個工程數據，并進行公式擬合獲得了管道輸灰管徑與其他因素的數學關系模型，為工程中輸灰管徑設計提供參考；李蔭堂[7]在研究中將灰氣劃分為稀、中和濃相，通過實驗提取中濃度的灰氣的壓降數據，并將大量管道壓降數據擬合成數學模型，該數學模型可表示粉煤灰輸送管道中濃度區的總壓降與阻力系數的關系，通過擬合式可知物料質量流量和灰氣比對阻力系數的影響變化較小；袁寶強[8]采用Tabakoff 沖蝕模型建立灰氣的Fluent 多相流的磨損和沉積UDF 模型，進行灰氣對換熱管束的磨損和沉積數值模擬研究。得出結論包括灰氣對圓管的磨損比橢圓管的磨損大、飛灰粒徑越大對管壁的磨損越嚴重、管的最大磨損在迎風面、較高流速的小飛灰顆粒在背風面的沉積更大等。

以上研究集中在管道中流動損失磨損等問題，從現有文獻看，對工程實際問題中的粉煤灰灌裝漏灰低效率問題鮮有提及，本文通過對實際裝置進行改進，運用多相流理論分析其內部流動特性，最終設計出新型結構，達到“防漏”“高效”目的，解決實際工程問題。

1 模型簡介

粉煤灰罐模型按照實際尺寸進行設置（圖1），由內外管道和灰罐車箱體組成。內管為下料管，外管為吸塵管，吸塵管用于回抽灰罐車內部空氣和少量被空氣帶出的粉煤灰。灌裝管道與灰罐車之間有一段是可伸縮的，用于與灰罐車進料口相連進行灌裝。伸縮段下料管由多個錐環構成，吸塵管為布袋（圖2）。由于在灌裝時各錐環間存在較大間隙，粉煤灰在下落過程中從間隙被吸塵管回抽到上部的布袋除塵器中（圖3），不能完全落入灰罐車箱體，造成灌裝效率下降、吸塵風機功率增大、布袋除塵器使用壽命降低。同時過多的回抽粉煤灰造成灰罐車內壓增大、導致冒灰現象產生，且在伸縮段提升過程中產生漏灰，造成環境污染。為提高工作效率、減少粉煤灰逃逸量，本文建立三種不同的散裝機伸縮段結構模型（圖2、圖4、圖5），通過數值模擬，分析粉煤灰在不同結構裝置內的流動狀態，確定滿足工作要求的優化結構，解決實際工程問題。

圖2 原伸縮段結構示意圖

圖3 原始裝置粉煤灰流動圖

圖4 密封收縮內伸結構

圖5 密封收縮平口結構

流場邊界條件以及參數設定。入口邊界條件：采用質量流量入口90kg/s；出口邊界條件：流場域的出口設定為壓力出口，為觀察粉煤灰在內外管道內的逃逸量。設置為負壓，數值為-200Pa；壁面條件：內外管道壁面及罐車箱體設定為無滑移壁面。以上邊界條件具體設定如圖6所示。本文采用Mixture 混合模型，相數為2，分別為粉煤灰和空氣，模型劃分采用四面體網格進行劃分，網格單元總數近200萬（圖7）。

圖7 網格劃分圖

2 數值模擬分析結果

2.1 不同結構的粉煤灰速度分布對比

圖8～10為不同模型下粉煤灰速度分布圖，圖8速度分布可知，在粉煤灰下降過程中，原始模型由于收縮內管的存在使得下降速度有所變化。不同于在直管中自由下落，粉煤灰顆粒在錐環間隙處積聚，從而使得下降流量降低，影響粉煤灰實際生產輸送量。圖9～10為提高粉煤灰灌裝效率和減少粉煤灰逃逸設計的模型，模型采用向下收縮結構，錐環直徑不斷減小，當散裝頭與灰罐車進料口接觸時，下料管下落伸長、上級錐環內壁和下級錐環外壁貼合，錐環之間不存在間隙，杜絕了粉煤灰在下落過程中被回抽到吸塵管，與原始模型相比灌裝效率明顯提高。

圖8 原始模型粉煤灰速度分布圖

圖9和圖10的模型下料管出口長度不同，改變了粉煤灰在管道末端的流動狀態。從粉煤灰進入罐車的速度分布來看，內伸模型要大于平口模型，從流量的角度可更快地完成灌裝工作。兩種模型在吸塵管均沒有粉煤灰逸出，相對于原始模型灌裝效率都得到提高。圖9所建立的模型結構更能滿足使用要求。

圖1 粉煤罐裝示意圖

圖9 密封收縮內伸模型粉煤灰速度分布圖

圖10 密封收縮平口模型粉煤灰速度分布圖

2.2 不同結構的粉煤灰體積分布對比

圖11～13為不同結構模型的粉煤灰體積分布圖。通過粉煤灰在流動過程中的體積分布，可直觀看出粉煤灰分布的具體位置。圖11為原始模型的粉煤灰體積分布，粉煤灰在下降過程中，經由錐環外溢較多，由于內外管道間壓差的存在會造成外溢的粉煤灰擠壓至吸塵管出口處，這樣會導致粉煤灰灌裝效率降低。

圖11 原始模型粉煤灰體積分數分布圖

圖12和圖13為改進模型后的粉煤灰體積分布。由圖可知模型結構采用密封結構時，粉煤灰在內外管道間距內的體積分數明顯減少，粉煤灰溢出量很少。改進后的模型均在內管道末端出現粉煤灰“噴射散開”現象。圖14為局部放大的密封收縮模型粉煤灰體積分數分布圖，為更好地對比粉煤灰逃逸情況，把體積比率設置為0～0.15之間，從圖中可清晰看出內伸模型在吸塵管內幾乎不存在粉煤灰，而密封平口模型會存在一定量的粉煤灰從吸塵管進口逸出，其值約在0.035，但仍優于原始模型。從圖14(a)和(b)對比可知，在單位時間內密封內伸模型的粉煤灰灌裝效率最高。密封收縮內伸模型既杜絕了粉煤灰經由錐環間距的回抽現象、控制粉煤灰的逃逸，又提高粉煤灰的灌裝效率、降低了生產能耗。

圖12 密封收縮內伸模型粉煤灰體積分數分布圖

圖13 密封收縮平口模型粉煤灰體積分數分布圖

圖14 密封收縮模型粉煤灰體積分數分布圖(局部放大)

3 結論

本文利用數值模擬方法對不同結構的散裝機伸縮段粉煤灰灌裝過程進行分析，通過對比三種結構，分析結論如下：對于原始模型結構，粉煤灰在灌裝過程中存在粉煤灰回抽現象，較多粉煤灰從吸塵管進入布袋除塵器內，造成灌裝效率下降，除塵布袋的使用壽命降低；密封收縮內伸模型的設計既杜絕了粉煤灰經由錐環間隙的回抽現象、控制粉煤灰的逃逸，又提高了粉煤灰的灌裝效率、降低了生產能耗，對實際生產具有很大的實用價值。