轉載溜槽控塵結構優化及其機理分析

陳曉玲， 張永星

(1.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區工學院， 克拉瑪依 834000； 2. 中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院， 北京 102249)

散料連續運輸系統一般由輸送機與轉載溜槽等部分組成，廣泛應用于礦業、冶金、煤炭、化工等領域。轉載溜槽在整個散料連續運輸系統中占有非常重要的地位，但同時又是整個物料連續運輸系統中最薄弱的環節，現場常常會出現堵塞、撒料、磨損、跑偏以及噪聲和粉塵等問題[1-3]。因此，轉載溜槽的性能不僅對輸送系統的效率有重要影響，而且對整個散裝物料處理廠的粉塵排放水平也有重要影響。設計合理的轉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備所增加的設備費和運行費用[4]。因此，如何在轉載溜槽的設計階段進行合理的抑塵結構設計，滿足日益提高的環保要求，受到越來越多的關注和重視[5-8]。

隨著計算機計算能力和數值模擬技術的發展，數值模擬方法已經廣泛地應用于轉載溜槽的研究和設計。宋偉剛等[9]采用離散元方法對直線型、折線型和曲線型轉載溜槽進行了研究，發現變曲率溜槽結構傳輸效果最好；葉濤等[10]采用離散元方法對轉載溜槽的結構進行了優化研究，證明離散元方法可以有效輔助溜槽的結構設計；孫宏發等[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動規律及流場特性，發現隨著顆粒質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顆粒的運動規律；賈蘭等[13]采用溜槽物料牽引流、落料誘導氣流和剪切氣流理論對溜槽系統內粉塵顆粒的擴散規律和運動軌跡進行了研究；侯紅偉等[14]采用歐拉-拉格朗日方法對溜槽結構對粉塵顆粒的濃度的影響規律進行了研究，發現轉載溜槽結構中的傾角取值與長寬比取值對溜槽出口處的粉塵濃度值具有一定的關聯關系。陳記合等[15]采用相似性原理，運用Fluent軟件對道內粉塵濃度分布進行了模擬，得出不同監測面粉塵濃度隨時間變化規律；林子杰等[16]等對轉運溜槽處除塵器吸風口和封閉罩聯用的除塵效果進行了研究，指出轉運溜槽除塵系統除塵風量應大于皮帶運轉時的誘導氣流流量；杜善周等[17]采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件對大采高綜采工作面粉塵運移分布規律進行數值模擬研究；Wang等[18]基于CPFD軟件和相似實驗的高溜井多級卸料粉塵污染可視化研究。 雖然上述研究表明數值模擬方法，特別是粉塵釋放模型(dust production model，DPM)，在粉塵運移規律方面具有便于觀察流場和粉塵濃度場的變化規律等優點，但采用DPM模型的研究忽略了真實物料中的大顆粒，特別是毫米級別以上顆粒對整個流場的影響。另外，數值模擬只能定性地對顆粒運移規律進行研究，在粉塵產生和逸散的定量研究方面具有一定的局限性，更多地依賴于實驗。而目前對不同溜槽結構的塵發機理方面的研究及相應的控塵效果的定量實驗研究較少，對轉載溜槽的控塵結構設計尚缺少必要的實驗支撐。

因此，現采用實驗結合數值模擬的方法，以某一現場存在粉塵問題的轉運站溜槽為研究對象，基于經驗和原理給出4種溜槽的優化方案。通過比例模型實驗研究，定量地分析不同溜槽結構的控塵效果，并結合數值的結果對不同結構的控塵機理進行分析。

1 結構優化

將現場所使用的現有溜槽命名為溜槽A，在此基礎上根據溜槽的設計經驗和理論進行了4種結構的優化設計，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的設計是通過在出口處上部加上一個可拆卸的蓋板，以便更好地控制含塵空氣從溜槽噴出的方向而實現控制粉塵排放的目的。該設計是4個設計方案中最為經濟和簡單的設計，圖1(b)顯示了安裝在比例模型轉載滑槽上的可拆卸蓋板。

溜槽C的設計是通過在溜槽的出口處安裝一個長0.68 m、高0.28 m的粉塵沉降室，并在沉降室內間隔90 mm交錯布置防塵簾[18]，從而降低空氣流速實現粉塵沉降的目的。在4個設計方案中，該設計在改造成本和方便性方面僅次于溜槽B的設計，圖1(c)顯示了安裝在比例模型上用于試驗的粉塵沉降室。

圖1 不同結構的轉載溜槽Fig.1 Transfer chute with different structures

溜槽D是在溜槽B的基礎上通過在溜槽的垂直下落段加入一個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，實現降低粉塵排放的目的。該方案在設計時根據預期的物料速度和噸位，綜合考慮到噸位激增和細粒或濕物料結塊，以及開口太小會導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中限流板的所有優缺點，在設計的幾個方案中具有最佳的控塵效果預期。

2 實驗測量

2.1 實驗測量方法

為了確定不同結構溜槽在抑制粉塵排放方面的效果，對不同的溜槽結構進行了實驗室測量。現場工業溜槽的處理量約為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，根據相似原理等比例縮小5倍后得到實驗室模型溜槽的垂直下降段為1.28 m，寬為0.16 m。將溜槽置于一個密閉的大木盒中，用煤作為物料對包括原溜槽在內的5種溜槽定量地測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入，流經溜槽后，被溜槽底部的皮帶運出。在物料的整個傳輸過程中，由于落差物料會在溜槽出口處排放粉塵。待密閉木盒內的粉塵沉降30 min后，將木盒內各個測量區域沉積的粉塵回收進行稱重，實驗裝置簡圖如圖2所示。

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

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

2.2 實驗物料

由于粉塵的排放水平與物料的組成和濕度直接相關，所以在實驗中用同一批無煙煤作為實驗物料，并在連續幾天環境濕度基本相同的條件下進行實驗，測試期間無煙煤的濕度維持在2.0%～2.3%。實驗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 實驗物料的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of experimental materials

3 數值模擬

離散元方法(discrete element method，DEM)已經被廣泛地用于轉載溜槽的輔助設計[9-10]，但該方法的局限性限制了其在轉載溜槽粉塵排放方面的應用。計算流體力學(CFD)中基于平均控制體積內動量和連續方程的雙流體(two-fluid model，TFM)模型將固體顆粒看成連續相，可較為經濟地獲得相對準確的流場，繼而定性地分析和研究溜槽內粉塵的影響因素和排放水平[19-21]。因此，采用TFM模型對不同的轉載溜槽進行了數值模擬，TFM模型中的關鍵模型選取如表1所示。

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

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

4 結果討論

4.1 粉塵排放水平

為了確保實驗結果的有效性，對不同溜槽結構分別進行了5次粉塵排放水平的重復測量，測量的平均值見表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332.05 g，是溜槽E所產生的粉塵量近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域來看，各個溜槽的粉塵排放都主要分布在區域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主要原因是一些大顆粒飛濺入溜槽正前方的粉塵收集區域。為了減小大顆粒對結果準確性的影響，將大于1 mm的顆粒剔除，并以溜槽A為基準，不同溜槽的粉塵排放水平見表3。

表2 不同溜槽各區域的排放量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，粉塵質量的變化主要發生在區域D，其余區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，分析篩無法進行粒度分析，故只對溜槽A、溜槽B、溜槽C、溜槽D所收集到的剔除1 mm顆粒后的粉塵進行了粒度分析，如圖4所示。

從圖4中可以看出，4個溜槽中，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相應的占比則分別為80.62%和79.70%。

圖4 不同轉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 控塵機理

溜槽內的流場與粉塵的產生息息相關。通過TFM模型獲得溜槽內的流場分布，繼而分析不同結構的溜槽對粉塵產生的抑制機理。不同結構溜槽內氣相和固相的流動分布情況如圖5所示，溜槽頂部敞口處的壓力分布如圖6所示。

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

圖6 不同轉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的面積較溜槽A明顯增大，旋渦區能有效降低氣流的速度，占據溜槽內的空間，從而減少進入溜槽內的誘導氣體。溜槽內的誘導氣流主要是由溜槽頂部的敞口進入，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入溜槽隨著顆粒流下落成為誘導空氣流。但實驗結果卻表明，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的面積相對于整個溜槽的面積還是相對較小，旋渦區的影響有限。所以，溜槽B出口攜帶的粉塵相比原來的設計溜槽A并沒有明顯減少，但實驗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。

對比溜槽A和C，發現粉塵沉降室可以顯著地減少粉塵的排放量，測得的粉塵水平降低了72%。從圖5(c)可以看出，沉降室內交錯排布的擋塵板起到了節流的作用，能夠降低攜塵氣體的速度，當氣體流速低于部分粉塵顆粒的懸浮速度時，這部分粉塵會脫離氣體自然沉降回落至物料表面；同時還可以看到，由于交錯排布的擋塵板會使氣體在流通面積突然變大時形成漩渦，從而導致溜槽內氣體壓力積聚，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入溜槽的空氣量，降低含塵氣體的排出量，實現降低粉塵排放的目的。

對比溜槽B和D的粉塵排放量，發現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，從而減少進入物料的誘導氣流，實現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入溜槽D內的誘導氣流明顯減少。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料溜槽的底部，形成沿導料溜槽底部的流線型流動，與實驗現象一致；從圖5(d)還可以觀察到溜槽D出口的上方形成了一個旋渦區，其面積約為溜槽B相同位置處旋渦的兩倍，該旋渦區有效地降低了流出氣體的流速和流量，從而進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進一步放大，能在很大程度上降低誘導空氣流和剪切壓縮氣流，從根源上降低粉塵的產生，繼而達到低粉塵排放的效果。

5 結論

基于現場溜槽結構存在粉塵嚴重的問題，提出了4種解決溜槽粉塵排放問題的優化結構；然后對各個結構進行了模型試驗并測量了粉塵排放水平。實驗結果表明，合理的溜槽結構設計可以顯著減少粉塵的產生和排放。最后，結合數值模擬結果，對各結構的控塵機理進行了分析，獲得以下結論。

(1)對5種不同溜槽結構進行了粉塵排放水平的實驗室測量。通過比較溜槽A和溜槽B的結果，發現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的結果表明，內置交錯排布擋塵板的粉塵沉降室可以有效地降低溜槽出口速度，并形成內部蓄壓，減少空氣進入，能將原溜槽的粉塵排放水平降低72%。

(3)溜槽D的結果表明，在溜槽垂直段引入限流板，能有效減少誘導氣流和剪切氣流，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生粉塵的誘導氣流和剪切氣流，并且一部分粉塵會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%。