基于氣固兩相流仿真的散料輸送過程粉塵控制研究

王新偉，黃榮

（1.陜西榆林能源集團楊伙盤煤電有限公司，陜西 榆林 719316；2.廈門三燁清潔科技股份有限公司，福建 廈門 361022）

隨著離散元理論的不斷進步和發展，離散元方法和基于有限體積法的流體力學相結合的相關理論計算方法被廣泛應用在顆粒學領域。本文基于氣固兩相流耦合仿真為導料槽內部空間風速的分布情況提供了有效的觀測方法。通過對楊伙盤電廠T5轉運站的結構設計、安裝與現場實際測量，結合仿真實驗進行對比，對散料輸送領域設備結構的設計起到很好的輔助作用。

1 轉載站氣固兩相流仿真原理概述

1.1 離散元仿真原理概述

離散元法是用來解決不連續介質問題的數值模擬方法，其最初通過將分子動力學方法引入散狀顆粒群的計算過程。經過40年的發展，同時隨著計算機性能的快速提高，離散元仿真能力已經從二維模型、顆粒數目為1000個左右，發展到可以處理至少數千萬三維顆粒。基于轉載站現場散料輸送過程，由于顆粒受到的應力遠小于屈服極限，因此，顆粒之間的接觸屬于純彈性接觸。顆粒接觸過程中法向力和切向力都具有包括彈性力和阻尼力。接觸模型示意圖如圖1所示。

在離散元仿真中，法向阻尼力Fdn被定義為。

式中，m*為等效質量，β為彈性系數，Sn為法向剛度，是兩個相鄰顆粒相對速度的法向分量。

法向彈性力nF如下式所示。

式中，δn是法向重疊量，E*為等效彈性模量，R*為等效半徑。切向阻尼力d

tF和切向彈性力tF如下。

St為切向剛度為兩個相鄰顆粒相對速度的切向分量，δt為切向重疊量。

同時，要考慮到顆粒的轉動過程，其轉動過程中兩個顆粒之間的接觸面扭轉力 Ti為： Ti=-μrFnRiωi。

μr為滾動摩擦系數，Ri為顆粒接觸點到顆粒重心的距離，iω為顆粒在接觸點的單位角速度矢量。

1.2 流體仿真原理概述

在流體仿真中，其數值模擬方法是基于有限體積法，通過網格劃分計算，以單一網格節點借助納維斯托克方程進行微分形式下的求解。對于轉運站流體仿真過程，其屬于不可壓縮流體，所應用的密度為常數的不可壓縮納維斯托克方程組為：

2018年8月18-19日，西南房車精英賽第二站在成都國際賽車場圓滿落幕。ENEOS引能仕攜手BRS車隊再次亮相西南房車精英賽，BRS車隊在比賽中以出色的表現吸引了現場無數雙眼睛，通過數輪激烈爭奪，BRS車隊依然保持著上一站的優勢，滿載而歸。BRS車隊中的領軍車手——鐘笑非不負眾望以超跑組第一名的成績奪得冠軍。來自日本的高級潤滑油品牌ENEOS引能仕在現場也為其他車隊和車手助威加油。ENEOS引能仕關注國內外各大賽事，旗下的SUSTINA速馳耐系列潤滑油產品更是獲得了全國車友的認可，在潤滑油市場上獲得了很高的美譽度。

其中V為速度，式（5）表示速度散度0，代表質量守恒，式（6）表示動量守恒方程，p為壓力屬于約束變量，從純動力學出發進行計算，動力學與熱力學壓力并不等同，在此基礎上進行相關流體仿真。

2 轉運站粉塵各部分抑塵原理分析

在散料輸送過程的轉載站設計中，導料槽是粉塵從工程設備內部向外部逸出的主要部位，因此，為了抑制粉塵逸散，需要對各部分轉運站結構進行分析，確定對內部風速進行有效控制以抑制粉塵產生的結構，并為轉運站特別是導料槽部分除塵設備改進提供設計依據。本文的設計是基于某地電廠T3轉運站為例進行轉載散料運動過程研究。

2.1 轉運站總體方案設計

根據現有的轉運站結構模型對仿真模型的建模提供參考，對楊伙盤電廠T5轉運站進行設計，分為三部分，分別為頭部漏斗、落煤管、導料槽。落煤管和頭部漏斗兩部分粉塵的控制主要注重減小粉塵量的產生于減小內部空間的風速，對于導料槽部分的粉塵控制最重要的是通過阻隔粉塵大量逸出以及減小內部風速。轉運站內部風速的受到皮帶誘導風流、顆粒高速下落帶動的擾動氣流，與工程設備碰撞過程中產生的氣流等因素的影響，轉運站結構示意圖如圖2所示。

圖2 轉運站結構示意圖

2.2 頭部漏斗現有抑塵結構分析

頭部漏斗的結構設計如圖3所示，其具體設計內容包括頭部集流護罩、外部結構設計、回程清掃裝置、內部擋簾，其中內部擋簾阻隔粉塵大量逸出。

圖3 防堵頭部漏斗三維圖

對于頭部漏斗設計，為了抑制粉塵的大量逸散，目前的頭部漏斗沖刷面與物料拋物曲線貼合設計，避免了物料流與耐磨襯板的沖擊，改為沖刷形式。頭部護罩置于滾筒中心，緊貼料流以避免顆粒飛濺產生粉塵。現場應用的頭部漏斗如圖4所示。

圖4 現場頭部漏斗圖片

2.3 落煤管現有抑塵結構設計

圖5 落煤管現場圖片

2.4 導料槽現有抑塵結構設計

現有的導料槽設計中如圖6所示，導料槽包括側面密封(圖6a和圖6b)及添加各項除塵降塵設備(圖6c)。導料槽作為粉塵的溢出部位，一方面，通過降低帶動粉塵的氣流速度促使粉塵顆粒快速沉降，該方法通過圖中的循環裝置以及擴容室實現；另一方面，通過設計阻隔粉塵的裝置降低粉塵在外部逸散的濃度，該方法通過泄壓器、阻尼簾和內部結構中的側邊密封裝置實現。

圖6 現有導料槽結構設計

3 改進結果

為了減小散料輸送過程中的粉塵逸出情況，對于現有模型進行改進。思路有以下三個方面：第一，對散料輸送過程中內部截面積進行擴容；第二，對落煤管和頭部漏斗部分設計改進，確保各部分設計結構中顆粒運動所引起的風速降低，湍流能量減小；第三，對導料槽處粉塵泄漏點進行封堵。

下面將對目前現有的抑塵結構并進行及簡要的分析。在對現有的散料輸送過程中的粉塵控制工程結構進行分析的過程后，對現有的方案進行改進，從理論分析出發，使得轉運站各部分的結構設計下的粉塵控制效果更好，溢出到外部空間的微小顆粒濃度更少。

3.1 改進方案分析

基于目前通用的轉運站結構設計，對目前散料輸送過程中風速分布情況進行探究，采用離散元仿真和流體仿真耦合的方法對皮帶轉載過程的風速分布情況進行研究。在耦合仿真中，軟件將離散元仿真中的顆粒信息輸入流體仿真軟件中，在下一步迭代中流體仿真軟件中的仿真信息輸入到對應的離散元仿真中，最終獲得的穩定狀態下的轉運站的氣固二相流仿真工況如圖7所示。

如圖7（a）和圖7（b）所示，速度云圖和湍流能量中落煤管尾部到導料槽部分的風流速度最大；在頭部漏斗部分，速度有一個速度較大的云圖分布，湍流能量呈現；在導料槽中其湍流能量和速度在導料槽中逐漸減小。在圖7中的仿真基礎上，擴大截面積以及改變出口處的顆粒速度確定其對導料槽內部空間中速度的影響。在導料槽相同位置處不同截面積下的氣流速度云圖如圖8（a）和圖8（b）所示，在落煤管出口處不同顆粒速度帶動的氣流速度云圖如圖8（c）和圖8（d）所示。根據圖8所示，截面積越大，顆粒在出口處的速度越小，導料槽各部位的氣流風速越小。

圖7 氣固二相流仿真結果

圖8 不同截面積與顆粒下落速度對氣流速度的影響

在目前對粉塵控制的工程設備的研究中，將對原有的結構進行進一步的優化和改進，分別通過阻隔粉塵逸散和擴大內部容積以降低粉塵流速等方法對粉塵進行控制。

3.2 頭部漏斗改進設計

在頭部漏斗部分，應確保顆粒的拋料軌跡貼合集流護罩的曲線，根據物料運動軌跡在橫水平方向和豎直方向的方程分別如式（7）、式（8）所示：

其中v為帶速，β為皮帶運行方向與水平方向之間的夾角，g為重力，t為下落時間，R為滾筒半徑。需要說明的是皮帶速度的限制條件為

根據計算獲得的軌跡曲線，對頭部集流護照的區間進行造型設計，顆粒卸料軌跡路線如圖9所示。該部分的優化使得顆粒運動引起的風速降低，湍流能量減小。

圖9 設計獲得的軌跡曲線

3.3 頭部漏斗改進設計（圖10）

圖10 頭部漏斗改進設計

在上述對落煤管的設計中，落煤管整體為流線型。本文在此基礎上將最后一截落煤管設計為前傾、收口，有效地保證物料平穩著帶，避免物料落料不正，降低落料點處氣壓，減小誘導風流在導料槽內部的風速大小。

3.4 導料槽改進設計

導料槽設計高度較同型號普通導料槽的高度上增加高度，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。相對傳統導料槽結構，各個帶寬導料槽高度增大200mm。

4 結語

基于氣固兩相流仿真的研究，在對現有散料輸送過程中，轉運站各部分抑制粉塵的基礎上，通過對粉塵抑制方法的總結并通過計算機計算驗證，對現有的方案進行改進。從理論分析出發，發現通過控制顆粒流速與控制導料槽截面積可以有效減小導料槽部位粉塵泄漏的濃度大小，分別增加導料槽整體的截面積，通過優化落煤管最后一節的結構，從理論計算出發，使得料流貼合與工程設備接觸面等方法減低氣流速度，使得空間中的氣流湍流能量減小以確保實際生產過程中的外部空間粉塵濃度降低。