圓管帶式輸送機轉運站內部粉塵流動模擬研究

李昕健，蘇金輝，廖輝，沈國良，牛凱

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 361000）

傳統圓管帶式輸送機轉運站內過渡段膠帶處于張開狀態（見圖1），雖然倒導料槽能有效減小物料在下落到膠帶過程中引起的揚塵，但是對于碰撞后產生粉塵較多的物料（如煤灰），在物料隨膠帶離開導料槽后仍然會因為自身或轉運站外部的氣流產生大量揚塵，揚塵不僅會造成轉運站內部及周圍環境的污染，還可能會導致粉塵爆燃造成安全事故[1]。管帶機過渡段的揚塵問題始終困擾著用戶。

圖1 管帶機過渡段

通過Fluent 流體仿真軟件對落料管至膠帶段的粉塵顆粒進行擴散模擬計算，通過仿真的手段揭示粉塵的擴散路徑，并采取有效防治措施。

1 粉塵擴散模擬仿真

1.1 離散相模型（DPM）及物料性質

DPM 是Fluent 中一種用來描述非連續相的求解模型，粉塵在物理模型上定義為固體，他不具備流體的連續性[2]，故流體的求解模型無法適用于求解固體粉塵顆粒在氣流中的運動。DPM 是一種耦合了流體運動來表帶自身運動的求解模型，它使用歐拉法來描述流體運動，又運用拉格朗日法來描述顆粒在流場的運動。DPM 區別于其他離散相模型，它的使用范圍是顆粒的體積分數小于10%，同時不考慮顆粒體積和顆粒之間的相互作用力，顆粒自身運動受流體影響，對于轉運站內的粉塵顆粒模擬是一種非常實用的求解模型[3]。

物料料性的標定是DPM 仿真最為核心的一部分，也關系到最終仿真結果的準確性。粉塵物料性如圖2所示。FLUNET 的材料庫中收入了大多數粉塵的物料性，本研究采用實際工程中最易引起揚塵的煤灰作為仿真對象，煤灰的顆粒大、密度較高，在轉運站中容易沉降。

圖2 粉塵物料性

1.2 轉運站三維建模

建模對象為某廠區內部的試驗線管帶機尾部轉運站，保留二層轉運站的窗口作為外部氣流進入的入口。轉運站內部見圖3。

圖3 轉運站內部

對內部的落料管、導料槽、膠帶和過渡段支架進行建模（見圖4）。轉運站內部空間體積為實際二樓體積，整個落料系統的頭部漏斗位于三樓，其余部件均位于二樓轉運站內。建模時增加防塵罩，用于仿真對比有無防塵罩的抑塵效果。

圖4 轉運站三維建模

1.3 邊界條件設置

DPM 是根據流體相的歐拉方程耦合顆粒相的拉格朗日方程的求解模型[4]，故在Fluent 中，需開啟描述流體相的湍流模型。湍流模型選用常規的Κ-ε模型，其中求解方程選用RNG 模式，進口氣流（主要是空氣）流速根據顆粒運動仿真軟件ROCKY[5]，計算得出煤塊最后落至膠帶上的速度為2—3m/s，煤塊揚起煤塵速度約為0.5m/s，因此換算出此時進口流速（FLUENT DPM 顆粒需要“搭乘”流體速度進行運算），本研究還測量了廠區內轉運站外部側風并將其作為一個影響因素進行模擬對比，根據實際測速儀監測的風速，計算得出轉運站側墻窗口的風速約為0.7m/s。

2 仿真結果及分析

本研究設4 組模型進行仿真對比，同時向頭部漏斗處釋放7×106個左右的煤灰顆粒，其中，1、2 組為有導料槽無防塵罩和有導料槽有防塵罩；3、4 組為有導料槽無防塵罩有側風和有導料槽有防塵罩受轉運站外部側風影響。

轉運站內截取4 個面，計算每個截面上的煤灰顆粒濃度和煤灰顆粒逃逸數量，如圖5 所示。

圖5 轉運站截面示意圖

轉運站內部灰塵濃度云圖如圖6 所示，濃度云圖順序為圖5 中1、2、3 截面的順序。

圖6 轉運站內部灰濃度云圖

從圖6（a）和（b）可知，無論有無防塵罩轉運站內部整體煤灰粉塵分布集中在導料槽口處，導料槽能很好抑制煤灰粉塵在接觸膠帶后向四周擴散。對比三個截面煤灰濃度可知，有防塵罩可以更好地將煤灰粉塵集中在防塵罩內。

但是如圖6（b）截面所示，在膠帶中段處還是會有一部分粉塵向外泄漏。對比圖6（a）和（b）可知，增加防塵罩的粉塵運動集中在防塵罩內，能很好地防止粉塵向四周擴散。

為探究在實際工況下，轉運站內部真實的粉塵情況，對仿真模型增加了外部風力影響。

增加側風后仿真結果如圖7 所示，其中圖7（b）為圖5（b）中的截面4。

圖7 轉運站內部灰濃度云圖

由圖7（a）可知，在有側風的情況下，防塵罩內部的煤灰粉塵運動軌跡開始變得雜亂，粉塵受側向風力影響，截面1 處的粉塵濃度相較于圖6（b）明顯增多。從圖7（b）可以看出，粉塵在離開導料槽后馬上受到風力影響而擴散，此時粉塵在轉運站內部的擴散情況符合實際工況下粉塵的分布情況。

為更清楚體現防塵罩對煤灰在轉運站內部的分布影響，在轉運站膠帶出口和導料槽內設置顆粒數量監測點，煤灰顆粒經過出口定義為向外逃逸，導料槽內部定義為殘留煤灰顆粒，本次仿真共釋放約7×107個粉塵顆粒，顆粒總數量=傳送帶煤灰數量+導料槽內部煤灰數量+在轉運站內漂浮數量。

從下表可知，在有防塵罩的情況下，無論轉運站內部是否受到測風影響，轉運站內部逃逸的煤灰數量都大于無防塵罩的情況，特別是在受到外界風力氣流影響下。這是由于增加防塵罩后，煤灰顆粒會集中在防塵罩內部，大部分煤灰顆粒會沉降在膠帶上隨著膠帶成管狀后離開轉運站，沒有沉降在膠帶上的煤灰顆粒也會隨著防塵罩引導直接從過渡段出口離開轉運站。

仿真過程煤灰顆粒分部情況

3 結語

圓管帶式輸送機僅靠導料槽只能抑制物料從落料管出口的揚塵；導料槽出口至成管段之間的物料受轉運站外部風力氣流影響很容易造成二次揚塵；通過在過渡段安裝防塵罩能在很大程度上抑制外界氣流引起的二次揚塵，同時未沉降的粉塵顆粒也能順著防塵罩排放至轉運站外部。

綜上，在管帶機過渡段安裝防塵罩，不僅能減少揚塵，還能使粉塵按一定方向排出轉運站，有效減少了轉運站內部的粉塵濃度，有效降低轉運站內部的粉塵污染和爆燃風險。