1 項(xiàng)目背景

輸煤系統(tǒng)的塵源主要是輸煤皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)站產(chǎn)生大量揚(yáng)塵造成的。物料在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中由于顆粒之間的相互碰撞劇烈，因此產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，細(xì)小的粉體顆粒在氣流的帶動(dòng)下隨風(fēng)擴(kuò)散。

若轉(zhuǎn)運(yùn)站中采取的除塵裝置除塵效果不理想，就會(huì)造成大量的粉塵外逸到作業(yè)環(huán)境中，達(dá)不到國家對(duì)粉塵規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；更為嚴(yán)重的是伴隨著多種潛在危害，例如危害工人健康，造成礦井事故，加大設(shè)備磨損，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害等。

項(xiàng)目模型

2 仿真方案

物料在轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)散狀物料和空氣、粉塵相互作用的復(fù)雜多相流系統(tǒng)，單純的使用離散單元法或者應(yīng)用流體力學(xué)方法并不能完全描述轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此需要使用DEM-CFD耦合的方式來研究轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)誘導(dǎo)風(fēng)的分布情況。

氣固兩相流模擬轉(zhuǎn)運(yùn)站導(dǎo)料槽誘導(dǎo)風(fēng)的仿真具有顯著優(yōu)勢，相比昂貴且耗時(shí)的物理實(shí)驗(yàn)，仿真成本低廉且高效，能在計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜流動(dòng)過程。此外，仿真能夠靈活地測試不同操作條件和設(shè)計(jì)參數(shù)，為工程提供便捷手段進(jìn)行多方案比較、優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

3 仿真結(jié)果與分析

通過EDEM和AcuSolve耦合仿真，模擬物料以2.8 m/s初速度進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)站，在管內(nèi)與空氣的相互作用情況。

計(jì)算中，5 s時(shí)：物料顆粒通過轉(zhuǎn)運(yùn)管道剛進(jìn)入導(dǎo)料槽，并將卸載到受料輸送帶上；10 s時(shí)：物料顆粒完全通過受料皮帶，離開計(jì)算域；10 s后的物料顆粒穩(wěn)定分布在轉(zhuǎn)運(yùn)站。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得到各工況在20 s時(shí)的物料顆粒和氣流的速度結(jié)果。

分析擋塵簾與泄壓閥的抑塵效果

備注：擋塵簾和泄壓閥作為抑塵裝置，裝備擋塵簾時(shí)，間隔2m/個(gè)

3.1 無抑塵裝置

如上圖3.1(a)所示，是無抑塵裝置20 s時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)氣體流場速度矢量圖，對(duì)比圖3.1(b)物料在管道和導(dǎo)料槽的分布可以明顯看到：轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)受料面和背料面存在高速區(qū)，而相應(yīng)的高速區(qū)中間又有一部分低速區(qū)，分析可知這是氣固兩相流作用下形成的氣體旋渦。

物料顆粒群在進(jìn)入管道初始，沿曲線管道運(yùn)動(dòng)的物料顆粒群會(huì)帶著顆粒間隙中的氣體以及緊挨著顆粒群的氣體流動(dòng)，形成誘導(dǎo)氣流，流場在類離心力的作用下，會(huì)形成旋渦；當(dāng)物料顆粒在重力作用下，從一段曲線管道末端位置跳躍式過渡到下一段管道的時(shí)候，物料顆粒和夾雜在顆粒群之間的氣體會(huì)有分離，并且此時(shí)流體通道截面積減小，物料對(duì)誘導(dǎo)風(fēng)的流通有一定的阻礙作用，因而會(huì)進(jìn)一步促使相應(yīng)位置旋渦流場的形成。

3.2 擋塵簾

由圖3.2(b)含擋塵簾裝置時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)氣體流場速度矢量圖可以觀察到，導(dǎo)料槽擋塵簾之間出現(xiàn)多個(gè)氣體旋渦。由相關(guān)研究可知，由于撞擊改向而形成的旋流存在有利于減少揚(yáng)塵的產(chǎn)生。

無抑塵裝置時(shí)，物料落入受料輸送帶后，導(dǎo)料槽內(nèi)部氣流速度最大值出現(xiàn)在導(dǎo)料槽出口處，導(dǎo)料槽出口氣體的速度為2.41 m/s，接近受料輸送帶的運(yùn)行速度。在裝備擋塵簾后，顆粒群和氣流在導(dǎo)料槽中擋塵簾的作用下，形成了分布合理的旋渦流場，使得導(dǎo)料槽內(nèi)的氣體流動(dòng)速度更加平緩，出口平均速度下降至1.68 m/s，可以有效降低粉塵往外噴發(fā)的現(xiàn)象。

3.3 泄壓閥

裝配泄壓閥后，從圖3.3(b)可以看到，大量氣體從泄壓閥出口處逸出。矢量箭頭的大小可以反映氣體流量，在導(dǎo)料槽裝配泄壓閥后，出口流量減少，可以降低誘導(dǎo)風(fēng)帶出的揚(yáng)塵。

整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)，管道中誘導(dǎo)風(fēng)速最高，接近物料下落速度，在無抑塵裝置時(shí)，最高氣體流速為4.65 m/s，含抑塵裝置擋塵簾和泄壓閥時(shí)，管道內(nèi)的最大風(fēng)速為4.48 m/s，導(dǎo)料槽出口平均風(fēng)速1.56 m/s。因?yàn)榇罅扛咚贇饬魍ㄟ^泄壓閥逸出，減少了給料匙處氣體流量。

分析導(dǎo)料槽長度的影響

3.4 導(dǎo)料槽長度

當(dāng)料流速度增加，顆粒高速下落時(shí)帶動(dòng)的擾動(dòng)氣流增加，管內(nèi)誘導(dǎo)風(fēng)速增加。根據(jù)仿真分析結(jié)果，當(dāng)給料匙出口風(fēng)速由4.48 m/s增加至6.01 m/s時(shí)，10m導(dǎo)料槽出口風(fēng)速增至3.44 m/s。因此，需要針對(duì)不同轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)的給料匙出口風(fēng)速，設(shè)計(jì)導(dǎo)料槽長度。

如圖所示，當(dāng)給料匙出口風(fēng)速為6.01 m/s時(shí)，12 m導(dǎo)料槽出口處風(fēng)速降至2.96 m/s，相比10 m導(dǎo)料槽時(shí)出口風(fēng)速降低0.48 m/s。繼續(xù)增加導(dǎo)料槽長度至20m，管道內(nèi)氣體由泄壓閥分流的流量增加，導(dǎo)料槽出口氣體流量減少，風(fēng)速明顯降低至1.47 m/s。

隨著導(dǎo)料槽長度增加，擋塵簾和泄壓閥降低誘導(dǎo)風(fēng)作用更加明顯。因?yàn)榻o料匙至出口位置長度增加，更多氣體被泄壓閥分流逸出，而且擋塵簾作用次數(shù)增加，出口處氣流穩(wěn)定流出。

導(dǎo)料槽內(nèi)的壓力分布可以解釋這一現(xiàn)象。

由上圖可以觀察到，轉(zhuǎn)運(yùn)站導(dǎo)料槽內(nèi)壓力沿皮帶方向逐漸減小。

導(dǎo)料槽長度為20 m時(shí)，由于給料匙處誘導(dǎo)風(fēng)速更高，動(dòng)壓增加，所以20 m導(dǎo)料槽氣體靜壓低于10 m導(dǎo)料槽和12 m導(dǎo)料槽。

每經(jīng)過一段擋塵簾，氣流在擋塵簾處撞擊造成能量損失，壓力降低。隨著導(dǎo)料槽長度增加，氣體經(jīng)過擋塵簾降壓次數(shù)增加，接近出口處壓力越小。20 m導(dǎo)料槽出口位置前出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓有利于氣體回流，降低風(fēng)速，減少導(dǎo)料槽出口位置揚(yáng)塵。

4 總結(jié)

在物料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，誘導(dǎo)風(fēng)速和產(chǎn)塵量的大小密切相關(guān)，明確轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)的流場分布對(duì)分析轉(zhuǎn)運(yùn)站的抑塵效果有重要意義。針對(duì)常見的輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)站建立相應(yīng)的幾何模型，并采用DEM-CFD氣固兩相流仿真對(duì)物料和氣流進(jìn)行分析，其中使用EDEM軟件分析顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，AcuSolve軟件分析氣體的運(yùn)動(dòng)和受力情況，得到轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)氣體流速分布情況。

根據(jù)對(duì)比仿真得到的結(jié)果可知：

(1) 擋塵簾能夠有效抑塵：氣流在擋塵簾處撞擊造成能量損失，壓力降低，由于撞擊改向而形成的旋流存在有利于導(dǎo)料槽出口風(fēng)速的降低，從而減少揚(yáng)塵的產(chǎn)生；

(2) 泄壓閥起氣體分流作用：大量氣體從泄壓閥出口處逸出，使導(dǎo)料槽出口流量減少，有效降低誘導(dǎo)風(fēng)帶出的揚(yáng)塵；

(3) 導(dǎo)料槽出口位置前出現(xiàn)負(fù)壓有利于氣體回流，降低風(fēng)速，減少導(dǎo)料槽出口位置的揚(yáng)塵。

關(guān)于導(dǎo)料槽DEM-CFD流固耦合仿真，還需要進(jìn)一步分析下列問題：導(dǎo)料槽長度跟物料下落速度的關(guān)系，擋塵簾的間距跟導(dǎo)料槽長度、物料下落速度的關(guān)系，泄壓閥的位置關(guān)系，回風(fēng)管到底有沒有用，管徑跟風(fēng)速、風(fēng)量的關(guān)系，以及導(dǎo)料槽內(nèi)能不能或如何才能形成穩(wěn)定的負(fù)壓。

通過對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)站導(dǎo)料槽的氣固兩相流仿真來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)，控制料流速度和導(dǎo)料槽長度的關(guān)系，合理布置抑塵裝置，可以有效降低誘導(dǎo)風(fēng)，減少揚(yáng)塵產(chǎn)生，從而以最低的成本帶來最高的效益。