無動力抑塵導料槽設計理論與技術

摘要：帶式輸送機是重要的連續輸送設備，廣泛應用于煤炭、鋼鐵、冶金、采礦、制藥等與國計民生息息相關的國家命脈行業。本文對物料轉運過程和粉塵產生機理進行了深入分析。利用離散元分析軟件對料流在頭部護罩、落料管以及導料槽中的運動進行了離散元分析，利用計算流體力學軟件對導料槽中氣固兩相的運動進行了深入探討。

關鍵詞：帶式輸送機；轉運站；離散元；導料槽；無動力抑塵

1 概述

工業生產和生活中使用的物料包括燃煤、碎石、砂、水泥、糧食等，可單機獨立輸送，也可多臺輸送機聯合輸送，亦或聯合其它輸送設備組成水平或傾斜的輸送系統，以滿足多線路、多方向等不同布置形式工藝的需要，輸送機轉載點是必不可少的輔助設施，通常也稱為轉運站。

轉運站通常還需要配備相應的配套設施。如除塵器、破拱器、物料阻塞信號裝置、排污裝置和噴淋裝置等。其主要目的是保證轉運站設備的可靠性，減少轉運過程中產生的粉塵污染。

1.1 國外帶式輸送機轉載點研究現狀

針對傳統帶式輸送機轉運站存在的各種問題，國外率先提出新型帶式輸送機轉運站解決方案。國外某公司的新型轉運站采用IFT（控制料流運動技術），通過控制物料流動，減少粉塵產生，降低誘導氣流速度，配合新型無動力抑塵或微動力除塵系統實現粉塵自然沉降，無需使用大功率除塵設備。

1.2 國內帶式輸送機轉載點研究現狀

與國外產品相比，國內新型轉運站的堵料和粉塵超標現象依然非常嚴重。主要原因是理論基礎薄弱，未對轉載點堵料和粉塵超標現象的根本原因進行深入探究。隨著環保意識的不斷增強，限制排放的相關法令不斷出臺，轉運站車間粉塵含量嚴重超標逐漸引起相關部門的重視。

圖1 設計安裝的轉運站

國內現有多家公司及設計機構開始嘗試設計新型轉運站，采用3-DEM技術對轉運站進行改進。通過使用空間布置和截面形狀更合理的落煤管，抑制了粉塵產生。通過使用阻尼系統降低誘導氣流的速度，緩解了轉運站粉塵超標的問題。

圖2 曲線落料管示意模型及國內某公司的導料槽方案

1.3 本文工作

本文主要分析傳統帶式輸送機轉運站存在的問題以及問題產生的原因，研究物料流在運動過程中對落料管以及導料槽中氣流的激勵作用，提出導料槽標準化模塊，為轉運站快速標準化設計奠定了基礎。

使用離散元分析軟件對新型落料管中物料流走向、料流截面形狀以及料流速度控制進行了計算和驗證，使用計算流體力學軟件對落料管以及導料槽中的粉塵運動進行了分析，為阻尼擋簾的安裝和布置提供了理論參考。結合氣固兩相流分析，確定物料流在運動過程中對落料管及導料槽中氣體的擾動作用，為設計形狀合理和落料管和導料槽奠定一定的理論基礎。

2 轉運站方案介紹

2.1 轉運站空間曲線落料管

傳統落料管（圖3）設計簡單，加工難度小，生產成本低。但存在缺陷：

（1）料流與管壁沖擊嚴重；

（2）誘導氣流速度較快，粉塵大；

（3）料流垂直沖擊受料輸送帶。

新型落料管多采用多邊形截面，也采用圓形截面落料管。如圖4所示。使用空間曲線落料管能夠減少緩沖設備的使用，并實現：

           圖3 傳統落料管               

圖4 曲線落料管（新型轉運站部分）

（1）通過空間布置形式合理的落料管承接物料，保證物料流和落料管以及其它設備之間的沖擊夾角小于20度；

（2）通過截面形式合理的落料管，將物料流進行收集、匯聚，保證物料流的整體性，以減少其對落料管中空氣的誘導作用，降低誘導氣流的速度；

（3）通過落料管將物料匯集和梳理，降低物料流的速度，進一步減小物料流對落料管中空氣的誘導作用；

（4）末段落料管設計合理弧度，保證料流從落料管轉移至受料輸送帶時，料流沿輸送帶運行方向的分速度和輸送帶的運行速度盡量接近，兩者速度差不應超過10%，以減小物料流摩擦沖擊對輸送帶造成的損害；

（5）末段落料管應控制輸送帶垂直方向料流分速度，將此速度控制在較小范圍內，以減少物料流對輸送帶造成的沖擊，延長輸送帶使用壽命；

（6）末端落料管應控制物料流的截面形狀，應與輸送帶槽型形狀相似，同時保證料流截面形狀對稱，以保證物料轉移的過程平穩、順暢，避免輸送帶偏載問題發生。

2.2 無動力抑塵導料槽

隨著對帶式輸送機輸送量和輸送速度的要求不斷提高、對粉塵逸出量提出嚴格要求，傳統導料槽（圖5）已經無法滿足新型輸送機轉運站的工作要求。故在新型轉運站中，使用新型模塊化導料槽如圖6所示。

使用模塊化導料槽，優點主要體現在：

（1）模塊化設計，降低生產成本，用戶可根據現場實際情況對導料槽進行模塊化拼接，對防塵阻尼簾的懸掛自行進行調整；

圖5 傳統帶式輸送機導料槽   

圖6 無動力抑塵導料槽

（2）通過縱向搭接導料槽側壁模塊，能夠在流場中造成多塊擴容區域，增強導料槽流場湍流動能，增大氣流振動頻率和振幅，促進能量耗散，易于粉塵沉降；

（3）結合擴容區，合理布置防塵阻尼擋簾。能夠不斷改變誘導氣流方向，進一步擴大湍流范圍，降低氣流速度，促進粉塵沉降。

（4）導料槽與輸送帶接觸位置使用雙層或多層防逸裙邊，防止大塊物料飛濺同時能夠有效控制細小粉塵顆粒從輸送帶和導料槽側壁夾縫處飛出。導料槽加裝阻尼簾后，造成局部區域壓力增大，氣流可能夾帶粉塵從裙邊處飛出。因此雙層或多層防塵裙邊能夠有效避免這一現象的發生；

（5）輸送帶受料區域應配合緩沖床使用。緩沖床高彈性特種橡膠對輸送帶提供了強有力的支撐，大大降低料流對輸送帶的沖擊。由于緩沖條和輸送帶之間為面接觸，能夠和防逸裙邊協同作用，實現導料槽無縫密封。

3 散體物料運動仿真

隨著計算機技術的高速發展、數值方法和現代力學的不斷成熟，離散元素法開始逐漸應用于顆粒材料的分析計算和仿真驗證。

3.1 無動力抑塵導料槽模型建立

設計并繪制新型無動力抑塵導料槽三維模型。如圖7所示。

3.2 空間曲線落煤管以及接頭設計

物料流經頭罩拋出后到達受料輸送帶之前大部分運動在落料管中完成。

圖7 無動力抑塵導料槽（不含上護板）      

3.3 轉運站整體三維模型

圖9 新型轉運站總體三維模型

3.4 仿真參數的確定

在EDEM軟件仿真過程中，參數設定會影響仿真結果的準確性和仿真時間的長短。通過查找資料、理論計算和現場試驗，我們Z終確定仿真過程中重要計算參數。表1為材料屬性表。表2為接觸屬性表。

表1 仿真材料屬性表

表2   接觸屬性表

3.5 仿真時間步長

仿真時間步長、仿真計算時間以及計算網格尺寸對于仿真結果是否收斂，以及仿真結果的準確性起到至關重要的作用。

選擇合適的網格尺寸和計算時間步長非常重要。根據仿真物料的物理性質，計算時間步長可由式（1）得出：               

3.6 仿真計算

完成參數設定之后，仿真過程交由計算機完成，無需人工干預。圖10和圖11分別是轉運站港口直接供煤和煤倉間供煤的仿真圖形。

圖10 轉運站港口供煤仿真圖形

圖11 轉運站煤倉間供煤仿真圖形

料流進入空間曲線落料管后，速度逐漸降低。整個過程未出現明顯沖擊現象。料流運動穩定，減少落料管磨損同時，有一定抑塵效果。

料流在到達輸送帶瞬間，速度發生變化，對輸送帶造成一定程度沖擊。故料流顏色在此處發生變化。可見，該轉運站方案一定程度上緩解了傳統設計思路存在的問題。但是仍有許多細節存在問題，需要Z終結合現場實際情況進調整。

4 無動力抑塵導料槽

4.1 懸浮粉塵顆粒受力分析和運動分析

設計新型無動力抑塵導料槽，涉及多學科多研究領域。如果要進一步改shan導料槽以及相關設備的除塵效果，就必須對懸浮在落料管和導料槽之中粉塵顆粒的受力情況和運動狀態進入深入研究。將帶動粉塵顆粒的誘導氣流看作是導料槽中的流體相。

根據現場實測粉塵濃度，帶式輸送機導料槽氣固兩相流為稀疏懸浮氣固兩相流。粉塵顆粒的濃度相對較低，誘導氣流主導整個導料槽中氣固兩相的運動形態，空氣夾雜粉塵顆粒運動，并且是粉塵顆粒的動力來源。

作用在粉塵顆粒上的主要作用力見表3：

式中：

m_p——粉塵顆粒的質量，kg；

d_p——粉塵顆粒直徑，m；

C_p——表示阻力大小和性質的系數；

G——重力加速度, m/s²;

U_p——誘導氣流的運動速度, m/s。

4.2 導料槽粉塵運動規律和流場性質

粉塵顆粒在導料槽流場中主要以兩種運動形式運動。首先受氣體相的作用，粉塵顆粒隨誘導氣流做“漂浮運動”。其次就是粉塵顆粒在重力作用下的沉降運動。兩種簡單的運動狀態疊加起來，其運動形式就會變得非常復雜。粒徑較小的粉塵顆粒受到氣體相的影響很大，反過來粒徑較大的顆粒又會影響氣體相的運動。這樣，研究導料槽中氣固兩相的運動規律變得非常困難。當粉塵顆粒的粒徑超過10微米時，幾乎垂直下落至輸送帶上。小于0.5微米的粉塵顆粒會隨著氣相發生漂移。這種漂移呈現出移動隨機性，是一種紊流的運動狀態。

導料槽中流場形態復雜，存在很多小尺寸渦流和渦流場。尤其是無動力抑塵導料槽，由于阻尼擋簾的存在，通常小渦流場極多，如圖12所示。本文采用歐拉法對復雜湍流場進行研究。

輸送機轉運站導料槽中粉塵顆粒的運動為典型氣固兩相運動。為了準確模擬粉塵的運動過程，我們采用歐拉坐標滑移擴散模型。使用這種模型，我們能夠準確判斷固相-固相、氣相-氣相、固相-氣相之間的動量、能量和質量的傳遞。該模型準確考慮到整個顆粒群紊流擴散，并充分考慮到由于氣固兩相初始能量不同而造成的平均速度滑移。該模型中，我們定義：

（1）不同空間節點上，氣固兩相具有不同的運動速度的體積分數；

（2）固體顆粒相溫度、速度以及體積分數連續分布；

（3）由于各項初始能量不同，流場中主要運動是顆粒間滑移，通常由時均速度差異導致，擴散飄移運動為其次。

圖12 導料槽中粉塵顆粒運動軌跡

顆粒湍流擴散系數：

4.3 導料槽內粉塵運動分析

完成理論準備工作之后，采用計算流體力學軟件FLUENT，對導料槽中兩相流的運動狀態進行分析。FLUENT軟件分析的主要流程見下圖13：

4.3.1數值參數初始化和邊界條件設定

根據電廠輸煤轉運站實測數據，我們對模擬參數進行設定。

4.3.1.1 計算模型的設定

（1）計算求解器的設定

（2）湍流模型的選擇

（3）能量方程的開啟和關閉

（4）離散相的開啟和關閉

圖13 Fluent 軟件計算流程圖

表4 計算模型的設定表

4.3.1.2 固體顆粒相（離散相）參數設定

表5 導料槽中粉塵顆粒相即離散相的參數見表

表6 粉塵顆粒參數設定見表

4.3.1.3 邊界條件的設定

（1）入口邊界條件

（2）水力直徑

表7 邊界條件參數表

4.3.2計算結果

根據流體力學相關知識，設想若干種加速導料槽粉塵沉降的方法，并對其進行流體動力學仿真，仿真結果如下。

4.3.2.1 傳統導料槽仿真結果分析

（1）如圖14所示，末端落料管和導料槽成90°夾角，粉塵進入導料槽后，在沖擊點左側區域出現速度Z大值，隨后氣流速度向左逐漸趨于平緩，氣體趨于平穩運行，Z終保持恒定速度從左側出口流出。

（2）如圖15所示，導料槽中湍流強度在落料管入口處左側區域出現Z大值。此處，流體做湍流運動，即導料槽中氣體流線發生波浪式變化，振動頻率和振幅隨即發生變化，此處開始有小渦旋產生。由于湍流運動的作用，此處運動阻力較大，導料槽中夾雜粉塵的氣體能量產生損耗。之后湍流運動逐漸減弱，圖中自落料管入口處開始，越接近導料槽左端出口，湍流動能越弱。

圖14 傳統導料槽氣固兩相速度等值線分布圖      

圖15 傳統導料槽湍流動能等值線分布圖

（3）如圖16所示，粉塵顆粒被誘導氣流攜帶進入導料槽，隨即運動方向發生變化。由于在落料管入口處誘導風出現小渦旋，粉塵顆粒在此處隨誘導風一起做回旋運動。隨后，粉塵顆粒隨氣流繼續向左方導料槽出口處運動，流線逐漸分明，運動趨于穩定。

4.3.2.2 擴容導料槽仿真結果分析

在傳統導料槽基礎上，加入擴容區。仿真結果如下圖17。

（1）加入擴容區之后，在氣流的通道上增加了兩個緩沖區。由于導料槽封閉，且入口出口條件相同，因此速度相對于傳統導料槽來說未有明顯變化。

    圖16 傳統導料槽顆粒相運動軌跡     

圖17 擴容導料槽氣固兩相速度等值線分布圖

（2）加入擴容區之后，湍流區域向左大幅拓展。此處能量消耗更大，進一步加速了粉塵沉降過程。圖18中導料槽長度足夠，因此湍流動能自右向左Z終逐漸趨于平穩。但相比傳統導料槽，湍流的振動頻率和幅度都更強。

（3）加入擴容區之后，粉塵顆粒在擴容區隨誘導氣流產生小渦旋，顆粒運動軌跡不規則，流線發生交叉重疊，表示導料槽中湍流運動涉及范圍更廣，能量耗散更多。

4.3.2.3 阻尼簾導料槽仿真結果分析

在導料槽擴容區內安裝阻尼簾，攔截粉塵顆粒，加速自然沉降。仿真結果如下圖19。

圖18 擴容導料槽湍流動能等值線分布圖       

圖19擴容阻尼簾導料槽速度等值線分布圖

4.3.2.4 迷宮阻尼簾導料槽仿真結果分析

（1）加入迷宮阻尼簾并與落料管聯通之后，氣流夾雜粉塵在導料槽中呈現S型路線。并在落煤管左側區域呈現“O”型流通區域。粉塵從落料口運動到導料槽出口的總距離相比傳統導料槽更長，因此能量耗散更多，有益于粉塵沉降。

（2）迷宮阻尼簾聯通導料槽幾乎整個流場均呈現湍流運動。且湍流動能相比傳統導料槽提高很多。導料槽尾部湍流動能較弱，流場相對穩定，有益于抑制粉塵從導料槽尾部反向逸出。

圖20 湍流動能等值線分布圖   

      圖21 顆粒項運動軌跡圖

（3）對比傳統導料槽，“O”型的落料管入口流場能夠迅速將誘導氣流分成兩路，從而降低氣流速度，隨后兩股氣流合并之后，相互沖擊碰撞，發生能量耗散。同時迷宮擋簾能夠在導料槽流場中造成很多小漩渦，氣流運動被完全擾亂，進一步耗散能量，促進粉塵沉降。

5 總結

傳統導料槽中氣流夾帶粉塵顆粒做層流運動，導料槽長度較短，因此，粉塵顆粒在高速誘導氣流的帶動下無法完成自然沉降的過程。為此我們提出di一種假設增加擴容區，分析表明擴容區能夠一定程度上促進粉塵沉降，效果一般；第二種方法是添加阻尼擋簾，分析表明阻尼擋簾能夠增加湍流區域范圍，增加湍流動能，配合擴容區使用，粉塵沉降效果強于單純使用擴容區的導料槽；Z終方案是使用迷宮阻尼簾和“O”型流場布置，此方案能夠使整個導料槽流場均為湍流區域，渦旋數量增多，振幅和頻率增大，無動力抑塵效果Z好。

免責聲明

本文來自公眾號輸送派