基于氣-固兩相流的環保無動力除塵系統捕塵機理的數值模擬研究

包 俊,呂 辰,劉雨萱,高 衡,譚家美

(中國計量大學 質量與安全工程學院,浙江 杭州 310018)

在日常生產過程中不可避免地會產生各種各樣的粉塵,當有害粉塵空氣動力學直徑在7.07 μm以下時,其細小污染顆粒物可隨人的呼吸進入人體呼吸系統[1],長此以往會導致作業人員塵肺病的發生。據有關資料統計2019年塵肺病已超過97.5萬例,其中職業性塵肺病87.3萬例,占全國職業病發病總人數的90%左右,因此,由粉塵濃度超標引發的塵肺病已經成為我國最嚴重的職業危害。而在礦山、電力和物料碼頭等生產企業中,由于帶式輸送機運輸能力大,物料傳輸效率高,設備安裝使用方便等諸多優點,帶式輸送機已被廣泛使用。但是,在皮帶機物料輸送過程中,不可避免地存在物料轉載,且在每一處轉載點物料下落過程中,物料的沖擊下落又會產生大量的粉塵。目前,采取的降塵措施主要是噴淋灑水和布袋式除塵器,由于這些措施對使用條件要求非?？量?而且還會對作業現場造成水污染和噪聲污染,在現場實際降塵效果都不理想。據有關作業現場粉塵濃度檢測資料表明,皮帶運輸轉載點普遍存在粉塵濃度嚴重超標現象,這給企業安全生產和員工身心健康帶來了很大的危害,也是生產企業目前急待解決的技術難題。

從20世紀60年代起,國內外眾多學者就開始著手于治理粉塵的技術研究,這其中基礎理論研究包括:Hemeon[2]最早對物料自由下落產生的沖擊氣流進行研究,他將料流所產生的沖擊氣流視為單個顆粒產生的沖擊氣流之和;故Huque等[3]利用慣性流技術(inertial flow technology,IFT)控制轉載點處物料下落軌跡,降低了沖擊風速,從而減少粉塵逸散;通過數值模擬及現場實驗,Esmaili等[4]對料流下落過程中顆粒與氣流組織的相互作用進行了研究;同時Cooper等[5]對皮帶運輸機轉載點處物料下落過程進行了實驗研究,建立了卷吸空氣量的數學模型;張江石[6]等通過離散元DEM模型對料流自由下落過程進行了數值模擬,從而對粉塵的產生機理進行研究,結果表明誘導風流、沖擊氣流等形成的正高壓環境對粉塵外溢影響較大;而張興華等[7]對轉載點誘導風流的影響因素進行了研究,并建立了轉載系統誘導風量計算模型的數學表達式。除以上基礎理論研究外,還包括應用技術研究:Li等[8]將旋轉霧化與噴霧幕結合,使粉塵顆粒物被捕捉的空間范圍加大,增強了濕式除塵的效果,在最佳工況參數條件下,對總粉塵和可吸入粉塵的抑制效率分別在99.8%以上和97%以上;而秦文秀等[9]利用布袋除塵器的負壓作用有效緩解了由于物料下落導致的正壓影響,測試結果表明全塵與呼吸性粉塵質量分數的最低降塵率分別達到了91.41%和92.25%;在通過數值模擬對電除塵器的除塵性能進行研究的過程中,Gao等[10]發現,對于粒徑較大的顆粒,除塵效率與顆粒直徑成正比,而對于小粒徑顆粒,除塵效率隨粒徑的減小而顯著增加;Noh等[11]將幾個小旋風分離器連接到一個切向旋風分離器上,開發了一種新型旋風分離器,數值分析和測試結果表明其可以在保持低壓降的同時提高收集效率。

綜上可知,國內外學者對物料自由下落引起的沖擊、誘導氣流均進行了研究,且建立了相應的數學模型,并對粉塵顆粒逸散過程氣固兩相分別進行了分析。然而,在料流下落的實際過程中,氣固兩相間的耦合作用是雙向的,且粉塵顆粒間的碰撞、黏附作用也不容忽視。本研究主要針對皮帶運輸轉載點粉塵難以控制的技術難題,依據流體力學、固體力學和氣-固耦合的相關理論與方法,提出了一種新型回流管式無動力除塵裝置設計。通過運用此先進設計理念設計制造的降塵裝置,可有效防治皮帶運輸轉載點粉塵外溢難題,充分保障作業人員的職業健康安全。

1 產塵機理

運煤轉載點處整個落料過程都伴隨著煤流塵化現象的產生,粉塵逸散是由多種氣流的綜合作用引起的[12]。煤流在脫離上層皮帶后,物料以散開狀態做自由落體加速運動,產生負壓擾動周圍空氣形成高速誘導氣流。由于誘導氣流與煤流存在速度梯度,故煤塊表面吸附的細微粉塵在風流剪切作用下將發生煤流塵化現象,形成高速含塵氣流;隨著誘導氣流向落料管下部流動過程中,將逐步擠壓底部周圍空氣從而產生正高壓環境。由于現有導料槽密閉性較差,導致大量含塵氣流由導料槽縫隙向外部環境噴泄;當高速料流沖擊底部皮帶時,物料間隙所夾帶的空氣被擠壓出去,形成高速剪切氣流,并攜帶粉塵向四周逸散;同時,煤流碰撞皮帶還會引起高速沖擊氣流,過快流速的空氣在導料槽中形成高正壓旋流,高壓沖擊氣流及旋流會攜帶粉塵由導料槽縫隙逃逸至作業環境中。此外,皮帶機在運動時會帶動周圍空氣形成牽引氣流,也會造成煤流塵化現象。

因此,運煤轉載點粉塵污染原因主要在于除塵器結構設計不合理。為有效解決粉塵污染問題,需對除塵器結構參數進行研究,通過最優結構設計對含塵氣流進行有效減壓降速降塵,從而改善常規粉塵控制措施效果差的現狀,本研究特提出了一種無動力除塵裝置系統設計。

2 無動力除塵系統除塵原理

為避免傳統降塵措施存在的使用條件苛刻、運行成本高、對作業環境破壞大、降塵效果差等問題,回風管式無動力除塵裝置采用了新穎的設計理念和合理的功能模塊組合,在保證有效除塵的同時,使裝置結構簡潔,避免了傳統降塵措施存在的不足。如圖1,回風管式無動力除塵裝置主要由弧形下料管、密閉導料槽、回流管、S型阻尼濾塵器、泄壓擾流腔、尾部緩壓室、槽角調節器等功能模塊組成?；⌒蜗铝瞎軐γ毫鬟\動起引導及緩沖作用;密閉導料槽將含塵氣流進行嚴格密閉控制,防止密閉導料槽向外冒塵;回流管利用沖擊氣流在回流管兩端形成的有效壓差,實現含塵氣流自循環,達到降速降壓降塵的目的;S型阻尼濾塵器、泄壓擾流腔及尾部緩壓室通過改變含塵氣流走向、泄壓作用及粉塵與擋塵簾的碰撞,對高速氣流進行減壓降速,加速粉塵沉降;槽角調節器實現了密閉導料槽與傳送帶在尾部無縫對接,有效防止導料槽尾部跑塵。

圖1 無動力除塵裝置平面圖

該裝置設計屬于工業通風與除塵工程領域,通過靈活運用空氣動力學原理,以及通風管網壓力平衡和阻力平衡理論,對含塵氣流合理組織調節,將密閉導料槽內含塵氣流巧妙地引至密閉導料槽入口段,有效形成了密閉導料槽內壓力、風速調節系統,充分實現了減壓、降速、降塵的目的,達到了顯著降塵效果,充分保障了作業人員的職業健康安全。

3 氣-固兩相流理論計算方程

本文啟用標準k-ε湍流模型,采用歐拉-拉格朗日方法進行模擬,轉載點落料過程中流場產生的動力主要來源于煤塊運動,故仿真時必須充分考慮氣固兩相間的耦合作用。除此之外,落料過程中,煤塊顆粒之間的碰撞作用也會對煤礦的運動以及流場分布產生一定的影響,所以在模擬中啟用DEM collision模型。除塵器內的空氣流場達到穩態是一個瞬態的變化過程,故本模型采取非穩態求解方式[13]。

3.1 氣體運動方程

本文采用歐拉法來表示除塵裝置內空氣流場的運動參數,由于流動過程不涉及傳熱問題,故基本物理定律包括質量守恒定律、動量定律。含塵氣流密度變化可忽略不計,故可簡化為不可壓縮黏性流體運動,其通過數學描述的控制方程如下[14]：

連續性方程

(1)

動量方程

(2)

式(1)(2)中:ρ為流體的密度,kg·m-3;xi、xj為x、y、z三個方向上的坐標,m;ui、uj為x、y、z三個坐標方向上的速度分量,m·s-1;p為流體壓強,Pa;τij為應力張量;fi為流體在x、y、z三個坐標方向上所受阻力,N;g為重力加速度,m·s-2。

3.2 粉塵運動方程

粉塵在空氣流場中的運移擴散過程中受多個力共同作用,單個粉塵的運動方程可表示為

(3)

式(3)中:∑F為單個粉塵顆粒所受合外力,N;mp為粉塵顆粒的質量,kg;vp為粉塵顆粒的速度,m·s-1。粉塵在流場中所受到的作用力對粉塵運移擴散的影響作用大小各有差異,其中壓力梯度力、附加質量力、Basset力作用較小,可忽略不計,而重力、浮力、氣動阻力、Saffman升力、Magnus力對除塵器流場中粉塵運動影響較大,需加以計算從而準確描述顆粒行為[15]。

3.3 除塵效果的表征參數

由粉塵角度進行分析,結合DPM模型所得數值模擬結果,除塵器除塵效率的表征參數為粉塵沉降率,理論方程如下:

(4)

式(4)中:η為粉塵沉降率,%;Nt為密閉導料槽內產生的粉塵顆?？倲?Ns為粉塵顆粒沉降數。

以回流管內流體為研究對象,根據質量流量守恒,可得

ρv1S1=ρv2S2。

(5)

式(5)中,v1、v2分別為通過回流管兩端截面的流體速度,S1、S2分別為回流管兩端截面的面積。

由于流體密度不變,回流管兩端截面面積S1≈S2,故v1≈v2。

根據伯努利方程

(6)

式(6)中,p1、p2為回流管兩端截面的靜壓,h1、h2為兩端截面高度,ΔEf為單位體積能量損失。

將(6)式化簡為

(7)

式(7)中，由于v1≈v2,故流體動能變化可忽略不計,且回流管兩端截面高度一定,故流體重力勢能變化為定值。由以上可知,單位體積能量損失ΔEf與單位體積壓強差(p1-p2)呈正相關,而回流管兩端能量損失ΔEf表示除塵器對高壓高速含塵氣流進入回流管后的減壓降速效果,故(p1-p2)越大,除塵器減壓降速效果越明顯,粉塵越容易發生沉降[16]。

4 幾何模型建立與求解參數設置

4.1 物理模型與網格劃分

通過Solid works建立等比例物理模型,如圖2。以不同網格間距為基礎劃分網格,并進行網格獨立性驗證,結果表明當網格尺寸小于100 mm時,計算結果相對誤差均小于5%,故為保證精度并節省計算資源,采用100 mm的網格間距劃分網格[17],如圖3。

圖2 物理模型

圖3 網格劃分示意圖

4.2 參數設定

根據數值模擬中湍流基本原理,結合運煤轉載點的實際情況,對模型參數進行設置[18],如表1。

表1 模型參數設定

由現場實地采樣測試結果,作業現場粉塵粒徑分布如表2,對數值模擬中離散相參數進行設置,如表3。

表2 粉塵粒徑分布

表3 離散相參數設定

5 不同技術參數對除塵器除塵效率的影響

在本文模擬中,考慮煤塊與空氣之間的相互作用,首先對煤塊進行離散相模擬從而得到除塵器內部流場。模擬過程中,對除塵器回流管內及出口處風流的平均速度進行監測,結果表明其風流速度均在8 s后達到穩態,故本文均選用10 s時穩態流場下其對稱截面的模擬結果進行分析。

5.1 回流管對除塵器除塵效率的影響分析

為研究回流管組件的安裝對除塵器除塵效率的影響,先對未安裝回流管時密閉導料槽內空氣流場進行數值模擬,通過模擬分別得到該工況條件下空氣流場的速度、壓力云圖,如圖4。

圖4 無回流管模擬結果

圖4中,由速度云圖可知,煤流加速下落過程中,擾動其附近流場在落料管中產生高速誘導氣流,在料流沖擊底部皮帶時產生高速沖擊氣流,并在導料槽底部由于壁面阻擋產生高速旋流,此時導料槽出口處風速可達1.05 m/s。由壓力云圖可知,因落料管中誘導氣流及落料管底部沖擊氣流的擠壓作用,在導料槽底部產生了正高壓環境。

為有效緩解落料過程中產生的高壓環境及高速誘導氣流、沖擊氣流,防止由于導料槽密閉性不良引起的粉塵外溢,本文在落料管及下部導料槽間連接回流管,在回流管與導料槽間實現含塵氣流自循環,達到氣固分離、料走塵降的目的。對安裝有回流管的密閉導料槽內的空氣流場進行數值模擬,分別得到該工況條件下空氣流場的速度、壓力云圖,如圖5。

圖5 安裝回流管后模擬結果

圖5中,由速度云圖可知,安裝回流管后,密閉導料槽尾部出口處風速降至0.79 m/s,落料管底部沖擊氣流在引流板誘導下進入回流管,在回流管中繞流后對落料管中誘導氣流起到擾動中和作用,有效緩解了誘導氣流對導料槽底部高壓環境的促進作用。結合壓力云圖可以看出,導料槽底部流場壓力顯著降低,可有效抑制由于底部正高壓環境引起的粉塵外溢問題。

對粉塵顆粒進行離散相模擬得到顆粒軌跡圖,如圖6,粉塵在誘導風流牽引作用下由落料管中段運動至底部,隨后受沖擊氣流及皮帶牽引氣流作用,一部分粉塵碰撞引流板后動能削弱自然沉降。一部分粉塵在引流板誘導下進入回流管后相互碰撞,動能減小,碰撞內壁并黏附在其表面,凝聚成較大顆粒團,顆粒團隨氣流引導在重力作用下自然沉降。另一部分粉塵穿過引流板運動至導料槽中段,在S型阻尼器擾流作用下碰撞壁面降速沉降。在有無回流管兩種工況下的粉塵沉降、逃逸情況如表4,安裝回流管后,除塵裝置的除塵效率提升了24.3%。

圖6 顆粒軌跡圖

表4 粉塵沉降、逃逸數據

5.2 回流管直徑對除塵器除塵效果的影響分析

為研究回流管直徑對除塵器除塵效果的影響,分別設置回流管直徑為400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm五組數值模擬。通過模擬得到無動力除塵器回流管兩端壓差、密閉導料槽內最大風速及除塵效率隨回流管直徑的變化曲線,并將不同直徑下的壓差進行由小到大排序,得到對應的粉塵平均沉積時間隨壓差的變化曲線,如圖7。

圖7 回流管直徑對除塵器除塵效果的影響

由圖7可知,回流管兩端壓差、密閉導料槽內最大風速、除塵器除塵效率均在直徑為500 mm時取得極值。當直徑為500 mm時,回流管兩端壓差達到最大值,密閉導料槽內最大風速達到最小值,除塵器除塵效率達到最大值。粉塵顆粒平均沉積時間隨壓差的增大逐漸減小,在壓差最大時粉塵平均沉積時間最短。

根據除塵器除塵效果的表征參數可知,回流管兩端壓差越大,流體能量損失越多。當回流管直徑為500 mm,此時壓差最大,除塵器的減壓降速效果最佳,粉塵降速后發生碰撞更易沉降或凝聚成大顆粒團落至皮帶表面。故當回流管直徑為500 mm時,除塵器除塵效果最佳。

5.3 回流管水平安裝位置對除塵器除塵效果的影響分析

為研究回流管水平安裝位置對除塵器除塵效果的影響,在回流管直徑為500 mm的基礎上,分別設置回流管引流口至落料管底部水平距離為1 400 mm、1 700 mm、2 000 mm、2 300 mm、2 600 mm五組數值模擬。通過模擬得到無動力除塵器回流管兩端壓差、密閉導料槽內最大風速及除塵效率隨回流管水平安裝位置的變化曲線,并將不同水平距離下的壓差進行由小到大排序,得到對應的粉塵平均沉積時間隨壓差的變化曲線,如圖8。

圖8 回流管水平安裝位置對除塵器除塵效果的影響

由圖8可知,密閉導料槽內最大風速、除塵器除塵效率均在水平距離為2 000 mm時取得極值。此時回流管兩端壓差最大,除塵器降速效果最佳,除塵效率最高。粉塵平均沉積時間隨壓差的增大逐漸減小,在壓差最大時粉塵平均沉積時間最短。

同理,根據除塵效果的表征參數可知,當水平距離為2 000 mm時,回流管兩端壓差最大,此時流體能量損失最大,除塵器減壓降速效果最顯著。故當回流管引流口至落料管底部水平距離為2 000 mm時,除塵器除塵效果最佳。

5.4 可靠性驗證

采用通風多參數檢測儀對現場無動力除塵器出口處風速進行監測,在落料時同時開啟,每隔0.5 s計數一次,共監測10 s,得到落料時除塵器出口處風流速度隨時間的變化關系。在相同工況條件下進行數值模擬,將模擬結果導出并與現場實測結果對比,如圖9。

圖9 模擬結果與實測結果對比

由圖9可知,仿真結果與實測結果中除塵器出口風速大小總體均隨時間的增加而增大,最后趨于穩定,兩者增加幅度及變化趨勢基本相同。但是仿真結果相比于實測結果數值偏大,原因在于實際場景中除塵器難以達到嚴格密閉環境,且仿真中擋塵簾默認為剛性壁面,而實際工況中其為柔性材料,會隨著氣流沖擊而擺動消耗含塵氣流動能。由于對比結果的誤差在合理范圍內,故驗證了模擬結果的準確性。

6 結 論

1)本文對運煤轉載點處密閉導料槽內空氣流場進行數值模擬,結果表明物料由落料管下落至下層皮帶過程中,在導料槽底部形成高速高壓流場環境,粉塵由于導料槽密閉性不良易發生外溢噴泄。

2)為進行有效減壓降速,本文利用無動力除塵技術,在落料管及下部導料槽之間連接回流管裝置并進行數值模擬,結果表明無動力除塵裝置充分實現了減壓、降速的目的,除塵效果顯著提升。

3)當回流管直徑為500 mm、回流管引流口至落料管底部水平距離為2 000 mm時,回流管兩端壓差達到最大,流體能量損失最多,對誘導氣流及沖擊氣流的減壓降速效果最顯著,除塵器除塵效果最佳。

4)本文僅針對無動力除塵器的回流管、回流管半徑、回流管引流口至落料管底部水平距離這三個影響作用較大的參數進行了最優除塵效果的研究分析。事實上,無動力除塵器的回流管傾斜度等其他結構參數也會對除塵器的抑塵效果產生影響,因其除塵效果的表征參數與本文中涉及的結構參數不同,故仍需進一步對其他結構參數進行研究分析。