选煤厂转载点诱导气流影响因素的实验研究*

王式耀，葛少成，陈　曦,2，张兴华

(1．辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2．辽宁工程技术大学 安全工程技术研究院，辽宁 阜新 12300)

数字出版日期： 2017-09-14

0　引言

选煤厂转载点诱导气流的产生主要是煤料下落时对周围空气的拽曳作用引起的[1]。煤料在转运的过程中，因其自身的运动而带动周围空气随之运动，形成诱导气流，而煤料夹带的粉尘在诱导气流造成的负压下扩散出来，并且当煤料撞击胶带时，诱导气流方向在短时间内发生改变并致使煤料中的粉尘再次扩散，导致作业空间的粉尘污染[1-5]。

多年来，国内外学者对不同工况下的落料诱导气流进行了大量研究，Hemeon[6]对物料下落的诱导气流量进行了分析，他将诱导气流看成是单个物料在静止空气中自由下落产生的气流总和；Peter Wypych[7]认为物料中间运动的颗粒对周围气流产生的影响较颗粒单独下落对气流造成的影响要小，并通过实验得出诱导气流量与下落高度的5/3次方成正比，单位质量料流产生的诱导气流量与单位料流量的-0.67次方成正比。我国学者刘启觉等[8-9]从牛顿剪切定律出发，将料流下落过程假设为理想过程，得出了理想落料管落料的诱导气流量与落料官的空气运动粘度的1/2次方成正比，与下料高度的3/4次方成正比。虽然国内外学者通过相似模型实验或数值模拟等技术手段得出的研究结果都认为物料的下料高度、物料的质量流量、物料的粒度等影响因素是转载点诱导气流大小的重要因素[6-14]，但研究过程所设定的条件或建立模型都与选煤厂的实际现场情况有一定偏差，基于此，为了更准确研究选煤厂转载点诱导气流运移问题，笔者根据现场实际情况出发，自主设计了一套等比例缩小的转载点诱导气流实验装置系统，对转载点产生诱导气流的主要影响因素进行分析，为选煤厂安全高效生产提供可靠的依据支撑。

1　实验系统与实验方法

1.1　实验系统

转载点诱导气流实验装置系统是根据现场实际进行自主设计的，系统由振动给料机、料仓、斜槽、落料箱、风速仪等组成。煤料预先装在料仓中，振动给料机振动给料，通过调节旋钮改变给料机振动频率来调节下料量，斜槽为物料提供下料通道，用镀锌板折成的200 mm×150 mm的U型槽并能够伸缩改变长度，上口用透明PC板密封，胶带长2 400 mm，带面宽400 mm，上部用透明PC塑料板密封，胶带通过调频器调节运行速度并实现0～1 m/s无限调节，落料箱用于下落物料的收集，落料箱尺寸为1 100 mm×900 mm×400 mm，数据的采集使用热球式风速仪，其实验装置如图1所示。

图1　转载点诱导气流实验平台Fig.1　Transfer point induced airflow experiment platform

1.2　实验材料

实验煤样选取自辽宁省阜新市海州露天煤矿，并根据选煤厂用煤情况选取了粒度相对均匀的末煤作为实验用料，通过晾晒和湿度测试，保证湿度基本一致。实验样品如图2所示。

图2　实验煤样Fig.2　Experimental coal samples

1.3　实验方法

为了解下料高差h，单位时间下料量m和胶带运行情况等因素对转载点诱导气流的影响，改变各参数，测量气流速度。其中实验参数：下落高差h为 750，950，1 150，1 350 mm，单位时间下料量m为2，5， 8，11 t/h ，胶带速度V胶为0.31，0.47，0.63，0.79 m/s。具体的实验内容分为3个方面：单位时间下料量与诱导气流的关系，其中设定胶带速度为0.47 m/s，落料高差950 mm，在斜槽倾角为30°，45°，60° 3个角度下分别测量2，5，8，11 t/h 4个单位时间下料量下所产生的诱导气流速度;下料高度与诱导气流的关系，设定胶带速度为0.63 m/s，单位时间落料量为8t/h，同样在斜槽倾角为30°，45°，60° 3个角度下分别测量750，950，1 150，1 350 mm 4个下料高度下的诱导气流速度;不同条件下胶带运行情况对诱导气流的影响，单位时间落料量为2，5t/h和落料高差950，1 150 mm情况下分别测量斜槽倾角为30°，45°，60° 3个角度下胶带速度为0和0.47 m/s时的诱导气流速度。

2　实验结果与分析

2.1　单位时间下料量与诱导气流的关系

实验开始时，风速仪、胶带、给料机同时开启，根据料仓的容量，将测量时间定为40 s，当到达测量时间时，首先关闭测量仪器以及给料机，待胶带上的物料全部落入落料箱，关闭胶带，得到诱导气流速度随时间的变化曲线，通过对不同落料量下的诱导气流的比较，研究落料量对诱导气流影响其实验结果如图3所示。

图3　单位时间下料量与诱导气流速度之间的关系Fig.3　The relationship between the amount of material being discharged and the velocity of induced airflow

由图3可以看出:

1)不同的单位时间下料量情况下导料槽内诱导气流速度变化趋势整体相同，即导料槽内诱导气流速度在5 s后迅速提升，在10 s以后趋于稳定。

2)导料槽内诱导气流速度的大小随着单位时间下料量的增加呈幂函数的趋势增大，当物料核心区对气流的诱导作用较弱，且当物料下料量增大时处于物料核心区的质量增多，外围区增加的相对值较小，此时导料槽内诱导气流速度趋于平缓，说明幂函数的指数较小，即随着煤的单位时间下料量的提高，诱导气流速度的增加量逐渐放缓。

3)在相同下落高度下，当斜槽倾角增大时，斜槽的长度相对缩短，物料与斜槽的相应摩擦力减小而且重力在沿斜槽方向的分力增大，即物料在沿斜槽方向上的加速度增大，物料所能达到的最大速度增大，由于物料的速度越大对其周围空气的拽曳力越大，因此，在相同下落高度下，随着斜槽的倾角增大时，导料槽内诱导气流的运行速度增大明显。

2.2　下料高度与诱导气流之间的关系

与2.1步骤相同通过改变不同下料高差，研究在斜槽倾角为30°，45°，60° 3个角度下不同下料高差对诱导气流的影响，其实验结果如图4所示。

图4　高度与诱导气流速度之间的关系Fig.4　The relationship between the height and the velocity of induced airflow

从图4可以看出：

1)4个不同下料高度情况下的诱导气流速度在10 s以后趋于稳定，且气流速度随高度的升高在明显增大，导料槽处诱导气流速度的增加量随下料高度的增大也在持续增大。

2)物料下落速度的提高是增大物料对周围空气曳力作用的主要影响因素，而物料下落高度的增大很明显的提高了物料下落的最大速度，同时，下料斜槽角度的增大同样能够提高物料下落的速度。

3)当物料随下料速度增大时，物料所占的空间增大，料流的孔隙率也随之增大，料流核心区外的静止气流随之填充进料流空间内，而且外国学者Peter Wypych通过实验得出了诱导气流量与物料下料高度的5/3次方成正比，即物料的诱导气流的增加量随下料高度的提高而增大，因此，诱导气流的速度随下料高度的升高而明显增大。

2.3　胶带速度与诱导气流的关系

胶带对转载点诱导气流的影响主要包括2个方面：第一，胶带对空气的曳力作用使气流速度相对增加；第二，由于胶带对物料的输出，保证了系统空间的相对稳定，并且使斜槽2端压差相对平衡，进而使转载点的诱导气流持续平稳。

为主要研究不同条件下胶带的运行对诱导气流的影响，将胶带运行速度设定为0和0.47 m/s，然后同2.1步骤进行实验，其实验结果如图5所示。

图5　胶带与诱导气流的关系Fig.5　the relationship between belt and the velocity of induced airflow

从图5可以看出：

1)当胶带停止运行时，即胶带速度为0时，气流速度基本都是经过先升高后降低的过程，胶带速度为0.47 m/s时，诱导气流速度在10 s左右开始趋于平稳。

2)当煤料的下落速度较大时，即斜槽倾角或高差较大时，胶带运行对空气拽曳作用的影响相对较小，气流速度大小没相对明显的变化，此时胶带的运行能够输出胶带上堆积的煤料，使系统状态保持相对稳定，诱导气流随系统的运行保持相对平稳。

3)当煤料的下落速度相对较小时，胶带对周围空气拽曳作用的影响相对较大，胶带运行前后诱导气流大小变化相对明显，而且运行状态相对稳定。总而言之，胶带运行对转载点诱导气流的影响相对较大，但胶带对诱导气流的影响程度与物料的下料角度，下料高度和下料量之间又存在着紧密的联系。

2.4　单位时间下料量、下料高度、胶带速度对诱导气流的影响

为指导实际生产，掌握单位时间下料量、下料高度、斜槽倾角、胶带运行速度对诱导气流的综合影响，采用工程流体力学及能量守恒方法[15]，并结合IBM SPSS Statistics 数据分析软件进行拟合，得到下料量、下料高度、斜槽倾角、胶带运行速度对诱导气流速度的影响，得到以下表达式：

(1)

(2)

式中：V为诱导气流速度，m/s；h为下料高度，m；A为料流投影面积，m2；m为下料量，kg/s；V胶为胶带运行速度，m/s；CD为空气粘性阻力系数，Pa/s；ρ为空气密度，kg/m3；D为斜槽宽带，mm。

通过公式可以看出，单位时间落料量大小和落料高度对诱导气流的影响相对较大，作用效果较明显。

3　结论

1)转载点诱导气流速度随单位时间下料量的增加而增大，而且诱导气流的增加量不断减小，即随物料质量的增加，单位质量的物料产生的诱导气流不断减小。

2)随下料高差的增大，物料势能增加，其下料速度增大，导致诱导气流增加，并且受空间的变化，诱导气流的增加量不断变大。

3)随着斜槽倾角的变大，物料的下落速度提高，对其周围空气的拽曳能力增强，使其诱导气流速度和诱导气流量增大。

4)胶带的运行对转载点的诱导气流有一定的影响，胶带对空气的拽曳，使气流速度加快，系统压力差增大，导致诱导气流量增加。

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