圆管带式输送机转运站内部粉尘流动模拟研究

李昕健，苏金辉，廖辉，沈国良，牛凯

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 361000）

传统圆管带式输送机转运站内过渡段胶带处于张开状态（见图1），虽然倒导料槽能有效减小物料在下落到胶带过程中引起的扬尘，但是对于碰撞后产生粉尘较多的物料（如煤灰），在物料随胶带离开导料槽后仍然会因为自身或转运站外部的气流产生大量扬尘，扬尘不仅会造成转运站内部及周围环境的污染，还可能会导致粉尘爆燃造成安全事故[1]。管带机过渡段的扬尘问题始终困扰着用户。

图1 管带机过渡段

通过Fluent 流体仿真软件对落料管至胶带段的粉尘颗粒进行扩散模拟计算，通过仿真的手段揭示粉尘的扩散路径，并采取有效防治措施。

1 粉尘扩散模拟仿真

1.1 离散相模型（DPM）及物料性质

DPM 是Fluent 中一种用来描述非连续相的求解模型，粉尘在物理模型上定义为固体，他不具备流体的连续性[2]，故流体的求解模型无法适用于求解固体粉尘颗粒在气流中的运动。DPM 是一种耦合了流体运动来表带自身运动的求解模型，它使用欧拉法来描述流体运动，又运用拉格朗日法来描述颗粒在流场的运动。DPM 区别于其他离散相模型，它的使用范围是颗粒的体积分数小于10%，同时不考虑颗粒体积和颗粒之间的相互作用力，颗粒自身运动受流体影响，对于转运站内的粉尘颗粒模拟是一种非常实用的求解模型[3]。

物料料性的标定是DPM 仿真最为核心的一部分，也关系到最终仿真结果的准确性。粉尘物料性如图2所示。FLUNET 的材料库中收入了大多数粉尘的物料性，本研究采用实际工程中最易引起扬尘的煤灰作为仿真对象，煤灰的颗粒大、密度较高，在转运站中容易沉降。

图2 粉尘物料性

1.2 转运站三维建模

建模对象为某厂区内部的试验线管带机尾部转运站，保留二层转运站的窗口作为外部气流进入的入口。转运站内部见图3。

图3 转运站内部

对内部的落料管、导料槽、胶带和过渡段支架进行建模（见图4）。转运站内部空间体积为实际二楼体积，整个落料系统的头部漏斗位于三楼，其余部件均位于二楼转运站内。建模时增加防尘罩，用于仿真对比有无防尘罩的抑尘效果。

图4 转运站三维建模

1.3 边界条件设置

DPM 是根据流体相的欧拉方程耦合颗粒相的拉格朗日方程的求解模型[4]，故在Fluent 中，需开启描述流体相的湍流模型。湍流模型选用常规的Κ-ε模型，其中求解方程选用RNG 模式，进口气流（主要是空气）流速根据颗粒运动仿真软件ROCKY[5]，计算得出煤块最后落至胶带上的速度为2—3m/s，煤块扬起煤尘速度约为0.5m/s，因此换算出此时进口流速（FLUENT DPM 颗粒需要“搭乘”流体速度进行运算），本研究还测量了厂区内转运站外部侧风并将其作为一个影响因素进行模拟对比，根据实际测速仪监测的风速，计算得出转运站侧墙窗口的风速约为0.7m/s。

2 仿真结果及分析

本研究设4 组模型进行仿真对比，同时向头部漏斗处释放7×106个左右的煤灰颗粒，其中，1、2 组为有导料槽无防尘罩和有导料槽有防尘罩；3、4 组为有导料槽无防尘罩有侧风和有导料槽有防尘罩受转运站外部侧风影响。

转运站内截取4 个面，计算每个截面上的煤灰颗粒浓度和煤灰颗粒逃逸数量，如图5 所示。

图5 转运站截面示意图

转运站内部灰尘浓度云图如图6 所示，浓度云图顺序为图5 中1、2、3 截面的顺序。

图6 转运站内部灰浓度云图

从图6（a）和（b）可知，无论有无防尘罩转运站内部整体煤灰粉尘分布集中在导料槽口处，导料槽能很好抑制煤灰粉尘在接触胶带后向四周扩散。对比三个截面煤灰浓度可知，有防尘罩可以更好地将煤灰粉尘集中在防尘罩内。

但是如图6（b）截面所示，在胶带中段处还是会有一部分粉尘向外泄漏。对比图6（a）和（b）可知，增加防尘罩的粉尘运动集中在防尘罩内，能很好地防止粉尘向四周扩散。

为探究在实际工况下，转运站内部真实的粉尘情况，对仿真模型增加了外部风力影响。

增加侧风后仿真结果如图7 所示，其中图7（b）为图5（b）中的截面4。

图7 转运站内部灰浓度云图

由图7（a）可知，在有侧风的情况下，防尘罩内部的煤灰粉尘运动轨迹开始变得杂乱，粉尘受侧向风力影响，截面1 处的粉尘浓度相较于图6（b）明显增多。从图7（b）可以看出，粉尘在离开导料槽后马上受到风力影响而扩散，此时粉尘在转运站内部的扩散情况符合实际工况下粉尘的分布情况。

为更清楚体现防尘罩对煤灰在转运站内部的分布影响，在转运站胶带出口和导料槽内设置颗粒数量监测点，煤灰颗粒经过出口定义为向外逃逸，导料槽内部定义为残留煤灰颗粒，本次仿真共释放约7×107个粉尘颗粒，颗粒总数量=传送带煤灰数量+导料槽内部煤灰数量+在转运站内漂浮数量。

从下表可知，在有防尘罩的情况下，无论转运站内部是否受到测风影响，转运站内部逃逸的煤灰数量都大于无防尘罩的情况，特别是在受到外界风力气流影响下。这是由于增加防尘罩后，煤灰颗粒会集中在防尘罩内部，大部分煤灰颗粒会沉降在胶带上随着胶带成管状后离开转运站，没有沉降在胶带上的煤灰颗粒也会随着防尘罩引导直接从过渡段出口离开转运站。

仿真过程煤灰颗粒分部情况

3 结语

圆管带式输送机仅靠导料槽只能抑制物料从落料管出口的扬尘；导料槽出口至成管段之间的物料受转运站外部风力气流影响很容易造成二次扬尘；通过在过渡段安装防尘罩能在很大程度上抑制外界气流引起的二次扬尘，同时未沉降的粉尘颗粒也能顺着防尘罩排放至转运站外部。

综上，在管带机过渡段安装防尘罩，不仅能减少扬尘，还能使粉尘按一定方向排出转运站，有效减少了转运站内部的粉尘浓度，有效降低转运站内部的粉尘污染和爆燃风险。