封閉料場溜槽粉塵濃度分布規(guī)律研究

吳旺平,張 杰

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,上海 200941)

寶鋼原料場現(xiàn)有膠帶機(jī)近700條,輸送流程3 300余個,膠帶機(jī)之間為溜槽中轉(zhuǎn),由于系統(tǒng)作業(yè)物料品種、性狀各不相同,加上溜槽落差不同,導(dǎo)致溜槽極容易出現(xiàn)揚灰現(xiàn)象。隨著超低排放和綠色低碳政策的推進(jìn),對原料場環(huán)境管控的要求越來越高。針對此,需要對物料在溜槽中的揚塵擴(kuò)散規(guī)律和顆粒運動軌跡進(jìn)行研究,找出粉塵在轉(zhuǎn)運過程中的擴(kuò)散規(guī)律。

本文以原料場不同規(guī)格的溜槽為研究對象,依據(jù)相似理論建立溜槽相似試驗?zāi)Ｐ?通過試驗測定溜槽內(nèi)粉塵濃度,分析研究粉塵擴(kuò)散規(guī)律與物料粒度、物料含水率和溜槽高度的關(guān)系,并利用FLUENT軟件對不同粒徑的物料進(jìn)行數(shù)值計算,研究粉塵顆粒在溜槽內(nèi)分布規(guī)律及運動軌跡,為解決溜槽揚塵污染問題提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù),為當(dāng)前溜槽灑水點位置提供理論支持。

1 模擬試驗裝置與方法

1.1 模擬試驗裝置

以寶鋼封閉料場溜槽為原型,構(gòu)建的模擬試驗裝置如圖1所示。

圖1 溜槽模型示意圖Fig.1 Picture of chute model

根據(jù)卸料量及堆料方法,結(jié)合理論計算得到溜槽設(shè)計尺寸。本文根據(jù)相似理論借助量綱分析法導(dǎo)出相似準(zhǔn)則數(shù),見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中:aH為原型與模型高度比;HH為原型高度;HM為模型高度;AH為原型面積;AM為模型面積;VH為原型體積;VM為模型體積。根據(jù)幾何相似理論和實驗室條件,溜槽模型卸料高度H為2.2、2.5、3.1 m。

1.2 粉塵監(jiān)測點布置

考慮到在下料過程中,溜槽內(nèi)不同高度產(chǎn)塵機(jī)理與濃度不同,將測點分別布置在溜槽底部距離地面0.5、1.0、1.5 m處。

1.3 粉塵濃度的測定

本試驗采用稱重法測定粉塵濃度,使用過氯乙烯纖維濾膜收集粉塵顆粒。采用旋片式真空泵抽取一定體積的空氣通過已知質(zhì)量的濾膜,空氣中的粉塵顆粒被阻留在濾膜上,根據(jù)采樣前后濾膜的質(zhì)量差及采氣量,即可計算粉塵的濃度C,見式(4)。

(4)

式中:m1、m2分別為采樣前后的濾膜質(zhì)量,mg;Q為采樣流量,1.8 m3/h;t為采樣時間,s。

1.4 物料來源

(1) 取樣清單。本試驗對粉狀物料、塊狀物料各取兩種進(jìn)行對比試驗,其中粉狀物料為石灰石粉MLG-S、塊礦篩下粉ONM-N-F,塊狀物料為塊石灰石MLC-N、塊礦0NM-N。

(2) 粒度分布。對物料試樣依次進(jìn)行分揀、粗篩、細(xì)篩,最后確定其粒徑分布,見表1。MLG-S中65.6%粒徑集中分布在0.5～0.85 mm之間,ONM-N-F粒徑比MLG-S略大一點,有65.4%分布在0.85～0.8 mm之間;57.5%的MLC-N粒徑大于25 mm,而ONM-N比MLC-N略小一點,將近有45.4%的ONM-N分布在10～25 mm之間。

表1 物料粒度分布Table 1 Grain size distribution of raw material %

1.5 試驗方案

(1) 本試驗采用單因素試驗方案,分別考察物料含水率、溜槽高度、物料卸料量三個因素對粉塵擴(kuò)散規(guī)律的影響,溜槽高度2.2、2.5、3.1 m;測定溜槽內(nèi)0.5、1.0、1.5 m三個高度的粉塵濃度,繪制濃度變化曲線,分析溜槽粉塵擴(kuò)散規(guī)律。

(2) 對模擬試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié),通過FLUENT軟件對溜槽內(nèi)粉塵濃度分布進(jìn)行模擬計算,得到粉塵濃度分布云圖和粒子運動軌跡云圖,來研究封閉料場溜槽中粉塵分布規(guī)律。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 物料含水率對粉塵濃度的影響

物料卸料量為34 kg/s、溜槽高度為2.2 m時,粉塵濃度與物料含水率的關(guān)系見圖2。從圖2看出,四種物料隨著含水率增大,粉塵濃度逐漸減小。原因是高濕度的情況下礦石中的細(xì)小顆粒團(tuán)聚到一起,下落過程中凝聚成更大的團(tuán)塊顆粒,由于水分子與粉塵顆粒之間的結(jié)合,表面的分子力的作用,礦石表面的粉塵不容易逸出;但繼續(xù)增加粉礦含水率溜槽內(nèi)粉塵濃度降幅不是很大。MLG-S、ONM-N含水率為3.0%、MLC-N含水率為1.7%、ONM-N-F含水率為5.0%時,達(dá)到最小臨界水分值。

圖2 粉塵濃度與物料含水率的關(guān)系Fig.2 Relationship between dust concentration and material moisture content

2.2 溜槽高度對粉塵擴(kuò)散的影響

物料卸料量為34 kg/s、四種物料含水率為0.1%時,粉塵濃度與溜槽高度的關(guān)系見圖3。從圖3看出,四種物料的粉塵濃度均隨著溜槽高度的增加而逐漸增大。尤其是粉狀物料MLG-S粉塵濃度受溜槽高度影響較大,溜槽高度從2.2 m增加到3.1 m,粉塵濃度從 7 335.1 mg/m3增加到8 881.1 mg/m3。其他三種物料粉塵濃度受影響較小,變化幅度較小。隨著溜槽高度的增大,物料下落將重力勢能轉(zhuǎn)化為物料自身動能,使物料下落速度增大,誘導(dǎo)氣流的大小受物料流向下運動的速度影響,而誘導(dǎo)氣流是引起溜槽粉塵的主要原因[1],大部分物料顆粒沿著原運動軌跡到達(dá)溜槽底部,少量顆?？赡軙撾x逸散到空氣中。這與物料粒徑大小有關(guān),大顆粒物料若脫離原來的運動軌跡,由于重力作用將在短時間內(nèi)自然沉降;而細(xì)小顆粒脫離原來的運動軌跡逸散到空氣中很難沉降,在空氣中的停留時間過長,即使己經(jīng)沉降下來,在物料流的沖擊下又將進(jìn)入空氣中成為二次污染[2]。MLG-S在四種物料中粒徑最小,因此受溜槽高度影響較大,變化幅度較明顯。

圖3 粉塵濃度與溜槽高度關(guān)系Fig.3 Relationship between dust concentration and chute height

2.3 物料含水率和溜槽高度對粉塵濃度的影響

不同溜槽高度下物料含水率對粉塵濃度的影響見圖4。

圖4 不同溜槽高度下物料含水率對粉塵濃度的影響Fig.4 Influence of chute height and material moisture content on dust concentration

從圖4可看出,隨含水率的增加,卸料時溜槽內(nèi)粉塵濃度減少;隨著卸料落差增大,溜槽內(nèi)粉塵濃度也增大。物料含水率的增加,卸料時溜槽內(nèi)粉塵濃度減少,根據(jù)以上實驗室模擬試驗結(jié)果,對物料不同含水率x、溜槽高度y與粉塵濃度z的關(guān)系進(jìn)行擬合,得到回歸方程如式(5)～(8):

2.4 卸料量對粉塵濃度的影響

四種物料粉塵濃度與卸料量呈線性關(guān)系,見圖5。

圖5 不同卸料量下溜槽內(nèi)的粉塵濃度Fig.5 Dust concentration on different discharge volume

從圖5可以看出,隨著卸料量的增加,各物料的粉塵濃度都在遞增。特別是ONM-N-F粉塵濃度受卸料量影響最大,卸料量從10 kg逐漸增加到34 kg,粉塵濃度從1 466.7 mg/m3增大到4 713.3 mg/m3。ONM-N粉塵濃度變化也比較明顯,從1 300 mg/m3增大到3 473.3 mg/m3。MLG-S與MLC-N相比之下粉塵濃度受影響較小,變化幅度較小。ONM-N-F粒徑比MLG-S略大一點,隨著卸料量的不斷增加,由于下落過程中碰撞效應(yīng)的存在,ONM-N-F中部分粒徑較大的顆粒會因破碎產(chǎn)生更大的粉塵。MLC-N由于本身硬度較大,且細(xì)小粉塵顆粒比ONM-N中細(xì)小顆粒少,所以隨著卸料量的增加,粉塵濃度變化幅度沒有ONM-N明顯。

2.5 溜槽空間內(nèi)粉塵濃度分布規(guī)律

2.5.1 物料在溜槽空間內(nèi)測點處的濃度分布

溜槽高度為2.2 m時四種物料在測點處的粉塵濃度分布見圖6。

圖6 溜槽內(nèi)不同測點的粉塵濃度分布Fig.6 Dust concentration on different measuring points in the chute

從圖6可看出各物料0.5 m處的粉塵濃度高于1.0 m和1.5 m的,因此溜槽高度0.5 m處是粉塵控制的重點區(qū)域。尤其MLG-S在測點位置從0.5 m升高到1.5 m處,粉塵濃度從9 453.3 mg/m3減小到4 578.6 mg/m3。另外三種物料粉塵濃度受影響較小,變化幅度較小。MLG-S在四種物料中粒徑最小,細(xì)小顆粒最多,部分細(xì)小顆粒脫離原運動軌跡在空中長時間停留,又因為連續(xù)卸料,已經(jīng)沉降的顆粒再次因沖擊力升到0.5 m附近,產(chǎn)生大量粉塵。

2.5.2 物料在溜槽空間內(nèi)粉塵濃度分布

為了研究整個溜槽空間的粉塵濃度分布規(guī)律,選擇粉狀物料MLG-S、塊狀物料ONM-N測定溜槽空間內(nèi)不同位置的粉塵濃度,溜槽高度為2.2 m,物料在溜槽空間內(nèi)粉塵濃度分布見圖7。

圖7 溜槽空間內(nèi)粉塵濃度分布Fig.7 Dust concentration distribution in chute space

從圖7可看出溜槽空間內(nèi)自下而上,粉塵濃度逐漸遞減,其中塊狀物料ONM-N測點從0.25 m上升到0.5 m處時,粉塵濃度驟減,其余位置濃度分布規(guī)律和粉狀物料MLG-S在溜槽空間內(nèi)濃度分布規(guī)律基本一致,自下而上逐漸遞減。ONM-N中有部分細(xì)小顆粒,在連續(xù)卸料過程中,因沖擊力的作用,細(xì)小顆粒被揚起,但由于實驗室條件限制,卸料量一定,沖擊力太小限制了細(xì)小顆粒不能到達(dá)較高位置,所以在0.25～0.5 m這個空間內(nèi)出現(xiàn)了粉塵濃度驟減的現(xiàn)象。

3 溜槽粉塵分布規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型的假設(shè)

對封閉料場溜槽內(nèi)氣固兩相流進(jìn)行數(shù)值計算時,依據(jù)現(xiàn)場實際情況,提出四點假設(shè):

(1) 流體的紊流黏性具有各向同性;

(2) 溜槽內(nèi)的氣流不可壓縮,并符合Boussinesq假設(shè);

(3) 溜槽壁面光滑,不透風(fēng);

(4) 不考慮其他受力,只考慮重力的影響。

3.2 模型的建立

3.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

粉塵在封閉料場溜槽中的運動屬于粉塵在空氣中的運動,其本質(zhì)上屬于氣固兩相流的研究范疇[3],運用計算流體力學(xué)(CFD)FLUENT軟件對封閉料場溜槽中的粉塵運動軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬。氣固兩相流動的數(shù)值模擬有兩種方法:歐拉—歐拉法和歐拉—拉格朗日法[4],經(jīng)分析得到,MLG-S在初始水分下,溜槽落差為3.1 m時,溜槽內(nèi)部粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到10 733.3 mg/m3,粉塵所占體積分?jǐn)?shù)也遠(yuǎn)小于10%,所以本文采用離散相模型。本次計算中忽略粉塵顆粒之間的相互作用,只考慮流場對粉塵顆粒的作用。

3.2.2 物理模型的建立

模型基本參數(shù)為:溜槽高度為2.2、2.5、3.1 m,寬2.2 m,流體連續(xù)相為空氣,其密度為1.293 kg/m3,離散相以粉狀物料MLG-S為例,密度為2 750 kg/m3。溜槽的三維建模及溜槽剖面圖如圖8所示。

圖8 溜槽的三維建模及溜槽剖面圖Fig.8 Three dimensional modeling and profile of chute

下料時物料從上側(cè)進(jìn)入溜槽中,大部分落到圖8(a)中斜面的擋板上再反彈到地上產(chǎn)生粉塵,還有一部分直接落到地上產(chǎn)生粉塵。研究圖8(b)這個側(cè)面上的濃度分布。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 粉塵濃度的分布

圖9表示的是溜槽系統(tǒng)從開始運行至運行結(jié)束溜槽內(nèi)部的粉塵濃度分布云圖。從圖9可以看出:

圖9 粉塵濃度分布云圖Fig.9 Cloud diagram of dust concentration distribution

(1) 在下落過程中物料顆粒之間的碰撞效應(yīng)較大。當(dāng)部分物料到達(dá)溜槽受料平臺后與受料平臺發(fā)生碰撞,反彈到一定高度與向下運動的物料繼續(xù)碰撞,在受料平臺附近產(chǎn)生粉塵濃度較大;當(dāng)大部分物料到達(dá)溜槽底部時,在底部與皮帶發(fā)生碰撞,部分物料受力反彈到一定高度與向下的粉礦繼續(xù)碰撞。物料在底部碰撞效應(yīng)較為劇烈,從圖9(c)可以看出底部粉塵濃度達(dá)到峰值,在溜槽空間內(nèi)從下至上粉塵濃度逐漸減小,這個與實驗室模擬試驗結(jié)果一致。

(2) 采用皮帶機(jī)運輸物料,物料流連續(xù),當(dāng)物料不斷到達(dá)溜槽底部后,受料平臺附近、溜槽底部的粉塵濃度逐漸增大,同時溜槽其他區(qū)域的粉塵濃度也在逐漸增大。

3.3.2 粒子運動軌跡

圖10表示的是溜槽系統(tǒng)從開始運行至運行結(jié)束溜槽內(nèi)部粉塵顆粒的運動軌跡。從圖10可以看出:

圖10 粒子運動軌跡云圖Fig.10 Cloud picture of particle trajectory

(1) 物料在下落開始比較集中,由于空氣阻力不均勻,顆粒物開始逐漸散開,團(tuán)聚的顆粒流橫向分布,有利于顆粒與空氣接觸,更有利于粉礦中細(xì)小顆粒隨氣流擴(kuò)散開來,驗證了試驗中顆粒流在橫向上的分布;隨著高度的下降,物料對氣流的阻力作用增大,也引起更多的小顆粒與氣流接觸,導(dǎo)致粉塵濃度增大,驗證了溜槽底部粉塵濃度達(dá)到最大。

(2) 在對所選另外五種物料經(jīng)數(shù)值計算后對比得到:物料粒徑越小,微細(xì)顆粒量越多,卸料時溜槽內(nèi)部產(chǎn)生的粉塵濃度越大,高粉塵濃度持續(xù)的時間也越長,與實驗室模擬試驗結(jié)果也基本一致。

4 結(jié)論

(1) 實驗室模擬試驗結(jié)果表明,物料在封閉料場溜槽堆料作業(yè)過程中將產(chǎn)生大量粉塵,粉塵濃度與物料含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系;粉塵濃度與溜槽高度成正相關(guān)關(guān)系;溜槽空間內(nèi)自下而上粉塵濃度遞減,溜槽底部濃度達(dá)到峰值;物料粒徑越小、細(xì)小顆粒越多,產(chǎn)生的粉塵濃度越大;不同物料由于自身特性、物料下落過程中碰撞效應(yīng)的存在,產(chǎn)生的粉塵濃度也不同。

(2) 由FLUENT數(shù)值模擬分析得知,物料在溜槽內(nèi)卸料過程中,粉塵主要集中在受料平臺附近和溜槽底部,其中底部粉塵濃度達(dá)到峰值,與實驗室模擬試驗結(jié)果一致;物料粒徑越小,微細(xì)顆粒量越多,卸料時溜槽內(nèi)部產(chǎn)生的粉塵濃度越大,高粉塵濃度持續(xù)的時間也越長。

(3) 試驗和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析表明,溜槽底部是粉塵濃度最大的塵源,是粉塵污染控制的重點區(qū)域,可以選擇在溜槽底部設(shè)置濕式降塵措施。