選煤廠轉載點誘導氣流影響因素的實驗研究*

王式耀，葛少成，陳　曦,2，張興華

(1．遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2．遼寧工程技術大學 安全工程技術研究院，遼寧 阜新 12300)

數字出版日期： 2017-09-14

0　引言

選煤廠轉載點誘導氣流的產生主要是煤料下落時對周圍空氣的拽曳作用引起的[1]。煤料在轉運的過程中，因其自身的運動而帶動周圍空氣隨之運動，形成誘導氣流，而煤料夾帶的粉塵在誘導氣流造成的負壓下擴散出來，并且當煤料撞擊膠帶時，誘導氣流方向在短時間內發生改變并致使煤料中的粉塵再次擴散，導致作業空間的粉塵污染[1-5]。

多年來，國內外學者對不同工況下的落料誘導氣流進行了大量研究，Hemeon[6]對物料下落的誘導氣流量進行了分析，他將誘導氣流看成是單個物料在靜止空氣中自由下落產生的氣流總和；Peter Wypych[7]認為物料中間運動的顆粒對周圍氣流產生的影響較顆粒單獨下落對氣流造成的影響要小，并通過實驗得出誘導氣流量與下落高度的5/3次方成正比，單位質量料流產生的誘導氣流量與單位料流量的-0.67次方成正比。我國學者劉啟覺等[8-9]從牛頓剪切定律出發，將料流下落過程假設為理想過程，得出了理想落料管落料的誘導氣流量與落料官的空氣運動粘度的1/2次方成正比，與下料高度的3/4次方成正比。雖然國內外學者通過相似模型實驗或數值模擬等技術手段得出的研究結果都認為物料的下料高度、物料的質量流量、物料的粒度等影響因素是轉載點誘導氣流大小的重要因素[6-14]，但研究過程所設定的條件或建立模型都與選煤廠的實際現場情況有一定偏差，基于此，為了更準確研究選煤廠轉載點誘導氣流運移問題，筆者根據現場實際情況出發，自主設計了一套等比例縮小的轉載點誘導氣流實驗裝置系統，對轉載點產生誘導氣流的主要影響因素進行分析，為選煤廠安全高效生產提供可靠的依據支撐。

1　實驗系統與實驗方法

1.1　實驗系統

轉載點誘導氣流實驗裝置系統是根據現場實際進行自主設計的，系統由振動給料機、料倉、斜槽、落料箱、風速儀等組成。煤料預先裝在料倉中，振動給料機振動給料，通過調節旋鈕改變給料機振動頻率來調節下料量，斜槽為物料提供下料通道，用鍍鋅板折成的200 mm×150 mm的U型槽并能夠伸縮改變長度，上口用透明PC板密封，膠帶長2 400 mm，帶面寬400 mm，上部用透明PC塑料板密封，膠帶通過調頻器調節運行速度并實現0～1 m/s無限調節，落料箱用于下落物料的收集，落料箱尺寸為1 100 mm×900 mm×400 mm，數據的采集使用熱球式風速儀，其實驗裝置如圖1所示。

圖1　轉載點誘導氣流實驗平臺Fig.1　Transfer point induced airflow experiment platform

1.2　實驗材料

實驗煤樣選取自遼寧省阜新市海州露天煤礦，并根據選煤廠用煤情況選取了粒度相對均勻的末煤作為實驗用料，通過晾曬和濕度測試，保證濕度基本一致。實驗樣品如圖2所示。

圖2　實驗煤樣Fig.2　Experimental coal samples

1.3　實驗方法

為了解下料高差h，單位時間下料量m和膠帶運行情況等因素對轉載點誘導氣流的影響，改變各參數，測量氣流速度。其中實驗參數：下落高差h為 750，950，1 150，1 350 mm，單位時間下料量m為2，5， 8，11 t/h ，膠帶速度V膠為0.31，0.47，0.63，0.79 m/s。具體的實驗內容分為3個方面：單位時間下料量與誘導氣流的關系，其中設定膠帶速度為0.47 m/s，落料高差950 mm，在斜槽傾角為30°，45°，60° 3個角度下分別測量2，5，8，11 t/h 4個單位時間下料量下所產生的誘導氣流速度;下料高度與誘導氣流的關系，設定膠帶速度為0.63 m/s，單位時間落料量為8t/h，同樣在斜槽傾角為30°，45°，60° 3個角度下分別測量750，950，1 150，1 350 mm 4個下料高度下的誘導氣流速度;不同條件下膠帶運行情況對誘導氣流的影響，單位時間落料量為2，5t/h和落料高差950，1 150 mm情況下分別測量斜槽傾角為30°，45°，60° 3個角度下膠帶速度為0和0.47 m/s時的誘導氣流速度。

2　實驗結果與分析

2.1　單位時間下料量與誘導氣流的關系

實驗開始時，風速儀、膠帶、給料機同時開啟，根據料倉的容量，將測量時間定為40 s，當到達測量時間時，首先關閉測量儀器以及給料機，待膠帶上的物料全部落入落料箱，關閉膠帶，得到誘導氣流速度隨時間的變化曲線，通過對不同落料量下的誘導氣流的比較，研究落料量對誘導氣流影響其實驗結果如圖3所示。

圖3　單位時間下料量與誘導氣流速度之間的關系Fig.3　The relationship between the amount of material being discharged and the velocity of induced airflow

由圖3可以看出:

1)不同的單位時間下料量情況下導料槽內誘導氣流速度變化趨勢整體相同，即導料槽內誘導氣流速度在5 s后迅速提升，在10 s以后趨于穩定。

2)導料槽內誘導氣流速度的大小隨著單位時間下料量的增加呈冪函數的趨勢增大，當物料核心區對氣流的誘導作用較弱，且當物料下料量增大時處于物料核心區的質量增多，外圍區增加的相對值較小，此時導料槽內誘導氣流速度趨于平緩，說明冪函數的指數較小，即隨著煤的單位時間下料量的提高，誘導氣流速度的增加量逐漸放緩。

3)在相同下落高度下，當斜槽傾角增大時，斜槽的長度相對縮短，物料與斜槽的相應摩擦力減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，物料所能達到的最大速度增大，由于物料的速度越大對其周圍空氣的拽曳力越大，因此，在相同下落高度下，隨著斜槽的傾角增大時，導料槽內誘導氣流的運行速度增大明顯。

2.2　下料高度與誘導氣流之間的關系

與2.1步驟相同通過改變不同下料高差，研究在斜槽傾角為30°，45°，60° 3個角度下不同下料高差對誘導氣流的影響，其實驗結果如圖4所示。

圖4　高度與誘導氣流速度之間的關系Fig.4　The relationship between the height and the velocity of induced airflow

從圖4可以看出：

1)4個不同下料高度情況下的誘導氣流速度在10 s以后趨于穩定，且氣流速度隨高度的升高在明顯增大，導料槽處誘導氣流速度的增加量隨下料高度的增大也在持續增大。

2)物料下落速度的提高是增大物料對周圍空氣曳力作用的主要影響因素，而物料下落高度的增大很明顯的提高了物料下落的最大速度，同時，下料斜槽角度的增大同樣能夠提高物料下落的速度。

3)當物料隨下料速度增大時，物料所占的空間增大，料流的孔隙率也隨之增大，料流核心區外的靜止氣流隨之填充進料流空間內，而且外國學者Peter Wypych通過實驗得出了誘導氣流量與物料下料高度的5/3次方成正比，即物料的誘導氣流的增加量隨下料高度的提高而增大，因此，誘導氣流的速度隨下料高度的升高而明顯增大。

2.3　膠帶速度與誘導氣流的關系

膠帶對轉載點誘導氣流的影響主要包括2個方面：第一，膠帶對空氣的曳力作用使氣流速度相對增加；第二，由于膠帶對物料的輸出，保證了系統空間的相對穩定，并且使斜槽2端壓差相對平衡，進而使轉載點的誘導氣流持續平穩。

為主要研究不同條件下膠帶的運行對誘導氣流的影響，將膠帶運行速度設定為0和0.47 m/s，然后同2.1步驟進行實驗，其實驗結果如圖5所示。

圖5　膠帶與誘導氣流的關系Fig.5　the relationship between belt and the velocity of induced airflow

從圖5可以看出：

1)當膠帶停止運行時，即膠帶速度為0時，氣流速度基本都是經過先升高后降低的過程，膠帶速度為0.47 m/s時，誘導氣流速度在10 s左右開始趨于平穩。

2)當煤料的下落速度較大時，即斜槽傾角或高差較大時，膠帶運行對空氣拽曳作用的影響相對較小，氣流速度大小沒相對明顯的變化，此時膠帶的運行能夠輸出膠帶上堆積的煤料，使系統狀態保持相對穩定，誘導氣流隨系統的運行保持相對平穩。

3)當煤料的下落速度相對較小時，膠帶對周圍空氣拽曳作用的影響相對較大，膠帶運行前后誘導氣流大小變化相對明顯，而且運行狀態相對穩定。總而言之，膠帶運行對轉載點誘導氣流的影響相對較大，但膠帶對誘導氣流的影響程度與物料的下料角度，下料高度和下料量之間又存在著緊密的聯系。

2.4　單位時間下料量、下料高度、膠帶速度對誘導氣流的影響

為指導實際生產，掌握單位時間下料量、下料高度、斜槽傾角、膠帶運行速度對誘導氣流的綜合影響，采用工程流體力學及能量守恒方法[15]，并結合IBM SPSS Statistics 數據分析軟件進行擬合，得到下料量、下料高度、斜槽傾角、膠帶運行速度對誘導氣流速度的影響，得到以下表達式：

(1)

(2)

式中：V為誘導氣流速度，m/s；h為下料高度，m；A為料流投影面積，m2；m為下料量，kg/s；V膠為膠帶運行速度，m/s；CD為空氣粘性阻力系數，Pa/s；ρ為空氣密度，kg/m3；D為斜槽寬帶，mm。

通過公式可以看出，單位時間落料量大小和落料高度對誘導氣流的影響相對較大，作用效果較明顯。

3　結論

1)轉載點誘導氣流速度隨單位時間下料量的增加而增大，而且誘導氣流的增加量不斷減小，即隨物料質量的增加，單位質量的物料產生的誘導氣流不斷減小。

2)隨下料高差的增大，物料勢能增加，其下料速度增大，導致誘導氣流增加，并且受空間的變化，誘導氣流的增加量不斷變大。

3)隨著斜槽傾角的變大，物料的下落速度提高，對其周圍空氣的拽曳能力增強，使其誘導氣流速度和誘導氣流量增大。

4)膠帶的運行對轉載點的誘導氣流有一定的影響，膠帶對空氣的拽曳，使氣流速度加快，系統壓力差增大，導致誘導氣流量增加。

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