基于正交試驗的粉塵提取機結構優化研究

楊杰，郭迪，馬軍旭，宗浩陽，王新田

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.益豐重工裝備有限公司，河南 鄭州 450045）

砂石作為混凝土材料的重要組成部分，其質量和技術影響著混凝土的強度。近年來，隨著我國經濟的不斷發展，國家對基礎設施建設越來越重視，這大大刺激了砂石的需求量，然而，天然砂已經滿足不了市場需求，因此，機制砂就成為砂的主要來源。粉塵提取機主要運用在制砂生產線的脫粉環節，其分離效率和提取機內部流場密切相關,研究氣固兩相流動特性的方法主要有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法兩種。關于歐拉-拉格朗日法氣固兩相流的研究，王慧杰等人對超臨界水膜反應器進行了氣固兩相流數值模擬，采用拉格朗日離散模型，分析了顆粒直徑、入口速度對超臨界水膜反應器內的顆粒運動規律；蒲舸等人對CFBC旋風分離器進行了數值模擬，通過改變入口風速，提高了分離效率，排氣管調整了渦旋偏移的距離,改善了流場，但顆粒捕捉較為困難；黃興華等人對旋風分離器中的氣相流動及顆粒分離效率進行了數值研究，結果表明，顆粒進口位置和進口速度對顆粒的分離效率有較大影響，且排氣管直徑大小與顆粒分離效率成反比。對于砂粉分離的氣固兩相流研究，文獻報道甚少。因此，針對粉塵提取機砂粉分離效率低、浪費率高等問題，本文通過SolidWorks建立三維模型，并導入fluent進行模擬仿真，采用正交試驗法對其結果進行優化。本研究為粉塵提取機設計提供了理論依據。

1 砂石粉塵分離原理

1．1 粉塵提取機工作原理

粉塵提取機是一種新型的砂石分選工藝設備，對物料進行粗、細分離，砂石經散料箱進入粉塵提取機，在重力和氣流壓力的雙重影響下開始分離。砂石受氣流影響較小，從砂石出口流出；粉塵受氣流影響較大，從粉塵出口排出。分離出的砂石料經皮帶輸送機送到堆場存放，而被分離出的石粉則隨氣流進入石粉專用帶式除塵器，在其內部的沉降室內，氣流中的較粗顆粒受重力沉降作用而被收集并落入灰斗，微細顆粒則隨氣流經布袋收集后排入大氣，且完全達到了國家規定排放標準30mg/m2，回收的石粉經由灰斗下部的螺旋輸送機送至下一工序。

1．2 粉塵提取機相關參數特性

粉塵提取機由兩個進口和兩個出口組成，包括進風口、砂石進口、粉塵出口和砂石出口見圖1，其內部由5個溜料板呈階梯式組成。進風口的速度為16～20m/s，目前，進風口可用于整條生產線抑塵，但必須保證充足的進風量，以及進風口外接管道面積略大于進風口面積。粉塵出口所用的風機是G4-68鍋爐鼓風機，選擇適當的風壓，以獲取最佳的分離效果。

圖1 粉塵提取機結構

2 數值模擬與流場分析

2．1 控制方程

仿真采用歐拉—拉格朗日法。將流體作為連續相、顆粒作為離散相，通過計算流場中大量粒子的運動，得到離散相運動規律，計算得出顆粒的運動軌跡。粉塵提取機氣相分析應用了RNG k-ε模型，其湍動能k和耗散率ε的運輸方程如下。湍流動能（k）方程：

式中，ρ為密度；P為壓強；v為運動粘度；fi為體積力；μe為湍流黏性系數；μ為分子黏性系數；μt為渦黏性系數；Gk為湍流的產生項；C1ε,C2ε,Cμ,σk,σε為模型常數，且

顆粒性運動方程如下：

式中，up為顆粒相速度；u為連續相速度；FD為顆粒所受曳力；gx為顆粒重力加速度；ρP為顆粒密度；Fx是顆粒所受附加力。

2．2 計算條件

數值模擬時，計算方程離散方法采用有限體積法，壓力-速度耦合、SIMPLE算法，對所見模型進行數值求解，獲取壓力場。

氣相邊界條件設置，進風口和砂石進口均為速度入口，其砂粒下落速度為0.3m/s；砂石出口與粉塵出口采用壓力出口，砂石出口表壓強設為0Pa，由于粉塵出口連接抽風機，所以表壓強設置為負壓；壁面采用無滑移邊界。顆粒相邊界條件，砂石出口設置為escape，粉塵出口設置為trap，其余壁面設置為reflect。也就是說，顆粒經過粉塵提取機中從粉塵出口出去即認為被捕集，顆粒到達砂石出口即認為逃逸。

2．3 結果分析

對顆粒運動軌跡模擬時，在粉塵提取機的砂石進口截面處，得到共計1360個點源，即一次可以同時釋放1360個粒子。對這些粒子的運動軌跡進行統計，就可以得到粉塵出口砂石的捕捉率。

圖2 速度云圖/（m/s）

由圖2可知，砂石進入粉塵提取機后，受自身重力和氣流作用，沿著溜料板下落。在溜料板附近，顆粒下落的速度為1.76m/s，在接近砂石出口的位置，砂石受進風口氣流的影響，速度逐漸增大，最大速度達到10.6m/s。

由圖3可知，在塵粉提取機的內部成負壓狀態，大部分壓力達到-339Pa，而砂石出口的壓力較小，為-4880Pa，所以，大多數砂石從砂石出口“逃逸”，而少量砂石從粉塵出口被“捕捉”。

由圖4可以清晰地看到砂石的流向，大部分砂石從砂石出口流出，少數顆粒從粉塵出口流出。

圖3 壓力云圖/Pa

圖4 砂石流跡線圖

3 粉塵提取機優化設計

3．1 正交試驗設計

由于影響粉塵出口砂石捕捉率的因素較多，如進風口面積、位置等，為了保證分析結果的可靠性，對試驗進行了合理的安排，確定各個因素影響粉塵出口砂石的捕捉率的程度，同時，尋求粉塵提取機的一個較佳結構分布，由于全面試驗優化不現實，所以，用正交試驗法讓部分試驗代替全部試驗以反映整體情況。因此，選擇正交試驗法通過正交表規劃試驗，選出了3個因素對其進行分析：進風口速度、粉塵出口壓力、溜料板角度。在箱體尺寸不變的前提下，假定各因素之間不存在交互作用，每個因素取3個水平，正交試驗各因素水平見表1。

表1 因素水平表

根據表1試驗因數水平表，選擇L9(34)正交表擬定實驗方案由于是三因素三水平試驗，所以有一空列，通過空列可以估計試驗誤差大小。運用fluent模擬仿真，得出粉塵出口砂石的捕捉率，并以其作為正交試驗的評價指標，分析各個參數對分離效果的影響，正交試驗方案及結果見表2。

3．2 正交試驗結果分析

不同的結構分布及結構尺寸對粉塵提取機分離效率影響不一樣，通過極差分析，能夠直觀地了解各因素對粉塵出口砂石的捕捉率的影響程度。粉塵出口砂石的捕捉率越小，分離效果越好。進風口速度、粉塵出口壓力、溜料板角度對粉塵出口砂石的捕捉率極差，分析見表3。其中，為第j個因素第i水平所對應的數據和，為第j個因素第i水平所對應的數據之和的平均值[10]，Rj為第j個因素各水平的綜合平均值的極差，j=1，2，3，4。極差Rj反應隨因素水平變動的情況，極差越大，表示對粉塵出口砂石的捕捉率影響越大，則為主要因素，反之，為次要因素。根據表3由極差Rj判斷3個因素對粉塵出口砂石的捕捉率的影響程度：溜料板角度>進風口速度>粉塵出口壓力。

表2 正交實驗表

表3 極差分析

為分析各個因素變化對粉塵出口砂石捕捉率的具體影響趨勢，以粉塵出口砂石捕捉率的平均值。作為縱坐標繪制趨勢圖，各因素與粉塵出口砂石捕捉率關系如圖5所示。隨著進風口速度的增加，粉塵出口砂石捕捉率變大，由于粉塵出口的砂石捕捉率越小，砂石粉塵的分離效果較好，所以，當進風口速度為16m/s時，分離效果最佳；粉塵出口壓力對粉塵出口砂石捕捉率影響相對較小，但粉塵出口壓力為-200pa時，分離效果最好；溜料板角度是影響粉塵出口砂石捕捉率的關鍵，如圖5可知，溜料板角度為75度時，影響最大。

3．3 結構優選

根據正交試驗分析結果，選取進風口速度為16m/s、粉塵出口壓力為-200Pa、溜料板角度為75度作為最優參數組合。即A1B2C1，在9組正交試驗中沒有該參數組合，需要按該參數設置進行一次數值模擬，與9組實驗中分離效果的一組進行對比。正交試驗中分離效果最好的一組為第一組，其名稱命名為L1，最優參數組合命名為L10，兩組參數設置及粉塵出口砂石的捕捉率如表4所示。

從表4可知，L10的捕捉率較小，即分離效率最好，則這一組數據為最優結果。L10的分離效率為92.65%相比第九組實驗結果提高了9.34%。

表4 試驗結果

圖5 因素與捕捉率的關系圖

分離效率=1-粉塵出口的捕捉率

4 結語

通過workbench平臺，對粉塵提取機進行fluent模擬仿真，采用正交試驗法分析了溜料板角度、進風口速度、粉塵出口壓力對粉塵提取機分離效果的影響，并得出了以下結論：

(1)三個因素對粉塵提取機分離效率影響程度為溜料板角度>進風口速度>粉塵出口壓力。

(2)通過正交試驗得出最優的一組解A1B2C1，即進風口速度為16m/s，粉塵出口壓力為-200Pa，溜料板角度為75°，其分離效果最佳為92.65%。