粉塵提取機砂粉分離影響規律研究

楊 杰，郭 迪，宗浩陽，馬軍旭，王新田，施進發，汪良強，上官林建

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471000；3.中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471000；4.河南創申環保科技有限公司，河南 鄭州 450045；5.鄭州三和水工機械有限公司，河南 鄭州 430045)

0 引 言

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，從而加快了建筑行業的發展，砂石作為混凝土的原材料，其需求量也隨之增加。由于對天然砂的過度開采，導致優質的河砂資源減少。2018年，張雄在兩會中對建材行業提出了《關于促進機制砂生態環保產業健康發展的建議》[1]，明確指出我國不少地區天然砂資源已經接近枯竭，而機制砂的應用可以保護環境，節約成本，實現可持續發展，因此機制砂被廣泛應用到建筑工程、道路橋梁、農村基建等各個領域，同時也促進了制砂行業的發展。

粉塵提取機主要應用于制砂生產線的脫粉環節，成品機制砂通過粉塵提取機得出，其出砂率和提取機內部流場密切相關。本文以粉塵提取機內部流體經過區域為研究對象，進行氣固兩相流數值模擬，對于該方法的研究主要有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法兩種。在Fluent多相流研究中，當粒子體積濃度大于10%時，應選用歐拉-歐拉方法。關于歐拉-歐拉方法雙流體模型的研究，周明哲[2]采用歐拉-歐拉模型對多孔布風鼓泡流內壓力分布、氣泡運動等進行仿真，并進行實物驗證，模擬結果與實驗結果一致；WANG等[3]采用最小能量模型(EMMS)模型和歐拉雙流體模型相結合模擬了循環流化床內的氣固兩相流動，通過實驗發現的S形軸向空隙輪廓和窒息現象可以得到很好的預測；曹玉春等[4]通過基于顆粒動力學的雙流體模型對鼓泡床稠密氣固多相流進行數值模，分析了不同曳力模型，顆粒彈性恢復系數及計算時間步長等對床內混合及氣泡的影響。綜上可得，歐拉-歐拉方法適用于體積分數大于10%的多相流中。運用到生產的分離設備主要有離心式脫粉機[5]、一種砂粉分離機[6]、粉塵提取機，其中離心式脫粉機主要運用于選煤廠，利用旋轉氣固兩相流分離理論，設計上兼顧重力沉降和慣性力分離原理，使懸浮在氣流中固體顆粒受到不同作用力，從而分離出粗粒和粉塵。對于砂粉分離中石粉含量對機制砂混凝土的影響研究，DIAB等[7]研究了混凝土中石粉摻量在0%～25%范圍內的抗壓強度變化，結果表明混凝土抗壓強度與石粉含量成反比，當石粉含量在10%以內時，抗壓強度變化不大；DHIR等[8]的觀點為在相同水灰比(W/C)下，抗壓強度不會隨石粉含量的增加而增加，但石粉含量約為10%時混凝土抗壓強度變化不明顯。綜上可得，機制砂混凝土中石粉含量在10%左右，可滿足混凝土、水泥在工程中的應用。

本文針對粉塵提取機出砂率低的問題，對影響提取機出砂率的四個因素，即進風口風速、粉塵出口壓力、溜料板角度及粉塵出口截面直徑進行砂粉分離規律研究，運用SolidWorks建立三維模型，并導入Fluent軟件進行模擬仿真，通過SPSS軟件對兩因素交互作用試驗結果進行回歸分析，為粉塵提取機優化與研究提供了理論依據。

1 粉塵提取機工作原理

采用中原地區生產的機械制砂設備，對中原太行山地區5～10 mm石灰石顆粒進行沖擊整形，得出所需的80目機制砂。將5～10 mm的石灰石通過傳送帶傳遞到制砂機破碎，從制砂機出來的砂石將被提升機送到篩分設備，經過篩選，將大于所需成品尺寸的砂石篩選出來，通過傳送裝置送到原材料倉，而小于或等于成品尺寸的砂石和粉塵通過管道進入粉塵提取機，粉塵提取機將砂石和粉塵分離，在脫粉過程中，成品砂將送至成品罐(砂罐)，而被抽風機吸走的粉塵通過除塵裝置(過濾)將其送至粉罐。

粉塵提取機是一種新型的砂石分選工藝設備，承擔對物料進行粗、細分離，它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(圖1(a))，其內部5個溜料板呈階梯式排列(圖1(b))。砂石經散料箱進入粉塵提取機，經過溜料板，在溜料板上形成堆積，后續進來的砂石經過堆積，目的是減少與溜料板的沖擊。砂粉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，粉塵受抽風機吸力作用較大從粉塵出口排出。分離出的砂石料經皮帶輸送機送到成品存放處；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，且完全達到國家標準《建筑用砂》(GB/T 14684—2001)規定的排放標準30 mg/m2，回收的石粉經由灰斗下部的螺旋輸送機送至下工序。

圖1 粉塵提取機結構Fig.1 Dust extraction machine structure

2 理論計算

在整個流場中，氣流和砂石的運動都遵循質量守恒與動量守恒。

1)質量守恒方程。流場中氣流相和砂石相的連續方程[9]見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

2)動量守恒方程。q相的動量守恒方程見式(3)；q相的壓力應變張量見式(4)。

(3)

(4)

根據式(3)將流體作用在顆粒上的力引入Fluent軟件求解器，并開始計算作用在顆粒上的重力、曳力等，直至計算結束，均滿足質量守恒和動量守恒。

3 粉塵提取機內部流場分析

3.1 計算模型

粉塵提取機內部結構較復雜，因此對其結構進行簡化，并采用多面體網格劃分(圖2)。由圖2可知，網格cell為518 270個，通過Orthogonal Quality進行網格質量檢查，結果為0.85，網格劃分質量較好。

圖2 粉塵提取機多面體網格Fig.2 Polyhedron grid of sand powder separation machine

3.2 邊界條件

在Fluent軟件仿真分析中，各邊界條件見表1。

表1 邊界條件分布表Table 1 Distribution of boundary conditions

3.3 結果分析

試驗結果分析以兩因素交互作用試驗中的一組為例。粉塵提取機X軸方向長為1.41 m，取X=0.705 m時的界面為粉塵提取機對稱面，并對其進行后處理云圖、曲線分析，具體分析如下所述。

由圖3可知，提取機內部壓力分化明顯，粉塵出口附近為負壓，壓力為-467 Pa(負號表示吸力，下同)，溜料板右側的壓力為正壓，壓力為395 Pa。風從右邊的進風口進入，由于溜料板遮擋的作用，導致粉塵出口壓力明顯低于砂石出口。

圖3 壓力云圖Fig.3 Pressure nephogram

由圖4可知，砂石進入粉塵提取機后，受自身重力和氣流作用，沿著溜料板的下落，在溜料板上形成砂堆，后續進來的砂石經過砂堆時，可以減少砂石對溜料板的沖擊。此外，還可以看到砂石主要分布在溜料板上。

圖4 砂石體積分數分布圖Fig.4 Cloud chart of sand volume fraction

圖5為砂石出口截面的砂石速度監控曲線圖。監控砂石速度是為了保障現場工作人員的安全，速度太快還會產生粉塵，影響成品砂質量。曲線具體分析為：在0～0.5 s范圍時，砂石的速度為0 m/s，原因為砂石剛進入提取機內，在溜料板上形成堆積，沒有砂石從砂石出口經過；在0.5～1 s范圍內，砂石速度由0 m/s升到6.2 m/s，是由于溜料板右側有一部砂石溜走，導致速度的變化；在1～1.5 s時，砂石速度由6.2 m/s降為4.5 m/s，因為從溜料板左側下落得砂石到達砂石出口，使其平均速度降低；時間在1.5 s以后，砂石速度穩定在4.5 m/s左右。

圖5 砂石出口速度監控曲線圖Fig.5 Monitoring curve of gravel outlet speed

4 兩因素交互試驗影響規律

4.1 試驗設計方案

將影響砂粉出砂率的四個因素(進風口風速X1，粉塵出口壓力X2，溜料板角度X3，粉塵出口截面直徑X4)分別兩兩組合，按照二次回歸正交組合設計方法，進行兩因素交互[10]作用試驗安排。出砂率(Y)為試驗指標。兩因素交互作用試驗安排次數滿足式(5)和式(6)。

n=mc+2p+m0

(5)

γ4+2pγ2+2p-12(p+0.5m0)=0

(6)

對于P、m0、r、mc、n參照文獻[11]，即：m0=3，mc=4，n=9，γ=1.148。

確定各因素的零水平和變化區間，并對各因子進行水平編碼，因素水平編碼表見表2，計算公式見式(7)。

表2 兩因素試驗因素水平編碼表Table 2 Factor level coding of two factors test

(7)

式中：Z0j、X0j為基準水平；Z1j為下星號臂；Z2j為上星號臂；X1j為上水平；X-1j為下水平。

兩因素交互作用試驗方案表見表3。在試驗過程中，除去考慮交互作用的兩個因素外，其余因素均取0水平。

表3 兩因素試驗方案Table 3 The plan of two factors test

4.2 兩因素試驗結果分析

兩因素交互作用的回歸模型見式(8)。

(8)

式中，i、j為因素。

1)進風口風度與粉塵出口壓力交互作用。回歸模型見式(9)。

(9)

通過SPSS[12]軟件分析可得，R2為0.846，式(9)方程式在水平0.003處顯著，方程中回歸系數在0.005～0.034水平顯著。

圖6為X1與X2交互作用與出砂率的曲面圖。由圖6可知：①進風口風速較小時，出砂率隨粉塵出口壓力增大而增大。這是因為粉塵出口吸力較大，砂石從粉塵出口流出；進風口風速較大時，出砂率隨粉塵出口壓力增大而增大，但出砂率變化不大，這表明，此時粉塵出口壓力影響較小。②出砂率最大時，進風口風速接近15 m/s。模擬結果見表4。

圖6 X1與X2交互作用與出砂率的曲面圖Fig.6 Relationship between X1 and X2 interaction and separation rate

表4 進風口風速與粉塵出口壓力交互作用試驗安排及結果Table 4 Experimental arrangement and results of the interaction between air inlet velocity and dust outlet pressure

2)進風口風速與溜料板角度交互作用，回歸模型見式(10)。

(10)

經檢驗，R2為0.779，式(10)方程式在水平0.036處顯著，方程中回歸系數在0.047～0.112水平顯著。

圖7為X1與X3交互作用與出砂率的曲面圖。由圖7可知，進風口風速固定時，出砂率隨溜料板角度先減小后增大。這是因為溜料板的角度的變化，導致進風口風速經過溜料板時速度的變化，從而影響出砂率。此外，從圖7還能看出，進風口風速和溜料板角度有交互作用，但是回歸方程沒有交互作用項，說明二者交互作用不明顯。模擬結果見表5。

圖7 X1與X3交互作用與出砂率的曲面圖Fig.7 Relationship between X1 and X3 interaction and separation rate

表5 進風口風速與溜料板角度交互作用試驗安排及結果Table 5 Experimental arrangement and results of interaction between air inlet velocity and angle of slide plate

3)粉塵出口壓力與溜料板角度交互作用。回歸模型見式(11)。

(11)

經檢驗，R2為0.764，式(11)在水平0.043處顯著，式中回歸系數在0.040～0.417水平顯著。

圖8為X2與X3交互作用與出砂率的曲面圖。由圖8可知，粉塵出口壓力較小時，出砂率隨溜料板角度的變化不大，均在20%以下，這表明當粉塵出口壓力足夠小時，溜料板角度對分離效率影響不明顯；粉塵出口壓力較大時，出砂率隨溜料板角度變化不大，但出砂率較粉塵出口壓力小時明顯增大。此外，從圖8還可以看出，粉塵出口壓力和溜料板角度有交互作用，但是回歸方程沒有交互作用項，說明二者交互作用不明顯，且粉塵出口壓力影響較大。模擬結果見表6。

圖8 X2與X3交互作用與出砂率的曲面圖Fig.8 Relationship between X2 and X3 interaction and separation rate

表6 粉塵出口壓力與粉塵出口截面直徑交互作用試驗安排及結果Table 6 Experimental arrangement and results of interaction between dust outlet pressure and dust outlet section diamete

(12)

式中：P為進風口截面壓力，Pa，可根據管道長度求得；ρ為空氣密度為1.2 kg/m3。

5 結 論

通過對粉塵提取機進行前處理，并進行模擬仿真，設計兩因素交互試驗，分析了進風口風速度、粉塵出口壓力、溜料板角度和粉塵出口直徑對粉塵提取機分離效率的影響規律，并得出以下結論。

1)進風口風速與粉塵出口壓力有交互作用，且粉塵出口壓力對出砂率影響較大。

2)溜料板角度分別與進風口風速和粉塵出口壓力進行交互作用，均不明顯，在60°～120°范圍內，溜料板角度較小時，出砂率隨粉塵出口壓力的增大而增大。

3)當進風口風速為15.26 m/s，粉塵出口壓力為-628.39 Pa，溜料板角度為90°，粉塵出口截面直徑為1 000 mm時，出砂率最佳，為95.35%。