基于CFD的散料輸送系統(tǒng)自除塵裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

［摘 要］針對散料輸送系統(tǒng)中存在的粉塵污染問題，文章通過建立CFD 模型，設(shè)計(jì)并仿真了一套基于氣固兩相流原理的自除塵裝置。該裝置集成了密封導(dǎo)料槽、回流管、擴(kuò)容區(qū)等結(jié)構(gòu)單元。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的自除塵裝置能夠有效控制氣流速度，使空氣中的顆粒聚集、沉降，從而大幅降低粉塵污染。該裝置實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)和材料的回收利用，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的統(tǒng)一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［關(guān)鍵詞］自除塵系統(tǒng)；CFD ；氣固兩相流；輸送系統(tǒng)

［中圖分類號］TM615 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0039–03

散料輸送系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要且常見的一種設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于眾多場所，如火力發(fā)電廠、鋼鐵廠等。然而，盡管其在生產(chǎn)過程中提供了高效便捷的物料輸送，卻不可避免地面臨著一個嚴(yán)峻的問題—— 粉塵污染。由于物料與空氣的相互作用，大量的粉塵會在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生，對環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。因此，研發(fā)高效、低能耗的除塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)散料輸送過程中的粉塵控制與治理，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

常見的除塵技術(shù)有電除塵、濕式靜電除塵、袋式除塵等，雖然能夠有效去除粉塵，但也存在一些缺點(diǎn)，如操作復(fù)雜、成本高昂、能耗大等。為了克服這些缺點(diǎn)，文章提出了一種無外力驅(qū)動的自除塵系統(tǒng)，用于散料輸送系統(tǒng)中的粉塵治理。該系統(tǒng)利用流體動力學(xué)原理，通過回流管、擴(kuò)容區(qū)等結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)自循環(huán)除塵功能，無需額外能耗，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

1 自除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自除塵系統(tǒng)是一種高效的除塵設(shè)備，其主要由密封導(dǎo)料槽、回流管、擴(kuò)容區(qū)以及阻尼擋塵簾等多個結(jié)構(gòu)組成，并與上下輸送機(jī)相配合使用。在工作過程中，首先通過頭部導(dǎo)流罩將物料引導(dǎo)進(jìn)入落料管，該落料管采用曲線結(jié)構(gòu)，使得物料能夠順利滑落至受料皮帶。密封導(dǎo)料槽的作用是防止粉塵外溢，確保工作環(huán)境的潔凈與安全。回流管則利用壓差原理，使氣流能夠回流到除塵系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)除塵效果。同時(shí)，擴(kuò)容區(qū)的設(shè)計(jì)能夠減速氣流，而阻尼擋塵簾則能夠改變氣流方向，二者共同協(xié)作，進(jìn)一步提高了除塵效率。該自除塵系統(tǒng)集成了管道除塵和自循環(huán)除塵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠高效地除塵，還能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用，充分發(fā)揮了資源的價(jià)值。

利用SolidWorks 建立系統(tǒng)三維幾何模型，如圖1所示。

1.2 工作原理

在自除塵系統(tǒng)的工作過程中，物料從上皮帶經(jīng)頭部導(dǎo)流罩進(jìn)入曲線落料管，并采取集束式有序滑落方式，以確保物料順利而有序地落入受料皮帶。此時(shí)，由于落料管和受料皮帶之間存在壓差，氣流通過回流管流入落料管，將粉塵回收。該回流管一端連接落料管，一端連接導(dǎo)料槽，使得除塵效果更加顯著。同時(shí)，擋塵簾的設(shè)計(jì)能夠改變氣流方向，擴(kuò)容區(qū)則能夠使氣流減速產(chǎn)生渦流，加速粉塵沉降。基于流體動力學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了高效、低能耗的除塵效果。

2 模型建立與仿真

2.1 計(jì)算模型

將自除塵系統(tǒng)三維模型，導(dǎo)入Fluent 中，設(shè)置材料屬性，定義邊界條件，生成計(jì)算網(wǎng)格。選擇Fluent流體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格如圖2 所示。

2.2 邊界條件

定義速度入口、壓力出口、移動壁面等邊界條件。速度入口為物料與氣流的混合相速度。壓力出口設(shè)置為大氣壓力。輸送帶采用移動壁面模型，其他壁面選擇默認(rèn)固定壁面設(shè)置。具體如圖3 所示。

2.3 仿真方案

選擇RNG k-epsilon 湍流模型，離散相為DPM模型，定義相間交互項(xiàng)。設(shè)置迭代次數(shù)、殘余值等求解控制參數(shù)。采用多核并行計(jì)算加速求解過程，減少仿真時(shí)間。

3 結(jié)果分析

原始結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的流體跡線如圖4 所示。從圖4 可以看出，空氣帶動粉塵運(yùn)動雜亂無章，隨著物料在落料管內(nèi)下落，沒有空氣進(jìn)行補(bǔ)充，在落料管內(nèi)形成局部負(fù)壓，顆粒形成亂流，不能使粉塵得到很好的抑制和沉降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)诼淞瞎芟路叫纬煞蹓m爆炸。

自除塵系統(tǒng)流體跡線如圖5 所示，在物料從落料管落下后，空氣會經(jīng)過回流管快速地補(bǔ)充到落料管下方形成的負(fù)壓區(qū)，同時(shí)帶到因落料產(chǎn)生的顆粒進(jìn)入回流管沉降，大幅消耗顆粒的動能，空氣通過第一回流區(qū)進(jìn)入第二回流區(qū)后可以看出，空氣的壓強(qiáng)大幅降低，同時(shí)空氣在第二回流區(qū)進(jìn)行回流，壓強(qiáng)進(jìn)一步降低，空氣流出回流區(qū)進(jìn)入擴(kuò)容曲后，壓強(qiáng)已經(jīng)從入口出的38 Pa 降低為5 Pa。

顆粒跡線如圖6 所示，可以看出，粉塵顆粒從入口進(jìn)入自除塵系統(tǒng)后在回流區(qū)回流管內(nèi)產(chǎn)生回流，在回流區(qū)腔體和擴(kuò)容曲腔體內(nèi)發(fā)生渦流。顆粒經(jīng)過回流和渦流后，可以看出顆粒相互碰撞粘合形成大顆粒，在重力作用下沉降，除塵設(shè)備出口相對進(jìn)口空中顆粒數(shù)量有大幅降低，顆粒多聚集在傳送帶上物料曲內(nèi)，空中少量顆粒速度均低于0.7 m/s，除塵效果良好。

評價(jià)優(yōu)化前后模型出口粉塵濃度分布情況：優(yōu)化后濃度顯著降低，最大濃度僅為優(yōu)化前的5% 左右，整體濃度分布更加均勻。優(yōu)化后的除塵效率可達(dá) 80%以上，滿足行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

通過仿真分析可以看出，所設(shè)計(jì)的自除塵系統(tǒng)能夠滿足除塵性能的要求，最大入口粉塵濃度約為60 g/m3，出口粉塵濃度僅為10 g/m3 左右，除塵效率超過80%。該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過幾何結(jié)構(gòu)和流體控制原理實(shí)現(xiàn)了高效除塵。

該自除塵系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、無需外力、低成本等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中不僅能夠有效地收集和處理粉塵，還能夠防止粉塵外溢，保障了生產(chǎn)環(huán)境的潔凈和安全。綜上所述，該自除塵系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，可以為不同行業(yè)的生產(chǎn)商提供高效、環(huán)保的除塵解決方案。未來工作將在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)收集，以進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)，推廣其在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一。

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