王式耀，葛少成，陳　曦,2，張興華

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全工程技術(shù)研究院，遼寧 阜新 12300)

數(shù)字出版日期： 2017-09-14

0　引言

選煤廠轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流的產(chǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)氣流，而煤料夾帶的粉塵在誘導(dǎo)氣流造成的負(fù)壓下擴散出來，并且當(dāng)煤料撞擊膠帶時，誘導(dǎo)氣流方向在短時間內(nèi)發(fā)生改變并致使煤料中的粉塵再次擴散，導(dǎo)致作業(yè)空間的粉塵污染[1-5]。

多年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同工況下的落料誘導(dǎo)氣流進行了大量研究，Hemeon[6]對物料下落的誘導(dǎo)氣流量進行了分析，他將誘導(dǎo)氣流看成是單個物料在靜止空氣中自由下落產(chǎn)生的氣流總和；Peter Wypych[7]認(rèn)為物料中間運動的顆粒對周圍氣流產(chǎn)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(dǎo)氣流量與下落高度的5/3次方成正比，單位質(zhì)量料流產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流量與單位料流量的-0.67次方成正比。我國學(xué)者劉啟覺等[8-9]從牛頓剪切定律出發(fā)，將料流下落過程假設(shè)為理想過程，得出了理想落料管落料的誘導(dǎo)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(nèi)外學(xué)者通過相似模型實驗或數(shù)值模擬等技術(shù)手段得出的研究結(jié)果都認(rèn)為物料的下料高度、物料的質(zhì)量流量、物料的粒度等影響因素是轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流大小的重要因素[6-14]，但研究過程所設(shè)定的條件或建立模型都與選煤廠的實際現(xiàn)場情況有一定偏差，基于此，為了更準(zhǔn)確研究選煤廠轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流運移問題，筆者根據(jù)現(xiàn)場實際情況出發(fā)，自主設(shè)計了一套等比例縮小的轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流實驗裝置系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)載點產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流的主要影響因素進行分析，為選煤廠安全高效生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)支撐。

1　實驗系統(tǒng)與實驗方法

1.1　實驗系統(tǒng)

轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流實驗裝置系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場實際進行自主設(shè)計的，系統(tǒng)由振動給料機、料倉、斜槽、落料箱、風(fēng)速儀等組成。煤料預(yù)先裝在料倉中，振動給料機振動給料，通過調(diào)節(jié)旋鈕改變給料機振動頻率來調(diào)節(jié)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(diào)頻器調(diào)節(jié)運行速度并實現(xiàn)0～1 m/s無限調(diào)節(jié)，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(shù)據(jù)的采集使用熱球式風(fēng)速儀，其實驗裝置如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)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(jù)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(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流的影響，改變各參數(shù)，測量氣流速度。其中實驗參數(shù)：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(nèi)容分為3個方面：單位時間下料量與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系，其中設(shè)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(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流速度;下料高度與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系，設(shè)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(dǎo)氣流速度;不同條件下膠帶運行情況對誘導(dǎo)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(dǎo)氣流速度。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1　單位時間下料量與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系

實驗開始時，風(fēng)速儀、膠帶、給料機同時開啟，根據(jù)料倉的容量，將測量時間定為40 s，當(dāng)?shù)竭_測量時間時，首先關(guān)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(guān)閉膠帶，得到誘導(dǎo)氣流速度隨時間的變化曲線，通過對不同落料量下的誘導(dǎo)氣流的比較，研究落料量對誘導(dǎo)氣流影響其實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3　單位時間下料量與誘導(dǎo)氣流速度之間的關(guān)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(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度變化趨勢整體相同，即導(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流速度在5 s后迅速提升，在10 s以后趨于穩(wěn)定。

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

3)在相同下落高度下，當(dāng)斜槽傾角增大時，斜槽的長度相對縮短，物料與斜槽的相應(yīng)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(dǎo)料槽內(nèi)誘導(dǎo)氣流的運行速度增大明顯。

2.2　下料高度與誘導(dǎo)氣流之間的關(guān)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(dǎo)氣流的影響，其實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4　高度與誘導(dǎo)氣流速度之間的關(guān)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(dǎo)氣流速度在10 s以后趨于穩(wěn)定，且氣流速度隨高度的升高在明顯增大，導(dǎo)料槽處誘導(dǎo)氣流速度的增加量隨下料高度的增大也在持續(xù)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(dāng)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(qū)外的靜止氣流隨之填充進料流空間內(nèi)，而且外國學(xué)者Peter Wypych通過實驗得出了誘導(dǎo)氣流量與物料下料高度的5/3次方成正比，即物料的誘導(dǎo)氣流的增加量隨下料高度的提高而增大，因此，誘導(dǎo)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(dǎo)氣流的關(guān)系

膠帶對轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)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(tǒng)空間的相對穩(wěn)定，并且使斜槽2端壓差相對平衡，進而使轉(zhuǎn)載點的誘導(dǎo)氣流持續(xù)平穩(wěn)。

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

圖5　膠帶與誘導(dǎo)氣流的關(guān)系Fig.5　the relationship between belt and the velocity of induced airflow

從圖5可以看出：

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

2)當(dāng)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(tǒng)狀態(tài)保持相對穩(wěn)定，誘導(dǎo)氣流隨系統(tǒng)的運行保持相對平穩(wěn)。

3)當(dāng)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(dǎo)氣流大小變化相對明顯，而且運行狀態(tài)相對穩(wěn)定?？偠灾?，膠帶運行對轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流的影響相對較大，但膠帶對誘導(dǎo)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(lián)系。

2.4　單位時間下料量、下料高度、膠帶速度對誘導(dǎo)氣流的影響

為指導(dǎo)實際生產(chǎn)，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(dǎo)氣流的綜合影響，采用工程流體力學(xué)及能量守恒方法[15]，并結(jié)合IBM SPSS Statistics 數(shù)據(jù)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(dǎo)氣流速度的影響，得到以下表達式：

(1)

(2)

式中：V為誘導(dǎo)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(shù)，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(dǎo)氣流的影響相對較大，作用效果較明顯。

3　結(jié)論

1)轉(zhuǎn)載點誘導(dǎo)氣流速度隨單位時間下料量的增加而增大，而且誘導(dǎo)氣流的增加量不斷減小，即隨物料質(zhì)量的增加，單位質(zhì)量的物料產(chǎn)生的誘導(dǎo)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(dǎo)致誘導(dǎo)氣流增加，并且受空間的變化，誘導(dǎo)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(dǎo)氣流速度和誘導(dǎo)氣流量增大。

4)膠帶的運行對轉(zhuǎn)載點的誘導(dǎo)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(tǒng)壓力差增大，導(dǎo)致誘導(dǎo)氣流量增加。

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