胡 斌 ，陳長健

(1.華潤電力控股有限公司，廣東 深圳 518001；2.華潤電力(仙桃) 有限公司，湖北 仙桃 433000)

落料管是轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)備的重要部分，在輸送、密封、調(diào)節(jié)工藝流程以及合理物料分布等方面起著重要的作用；散料在運(yùn)輸過程中，落料管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)易造成堵料、粉塵污染、設(shè)備嚴(yán)重磨損等問題[1-10]。散料的各種特性對落料管的影響有所不同，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)運(yùn)站的結(jié)構(gòu)也有所差異。在設(shè)計(jì)之初，只有正確、全面地考慮散料的特性，才能保證設(shè)備正常運(yùn)行。

1 散狀物料的特性與種類

散狀物料的特性于1977年已有統(tǒng)一的解釋與定義，在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3435《輸送機(jī)運(yùn)輸散狀物料分類和代號》中建立散裝材料的分類和符號化，確保輸送機(jī)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)輸送機(jī)時(shí)獲得最詳盡和唯一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的描述。

散料種類繁多，如煤炭、礦石、谷物、土壤、礫石等，大小和形狀差異很大，在落料管中的流動行為具有復(fù)雜性。如大型采石場巖石會產(chǎn)生強(qiáng)力沖擊，沙子精細(xì)高度磨蝕流動性強(qiáng)，黏土類的黏性物料易板結(jié)在設(shè)備上等。各種物料顆粒的粒徑、密度及黏性等參數(shù)對落料管的正常工作具有很大的影響。

由于物料本身具有復(fù)雜特性，因而運(yùn)用傳統(tǒng)的運(yùn)算難以得到清晰的分析結(jié)論。以下將借助EDEM系列軟件并結(jié)合DEM離散單元法的仿真模擬技術(shù)，用于模擬物料顆粒、設(shè)備材料等方面的實(shí)際工況，且模擬任意大小、形狀的真實(shí)材料以及物料之間和物料與設(shè)備之間的相互作用，分別針對物料種類以及物料特性對落料管的作用進(jìn)行仿真分析對比說明。EDEM模擬真實(shí)材料示意如圖1所示。

2 物料校準(zhǔn)原則

EDEM系列軟件的原理是通過牛頓運(yùn)動定律和材質(zhì)間的接觸模型來計(jì)算每一個(gè)顆粒的運(yùn)動與碰撞，通過大量迭代運(yùn)算，最后得到整體物料流動的結(jié)果，從而為設(shè)計(jì)提供了有力、準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

物料校準(zhǔn)是EDEM系列軟件仿真模擬最為核心的一部分，也是關(guān)系到最終仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。所謂物料校準(zhǔn)是指把虛擬的物料模型通過實(shí)驗(yàn)、調(diào)節(jié)參數(shù)，達(dá)到與現(xiàn)實(shí)效果幾乎一致的過程。在仿真模擬之前，對該工況下所使用的物料進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從中獲取相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；之后通過計(jì)算機(jī)模擬標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整EDEM系列軟件中相應(yīng)的參數(shù)，使得EDEM仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致，則表示物料完成了校準(zhǔn)的工作，從而保證了仿真模擬的真實(shí)性、可靠性。

3 物料種類分析

以某項(xiàng)目中轉(zhuǎn)運(yùn)站為例，EDEM仿真模型如圖2所示。該電廠以1 000 t/h的運(yùn)量分別輸送褐煤、煙煤及無煙煤3種物料,皮帶運(yùn)速為3 m/s，設(shè)備高度為9.5 m。

圖2 EDEM仿真模型

通過EDEM軟件建立物料的顆粒模型，即通過繪制單個(gè)或多個(gè)小球的模型進(jìn)行填充物料，使物料更加真實(shí)。此次仿真中建立了雙球、三球顆粒模型，雙球模型直徑為36 mm，三球模型直徑為52 mm。EDEM仿真顆粒模型如圖3所示。

圖3 EDEM仿真顆粒模型

根據(jù)3種物料的屬性定義物料的真密度、泊松比、楊氏模量和剪切模量、物料粒徑分布及物料接觸模型。主要物料的密度、粒徑及黏附性對比見表1，褐煤、煙煤、無煙煤的接觸參數(shù)設(shè)置分別見表2、表3、表4。

表1 褐煤、煙煤及無煙煤物料特性對比表

表2 褐煤接觸參數(shù)設(shè)置

表3 煙煤接觸參數(shù)設(shè)置

表4 無煙煤接觸參數(shù)設(shè)置

以EDEM BulkSim仿真設(shè)定種不同物料在相同輸送條件下對同一落料管的作用進(jìn)行對比分析。

3.1 運(yùn)動形式分析

料流的運(yùn)動形式與設(shè)備的磨損、跑偏及揚(yáng)塵等問題都有直接的關(guān)系。例如料流的沖擊點(diǎn)(沖擊角度和沖擊前后的速度)對設(shè)備的磨損有直接的影響，跑偏則是由于落料管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對料流的聚散程度的影響，料流速度過快也極易產(chǎn)生揚(yáng)塵。褐煤、煙煤、無煙煤整體速度如圖4所示，3種不同物料在落料管中的落差值:褐煤的平均運(yùn)動速度最快，其次為煙煤。褐煤作為煤化程度最低的低階煤，其顆粒較小，密度不大，沒有黏性；在落料管中運(yùn)動速度較煙煤與無煙煤要快，對落料管的沖擊更大；3種煤的落料速度變化趨勢總體一致，褐煤的變化程度明顯，無煙煤由于其顆粒的粒徑較大，運(yùn)動趨勢的變化比較提前，但同運(yùn)量下，質(zhì)量密度大，料流量小，相對而言對落料管沖擊量較小。

圖4 褐煤、煙煤、無煙煤整體速度曲線圖

根據(jù)能量守恒定律與動能定理，物料在運(yùn)動過程中，沖擊落料管的瞬間，物料的動能轉(zhuǎn)化為對設(shè)備的勢能，可能為塑性變形能、熱能、聲能等。所述能量的轉(zhuǎn)化造成了設(shè)備的磨損。

3.2 磨損分析

根據(jù)該轉(zhuǎn)運(yùn)站落料管內(nèi)物料的運(yùn)動情況，物料的沖擊動能損耗部分能量主要轉(zhuǎn)化為沖擊磨損所消耗的能量上。而沖擊磨損所消耗的能量根據(jù)Relative Wear計(jì)算模型又可分成法向累積接觸能、切向累積接觸能兩種能量。EDEM BulkSim導(dǎo)出數(shù)據(jù)分析整理如圖5、圖6所示。

圖5 褐煤、煙煤、無煙煤切向摩擦磨損對比分析圖

圖6 褐煤、煙煤、無煙煤切向沖擊磨損對比分析圖

3類物料對落料管的作用變化與速度變化對比基本一致，褐煤與煙煤的基本作用位置均在給料匙處，褐煤與煙煤在速度變化的最明顯處也在給料匙處，可驗(yàn)證能量守恒定律。

褐煤產(chǎn)生的磨損遠(yuǎn)大于煙煤及無煙煤，原因在于褐煤粒徑較小、無黏性、散料流量大、速度快且松散，在落料管中的運(yùn)動形式并未完全緊貼料管壁，散料流直接沖擊落料管壁而造成沖擊角度與另外兩者對比較大。給料匙處料流速度如圖7所示。

(a)褐煤 (b)無煙煤 (c)煙煤圖7 給料匙處料流速度圖

由于不同種類物料間的密度、粒度等不同，輸送物料的不同會影響沖擊角度、沖擊力度和勢能，從而對落料管的沖擊磨損造成不同的影響。沖擊角度越大，料流量越大，造成的勢能沖擊越大，磨損更嚴(yán)重。

3.3 揚(yáng)塵分析

對于細(xì)小且干燥的物料、落料管的構(gòu)造不合理極易造成揚(yáng)塵，因散料在落料管里轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)生了劇烈的碰撞、相互擠壓等現(xiàn)象，不能形成穩(wěn)定、均勻的料流，則易形成大量有效誘導(dǎo)風(fēng)，將含水率低且細(xì)小的顆粒從料流中脫離出，從而造成很嚴(yán)重的揚(yáng)塵問題。出料口揚(yáng)塵圖如圖8所示。

圖8 出料口揚(yáng)塵圖

在輸送干燥的褐煤及煙煤時(shí)存在揚(yáng)塵問題。由于物料在轉(zhuǎn)運(yùn)站里未能較好地形成匯聚型的料流，存在較大空隙，在此過程中易形成誘導(dǎo)風(fēng)，最終將其中細(xì)小的煤粉顆粒從落料管中帶入空氣中從而導(dǎo)致?lián)P塵的產(chǎn)生。對于像煙煤此類物料而言，若料流控制不合理，干物料產(chǎn)生揚(yáng)塵，濕物料易發(fā)生板結(jié)；在輸送無煙煤時(shí)，無煙煤所形成的橫截面比煙煤、褐煤大，在此情況下更易形成誘導(dǎo)風(fēng)，但無煙煤與煙煤相比，前者的顆粒和密度均較大，導(dǎo)致?lián)P塵的程度較小。

利用EDEM離散元仿真軟件進(jìn)行仿真分析，揚(yáng)塵問題可通過對落料管幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，此案例設(shè)備結(jié)構(gòu)對料流控制，使物料集中、緊貼管壁并以合理角度和速度下落，使揚(yáng)塵得到了一定程度的控制。

3.4 堵料分析

堵料的原因眾多，如物料黏性過大、物料流大角度沖擊并飛濺、物料過于分散、物料的不斷堆積等。其中，由于散料含水較高、物料間黏性大、黏結(jié)成團(tuán)不易分散，物料與設(shè)備之間的黏性隨著設(shè)備表面附著水分增加而增大，因而散料在設(shè)備運(yùn)動過程中飛濺至非沖刷區(qū)從而造成落料管的堵塞。

受地理季節(jié)等環(huán)境因素影響，當(dāng)輸送潮濕的煙煤時(shí)由于黏性較大而出現(xiàn)板結(jié)、落料管堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，粉狀物料會出現(xiàn)因粉末不斷掛壁導(dǎo)致的堵塞問題。

4 物料特性分析

以輸送煙煤為例，采用EDEM系列軟件中Hertz-Mindlin With JKR模型，主要考慮黏附力對彈性形變的影響，讓含水量大的物料流動行為也有了較為真實(shí)的仿真體現(xiàn)。該接觸模型考慮了含濕物料間黏結(jié)力對物料流動行為的影響，其為凝聚力接觸模型，適用于模擬顆粒間因靜電、水分等原因發(fā)生明顯黏結(jié)和團(tuán)聚的物料。

4.1 表面能

表面能表征的是顆粒間接觸的黏結(jié)力，大小受含水量、顆粒表面張力等一系列參數(shù)因素的影響。對于含有粉礦、球團(tuán)礦、塊礦等大小不一的礦種，一定大小的表面能數(shù)值會使其中的粉礦看起來非常黏稠，然而大塊顆粒幾乎不受影響。

Hertz-Mindlin With JKR模型中黏結(jié)力同時(shí)存在于顆粒接觸的法向和切向上。

JKR法向彈性接觸力用FJKR來計(jì)算:

式中，F(xiàn)JKR為JKR法向彈性接觸力,N;γ為表面張力(N·m-1);E*為等效彈性模量,Pa;α為切向重疊量,m;R*為等效接觸半徑,m。

等效彈性模量E*與等效接觸半徑R*定義為:

其中，E1為接觸顆粒1的彈性模量,Pa;v1為接觸顆粒1的泊松比;R1為接觸顆粒1的接觸半徑,m;E2為接觸顆粒2的彈性模量,Pa;v2為接觸顆粒1的泊松比;R2為接觸顆粒1的接觸半徑,m。

切向重疊量(α)與法向重疊量(δ)的關(guān)系如下:

其中，δc為顆粒間具有非零凝聚力時(shí)的法向最大間隙，m；αc為顆粒間具有非零凝聚力時(shí)的切向最大間隙，m。

當(dāng)δ<δc，模型返回 0。當(dāng)顆粒并非實(shí)際接觸并且間隙小于δc時(shí)，凝聚力達(dá)到最大值，顆粒非實(shí)際接觸的最大凝聚力Fpullout計(jì)算公式為：

4.2 仿真結(jié)果對比

物料與物料的接觸模型設(shè)置不同表面能的對比參數(shù)。表面能表征顆粒之間黏結(jié)力的大小，對于煙煤的表面能取值大約在 5～40。

表面能取值設(shè)置為7、14、20、28、35 共5組數(shù)據(jù)設(shè)置運(yùn)動接觸參數(shù)，而后進(jìn)行仿真。

(1)運(yùn)動形態(tài)對比。煙煤不同表面能的整體速度如圖9所示，相同散料在同一工況下的運(yùn)動形式一致，表面能越小，運(yùn)動速度越大，散料的流動性越強(qiáng)。可看出表面能為7時(shí)，散料流動速度最大。

圖9 煙煤不同表面能的整體速度圖

(2)落料管的磨損對比。不同表面能對設(shè)備摩擦磨損對比如圖10所示，通過EDEM仿真數(shù)據(jù)得到物料對落料管的磨損值，分別在法相和切相。上述在對3種物料的分析時(shí)發(fā)現(xiàn)散料對給料匙的作用比較明顯，以下針對不同表面能取值對給料匙的影響進(jìn)行分析。

圖10 不同表面能對設(shè)備摩擦磨損對比分析圖

由于煙煤本身黏性大的特性，表面能的增加總體上對落料管的沖擊能量降低；物質(zhì)的黏性和含水率一定程度上的增加，物料與落料管的阻礙增加，物料的能量來自于顆粒間的摩擦與黏著力，物料易凝聚成團(tuán)，堵塞出料口。

5 結(jié) 論

EDEM離散單元建模分析散料的特性，可清晰簡單地獲取物料與物料間以及物料本身不同特性對落料管結(jié)構(gòu)影響的對比數(shù)據(jù)。對于不同種類的物料，物質(zhì)的密度、粒度等參數(shù)對落料管的沖擊及堵塞、揚(yáng)塵等問題影響嚴(yán)重性程度各異，即使是同種物料在不同環(huán)境下的特性，對落料管造成的問題也不相同，在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，特別是落料管，須充分考慮各種物料的特性，借助EDEM離散元仿真等工具，優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量減少或避免設(shè)備問題的產(chǎn)生。