楊 杰，郭 迪，宗浩陽，馬軍旭，王新田，施進(jìn)發(fā)，汪良強(qiáng)，上官林建

(1.華北水利水電大學(xué)，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(chuàng)申環(huán)?？萍加邢薰荆幽?鄭州 450045；5.鄭州三和水工機(jī)械有限公司，河南 鄭州 430045)

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越重視，從而加快了建筑行業(yè)的發(fā)展，砂石作為混凝土的原材料，其需求量也隨之增加。由于對(duì)天然砂的過度開采，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)的河砂資源減少。2018年，張雄在兩會(huì)中對(duì)建材行業(yè)提出了《關(guān)于促進(jìn)機(jī)制砂生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的建議》[1]，明確指出我國不少地區(qū)天然砂資源已經(jīng)接近枯竭，而機(jī)制砂的應(yīng)用可以保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，因此機(jī)制砂被廣泛應(yīng)用到建筑工程、道路橋梁、農(nóng)村基建等各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也促進(jìn)了制砂行業(yè)的發(fā)展。

粉塵提取機(jī)主要應(yīng)用于制砂生產(chǎn)線的脫粉環(huán)節(jié)，成品機(jī)制砂通過粉塵提取機(jī)得出，其出砂率和提取機(jī)內(nèi)部流場密切相關(guān)。本文以粉塵提取機(jī)內(nèi)部流體經(jīng)過區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行氣固兩相流數(shù)值模擬，對(duì)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(dāng)粒子體積濃度大于10%時(shí)，應(yīng)選用歐拉-歐拉方法。關(guān)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(duì)多孔布風(fēng)鼓泡流內(nèi)壓力分布、氣泡運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行仿真，并進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)合模擬了循環(huán)流化床內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的S形軸向空隙輪廓和窒息現(xiàn)象可以得到很好的預(yù)測；曹玉春等[4]通過基于顆粒動(dòng)力學(xué)的雙流體模型對(duì)鼓泡床稠密氣固多相流進(jìn)行數(shù)值模，分析了不同曳力模型，顆粒彈性恢復(fù)系數(shù)及計(jì)算時(shí)間步長等對(duì)床內(nèi)混合及氣泡的影響。綜上可得，歐拉-歐拉方法適用于體積分?jǐn)?shù)大于10%的多相流中。運(yùn)用到生產(chǎn)的分離設(shè)備主要有離心式脫粉機(jī)[5]、一種砂粉分離機(jī)[6]、粉塵提取機(jī)，其中離心式脫粉機(jī)主要運(yùn)用于選煤廠，利用旋轉(zhuǎn)氣固兩相流分離理論，設(shè)計(jì)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(duì)于砂粉分離中石粉含量對(duì)機(jī)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(nèi)的抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果表明混凝土抗壓強(qiáng)度與石粉含量成反比，當(dāng)石粉含量在10%以內(nèi)時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化不大；DHIR等[8]的觀點(diǎn)為在相同水灰比(W/C)下，抗壓強(qiáng)度不會(huì)隨石粉含量的增加而增加，但石粉含量約為10%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度變化不明顯。綜上可得，機(jī)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(yīng)用。

本文針對(duì)粉塵提取機(jī)出砂率低的問題，對(duì)影響提取機(jī)出砂率的四個(gè)因素，即進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速、粉塵出口壓力、溜料板角度及粉塵出口截面直徑進(jìn)行砂粉分離規(guī)律研究，運(yùn)用SolidWorks建立三維模型，并導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行模擬仿真，通過SPSS軟件對(duì)兩因素交互作用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，為粉塵提取機(jī)優(yōu)化與研究提供了理論依據(jù)。

1 粉塵提取機(jī)工作原理

采用中原地區(qū)生產(chǎn)的機(jī)械制砂設(shè)備，對(duì)中原太行山地區(qū)5～10 mm石灰石顆粒進(jìn)行沖擊整形，得出所需的80目機(jī)制砂。將5～10 mm的石灰石通過傳送帶傳遞到制砂機(jī)破碎，從制砂機(jī)出來的砂石將被提升機(jī)送到篩分設(shè)備，經(jīng)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(jìn)入粉塵提取機(jī)，粉塵提取機(jī)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(fēng)機(jī)吸走的粉塵通過除塵裝置(過濾)將其送至粉罐。

粉塵提取機(jī)是一種新型的砂石分選工藝設(shè)備，承擔(dān)對(duì)物料進(jìn)行粗、細(xì)分離，它由兩個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口組成，包括進(jìn)風(fēng)口、砂石進(jìn)口、粉塵出口和砂石出口(圖1(a))，其內(nèi)部5個(gè)溜料板呈階梯式排列(圖1(b))。砂石經(jīng)散料箱進(jìn)入粉塵提取機(jī)，經(jīng)過溜料板，在溜料板上形成堆積，后續(xù)進(jìn)來的砂石經(jīng)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(fēng)機(jī)吸力作用較大從粉塵出口排出。分離出的砂石料經(jīng)皮帶輸送機(jī)送到成品存放處；而被分離出的石粉則隨氣流進(jìn)入石粉專用帶式除塵器，在其內(nèi)部的沉降室內(nèi)，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(xì)顆粒則隨氣流經(jīng)布袋收集后排入大氣，且完全達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》(GB/T 14684—2001)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)30 mg/m2，回收的石粉經(jīng)由灰斗下部的螺旋輸送機(jī)送至下工序。

圖1 粉塵提取機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Dust extraction machine structure

2 理論計(jì)算

在整個(gè)流場中，氣流和砂石的運(yùn)動(dòng)都遵循質(zhì)量守恒與動(dòng)量守恒。

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

(1)

(2)

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

(3)

(4)

根據(jù)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(jì)算作用在顆粒上的重力、曳力等，直至計(jì)算結(jié)束，均滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒。

3 粉塵提取機(jī)內(nèi)部流場分析

3.1 計(jì)算模型

粉塵提取機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并采用多面體網(wǎng)格劃分(圖2)。由圖2可知，網(wǎng)格cell為518 270個(gè)，通過Orthogonal Quality進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，結(jié)果為0.85，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。

圖2 粉塵提取機(jī)多面體網(wǎng)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(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果分析以兩因素交互作用試驗(yàn)中的一組為例。粉塵提取機(jī)X軸方向長為1.41 m，取X=0.705 m時(shí)的界面為粉塵提取機(jī)對(duì)稱面，并對(duì)其進(jìn)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(jī)內(nèi)部壓力分化明顯，粉塵出口附近為負(fù)壓，壓力為-467 Pa(負(fù)號(hào)表示吸力，下同)，溜料板右側(cè)的壓力為正壓，壓力為395 Pa。風(fēng)從右邊的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，由于溜料板遮擋的作用，導(dǎo)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(jìn)入粉塵提取機(jī)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(xù)進(jìn)來的砂石經(jīng)過砂堆時(shí)，可以減少砂石對(duì)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?jǐn)?shù)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(jiān)控曲線圖。監(jiān)控砂石速度是為了保障現(xiàn)場工作人員的安全，速度太快還會(huì)產(chǎn)生粉塵，影響成品砂質(zhì)量。曲線具體分析為：在0～0.5 s范圍時(shí)，砂石的速度為0 m/s，原因?yàn)樯笆瘎傔M(jìn)入提取機(jī)內(nèi)，在溜料板上形成堆積，沒有砂石從砂石出口經(jīng)過；在0.5～1 s范圍內(nèi)，砂石速度由0 m/s升到6.2 m/s，是由于溜料板右側(cè)有一部砂石溜走，導(dǎo)致速度的變化；在1～1.5 s時(shí)，砂石速度由6.2 m/s降為4.5 m/s，因?yàn)閺牧锪习遄髠?cè)下落得砂石到達(dá)砂石出口，使其平均速度降低；時(shí)間在1.5 s以后，砂石速度穩(wěn)定在4.5 m/s左右。

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

4 兩因素交互試驗(yàn)影響規(guī)律

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

將影響砂粉出砂率的四個(gè)因素(進(jìn)風(fēng)口風(fēng)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(shè)計(jì)方法，進(jìn)行兩因素交互[10]作用試驗(yàn)安排。出砂率(Y)為試驗(yàn)指標(biāo)。兩因素交互作用試驗(yàn)安排次數(shù)滿足式(5)和式(6)。

n=mc+2p+m0

(5)

γ4+2pγ2+2p-12(p+0.5m0)=0

(6)

對(duì)于P、m0、r、mc、n參照文獻(xiàn)[11]，即：m0=3，mc=4，n=9，γ=1.148。

確定各因素的零水平和變化區(qū)間，并對(duì)各因子進(jìn)行水平編碼，因素水平編碼表見表2，計(jì)算公式見式(7)。

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

(7)

式中：Z0j、X0j為基準(zhǔn)水平；Z1j為下星號(hào)臂；Z2j為上星號(hào)臂；X1j為上水平；X-1j為下水平。

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

表3 兩因素試驗(yàn)方案Table 3 The plan of two factors test

4.2 兩因素試驗(yàn)結(jié)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)度與粉塵出口壓力交互作用?；貧w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(shù)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速較小時(shí)，出砂率隨粉塵出口壓力增大而增大。這是因?yàn)榉蹓m出口吸力較大，砂石從粉塵出口流出；進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速較大時(shí)，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(shí)粉塵出口壓力影響較小。②出砂率最大時(shí)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速接近15 m/s。模擬結(jié)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與粉塵出口壓力交互作用試驗(yàn)安排及結(jié)果Table 4 Experimental arrangement and results of the interaction between air inlet velocity and dust outlet pressure

2)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與溜料板角度交互作用，回歸模型見式(10)。

(10)

經(jīng)檢驗(yàn)，R2為0.779，式(10)方程式在水平0.036處顯著，方程中回歸系數(shù)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速固定時(shí)，出砂率隨溜料板角度先減小后增大。這是因?yàn)榱锪习宓慕嵌鹊淖兓?，?dǎo)致進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速經(jīng)過溜料板時(shí)速度的變化，從而影響出砂率。此外，從圖7還能看出，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)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(xiàng)，說明二者交互作用不明顯。模擬結(jié)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(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與溜料板角度交互作用試驗(yàn)安排及結(jié)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?；貧w模型見式(11)。

(11)

經(jīng)檢驗(yàn)，R2為0.764，式(11)在水平0.043處顯著，式中回歸系數(shù)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(shí)，出砂率隨溜料板角度的變化不大，均在20%以下，這表明當(dāng)粉塵出口壓力足夠小時(shí)，溜料板角度對(duì)分離效率影響不明顯；粉塵出口壓力較大時(shí)，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(shí)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(xiàng)，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(jié)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(yàn)安排及結(jié)果Table 6 Experimental arrangement and results of interaction between dust outlet pressure and dust outlet section diamete

(12)

式中：P為進(jìn)風(fēng)口截面壓力，Pa，可根據(jù)管道長度求得；ρ為空氣密度為1.2 kg/m3。

5 結(jié) 論

通過對(duì)粉塵提取機(jī)進(jìn)行前處理，并進(jìn)行模擬仿真，設(shè)計(jì)兩因素交互試驗(yàn)，分析了進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速度、粉塵出口壓力、溜料板角度和粉塵出口直徑對(duì)粉塵提取機(jī)分離效率的影響規(guī)律，并得出以下結(jié)論。

1)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與粉塵出口壓力有交互作用，且粉塵出口壓力對(duì)出砂率影響較大。

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

3)當(dāng)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)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(shí)，出砂率最佳，為95.35%。