瞬態(tài)真空誘導裝置控塵效果實驗研究

郭曉紅,李 陽,溫志梅,吳春岳

(1.山東華宇工學院能源與建筑工程學院,山東 德州 253034; 2.山東理工大學機械工程學院,山東 淄博 255000;3.山東省潔凈空調(diào)技術研發(fā)中心實驗室,山東 德州 253034; 4.魯西化工集團股份有限公司,山東 聊城 252000)

0 引言

在工業(yè)傾倒散狀物料過程中,經(jīng)斜面流出的物料與附近相對靜止的氣流產(chǎn)生相對運動,曳力效應加劇,顆粒流擴散范圍增大[1]。傾倒物料具有間歇性、開放性、瞬時性等特點,且粉塵可控性差,加劇了作業(yè)場污染。散落的固體微粒對作業(yè)環(huán)境、設備運行、人員身體健康等均會產(chǎn)生極大的威脅[2],故研究傾倒物料的粉塵擴散機理、采取有效的控塵措施對改善作業(yè)場環(huán)境具有重大意義[3]。

國內(nèi)外學者對陣發(fā)性產(chǎn)塵及相應的治理措施進行了多維度研究。于欣[4]以陣發(fā)性卸料作業(yè)產(chǎn)塵為研究對象,通過正交實驗,優(yōu)化工藝參數(shù),把握卸料間隔時間,改進活頁卸料斗,有效實現(xiàn)了控塵降塵。謝亞辰[5]針對港口抓斗卸料造成的鋁粉飛揚,建立氣囊式可彎曲遮塵板式防塵措施,并分析了其經(jīng)濟性與能耗,減少了粉塵擴散,證實此方法具有良好的經(jīng)濟適用性。敖忠晨[6]以煤破碎站產(chǎn)生的呼吸性粉塵為研究對象,揭示了導致顆粒逸散的根本因素為大氣壓力,設計出干濕綜合除塵技術,進一步提高除塵效率。還有學者[7-10]針對粉塵污染嚴重的問題提出風幕及噴霧等隔塵降塵策略,并將其應用于工程實際中,提高了作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。目前,對被動式控塵方案的研究內(nèi)容較少,針對以上不足,利用瞬態(tài)真空誘導裝置,分析間歇性傾倒物料粉塵濃度分布特征,以期為粉塵治理開辟新思路。

1 實驗模型的建立

1.1 實驗臺搭建

以邯鄲市某鋼鐵集團卸料車間為研究對象。該車間主要卸載增炭劑等煉鋼過程中使用的脫硫、增碳輔助材料,由于該車間對材料的需求量較大,且受卸料量、卸料高度及角度的影響,導致作業(yè)場粉塵明顯(見圖1)。該卸料車間尺寸為5.5 m×4.5 m×9 m,根據(jù)原型與相似模型幾何相似比確定為5∶1,搭建實驗臺尺寸為1.1 m×1.1 m×1.9 m,卸料斗置于模型上端1.6 m處(見圖2)。

圖1 卸料車間彌漫的粉塵

圖2 瞬態(tài)真空誘導裝置(TVI)

1.2 瞬態(tài)真空誘導裝置(TVI)工作原理

常規(guī)排塵多采用引風機配合工作主動形成負壓,將含塵氣流引至除塵罩中[11-12]。而TVI是將主動式負壓變?yōu)楸粍邮截搲?工作原理是利用充氣氣囊表面強大的收縮性在傾倒物料產(chǎn)塵瞬間被動泄氣,形成真空區(qū)域,此區(qū)域與卸料點處的正壓區(qū)之間產(chǎn)生較大的壓力梯度差,驅(qū)使含塵氣流從正壓區(qū)向原氣囊位置所在的負壓區(qū)遷移,增加了匯流吸氣作用范圍,使固體微粒遷移至排塵罩口,達到定向誘導含塵氣流的目的。

TVI位于塵源處,設定充氣泵單次對氣囊的作用時間約為30 s,充滿氣體的氣囊類似橢球體,長軸為50 cm,短軸為45 cm(見圖2)。實驗開始時,在卸料間隙將與氣囊連接的泄氣閥打開,泄氣瞬間產(chǎn)生的負壓引發(fā)粉塵在壓力梯度作用下發(fā)生運移。單次實驗結束后,將右側的充氣泵通過充氣管與氣囊相連接以再次充氣,如此循環(huán)多次實驗。

1.3 實驗參數(shù)測定及測點布置

選取氧化鋁進行測試,利用電子天平稱取4種目數(shù)(100、200、320、1250目)的物料,按照5%、80%、5%、10%的比例混合。

在有無TVI時,測點一致(如圖3所示)。其中,1#、4#、7#位于左側,2#、5#、8#位于中間、3#、6#、9#位于右側。

圖3 測點布置

采用KANOMAX 6006手持式熱線風速儀(測量范圍0.01～20.0 m/s,精度±5%),實時監(jiān)測誘導風速變化。

將粉塵濃度測試儀(型號:科爾諾GT1000-YX4,精度±3%,中國生產(chǎn))放至于圖3測點位置,測試數(shù)據(jù)通過USB接口導出。

2 實驗結果與分析

2.1 不同氣囊條件下的風速與粉塵分布規(guī)律

對上、下氣囊單獨存在及雙氣囊的情形進行測試,見圖4。可以看出,誘導風速隨時間的變化表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢,且雙氣囊時風速最大,約在4 s時風速峰值為0.33 m/s,上氣囊與下氣囊產(chǎn)生的誘導風速約為雙氣囊的1/2。因為雙氣囊體積較大,泄氣時必然引起更多的氣流填補氣囊泄氣產(chǎn)生的負壓區(qū),匯流吸氣面積為單個氣囊作用面積的2倍。中部測點位于長軸處,誘導力必然大于兩側。

圖4 不同氣囊條件的誘導風速

為探究不同氣囊條件誘導風速對粉塵的影響,對卸料量500 g、卸料高度1.6 m、卸料角度60°工況下的粉塵進行測試,見圖5。可知,在泄氣前20 s,雙氣囊粉塵濃度最大,下氣囊時最小。20 s以后,表現(xiàn)為下氣囊>上氣囊>雙氣囊。雙氣囊泄氣時,氣流短時間向真空區(qū)匯集,粉塵濃度頃刻達到最大值591.33 μg/m3,約為單個上氣囊及單個下氣囊泄氣時的1.16倍與1.34倍。

圖5 氣囊條件對PM2.5的影響

2.2 不同影響因素下的粉塵濃度分布規(guī)律

由于下氣囊距離卸料點更近,更能體現(xiàn)從塵源處控制固體微粒運移的效果,故主要研究下氣囊固體微粒濃度分布規(guī)律。

2.2.1 卸料量對PM2.5的影響

選取500 g、1000 g、1500 g、2000 g 4個卸料量,對粉塵濃度值進行測定,得到其分布規(guī)律,見圖6(a)?？芍?在非TVI時,卸料量越大,濃度值越高,PM2.5隨時間變化先升高再降低。500 g時,PM2.5最大值為433 μg/m3,濃度變化維持時間(PM2.5濃度值從卸料初期變化至平穩(wěn)狀態(tài)所用時間)約為18 s。1500 g時,PM2.5濃度持續(xù)時間約為48 s,峰值為667.67 μg/m3。由此可見,卸料量的變化對粉塵濃度及維持時間的影響較大。因為卸料量越大,重力勢能轉(zhuǎn)變的動能增大,撞擊接觸面時釋放的能量加劇,加上物料與空氣兩者之間的斜向剪切力使固體微粒擴散,濃度值升高。

圖6 卸料量對有無TVI粉塵濃度的影響

為研究TVI控塵效果,對不同卸料量產(chǎn)生的粉塵進行實測,見圖6(b),卸料量小于1500 g,濃度值隨卸料量的增加而加大?！?500 g時,濃度值隨卸料量的增加而降低,不同卸料量PM2.5隨時間均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。500 g時,PM2.5濃度維持時間與非TVI控制時基本一致,約為其1.02倍。1500 g時,PM2.5濃度維持時間約27 s,峰值為1462.44 μg/m3,相較于非TVI提高了794.77 μg/m3。由此可見,在TVI影響下,卸料量對粉塵維持時間有著重要影響。

通過對實驗數(shù)據(jù)擬合,得出卸料量與最大粉塵濃度擬合曲線,如圖7所示?？芍?最大粉塵濃度與卸料量呈拋物線的關系,TVI影響下飽和卸料量為1500 g,使粉塵云達到飽和質(zhì)量濃度[13]。

2.2.2 卸料高度對PM2.5的影響

為研究卸料高度對傾倒物料及TVI粉塵濃度的影響,選取0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.6 m高度進行監(jiān)測,見圖8(a)?？芍?傾倒物料時,卸料高度越大,PM2.5越高,不同卸料高度均表現(xiàn)先上漲后降落的趨勢。0.7 m時,PM2.5達到最大值133.56 μg/m3。1.6 m時,PM2.5峰值為433 μg/m3,對應時間點為12 s,約為0.7 m時的3.24倍。因為落差越大,重力勢能轉(zhuǎn)化的動能就越大,與接觸面撞擊釋放的能量增大,引發(fā)濃度升高。由圖8(b)可知,TVI控制時,0.7 m對應12 s的PM2.5最大為162.44 μg/m3,相比于非TVI時,濃度值升高了28.88 μg/m3。1.6 m時,19 s濃度峰值達到442.89 μg/m3?？梢钥闯?PM2.5濃度值同樣受氣囊誘導作用的影響。

通過對數(shù)據(jù)擬合得到卸料高度與最大粉塵濃度的曲線,如圖9所示?？梢钥闯?兩種不同方式下固體微粒濃度與卸料高度均表現(xiàn)為二次曲線分布狀態(tài)。

圖9 最大粉塵濃度與卸料高度擬合曲線

2.2.3 卸料角度對PM2.5的影響

選取30°、38°、45°、54°、60°5個角度進行實驗,如圖10所示。由圖10(a)可知,固體微粒濃度分布整體先升高后降低。60°時,濃度峰值最大,約為45°的1.72倍。原因為45°受顆粒束下落范圍增大的作用,速度由水平與垂直兩個方向的分速度組成,造成濃度值最小。60°時,受到與運動方向相垂直方向施加作用力減小,顆粒束與傾斜卸料面的阻力也減小,造成料流下降速率增加,與底板相撞時產(chǎn)生更多揚塵。

圖10 卸料角度對有無TVI粉塵濃度的影響

由圖10(b)可知,在TVI控制下,隨著卸料角度的增加,PM2.5值均增加,且不同卸料角度濃度值呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律,60°的濃度峰值約為30°的1.42倍,高于非TVI粉塵濃度值431.67 μg/m3。因為卸料點處的正壓與氣囊產(chǎn)生的負壓形成鮮明對比,散發(fā)的固體微粒從正壓區(qū)遷移至真空區(qū)內(nèi),使真空區(qū)內(nèi)的固體微粒濃度升高。

通過軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到擬合曲線,如圖11所示?？梢钥闯?傾倒物料時最大粉塵濃度與卸料角度的線性關系較小,而在TVI控制下最大粉塵濃度與卸料角度呈一次線性正相關。

圖11 最大粉塵濃度與卸料角度的擬合曲線

3 結論

雙氣囊時的誘導風速在4 s時最大值為0.33 m/s,下氣囊誘導風速峰值為0.15 m/s,且對塵源控制所受的干擾最小。

粉塵濃度整體隨卸料量、卸料高度、卸料角度的增大而增加。在TVI控制下,氣囊的誘導力應與卸料量相匹配,大于1500 g時難以將粉塵誘導至負壓區(qū)內(nèi)。1.6 m時,真空區(qū)粉塵濃度為無氣囊裝置時的1.29倍。60°時,濃度峰值約為30°的1.42倍,高于無TVI時粉塵濃度值431.67 μg/m3。

TVI存在時,傾倒物料產(chǎn)塵濃度與卸料高度及卸料角度呈正相關。不同單因素工況下,真空區(qū)內(nèi)的粉塵濃度相較于非TVI時有所升高,表明TVI能夠很好地控制粉塵。