瞬态真空诱导装置控尘效果实验研究

2023-08-11郭晓红温志梅吴春岳

黑龙江科学 2023年12期

郭晓红,李阳,温志梅,吴春岳

(1.山东华宇工学院能源与建筑工程学院,山东德州 253034; 2.山东理工大学机械工程学院,山东淄博 255000;3.山东省洁净空调技术研发中心实验室,山东德州 253034; 4.鲁西化工集团股份有限公司,山东聊城 252000)

0 引言

在工业倾倒散状物料过程中,经斜面流出的物料与附近相对静止的气流产生相对运动,曳力效应加剧,颗粒流扩散范围增大[1]。倾倒物料具有间歇性、开放性、瞬时性等特点,且粉尘可控性差,加剧了作业场污染。散落的固体微粒对作业环境、设备运行、人员身体健康等均会产生极大的威胁[2],故研究倾倒物料的粉尘扩散机理、采取有效的控尘措施对改善作业场环境具有重大意义[3]。

国内外学者对阵发性产尘及相应的治理措施进行了多维度研究。于欣[4]以阵发性卸料作业产尘为研究对象,通过正交实验,优化工艺参数,把握卸料间隔时间,改进活页卸料斗,有效实现了控尘降尘。谢亚辰[5]针对港口抓斗卸料造成的铝粉飞扬,建立气囊式可弯曲遮尘板式防尘措施,并分析了其经济性与能耗,减少了粉尘扩散,证实此方法具有良好的经济适用性。敖忠晨[6]以煤破碎站产生的呼吸性粉尘为研究对象,揭示了导致颗粒逸散的根本因素为大气压力,设计出干湿综合除尘技术,进一步提高除尘效率。还有学者[7-10]针对粉尘污染严重的问题提出风幕及喷雾等隔尘降尘策略,并将其应用于工程实际中,提高了作业环境质量。目前,对被动式控尘方案的研究内容较少,针对以上不足,利用瞬态真空诱导装置,分析间歇性倾倒物料粉尘浓度分布特征,以期为粉尘治理开辟新思路。

1 实验模型的建立

1.1 实验台搭建

以邯郸市某钢铁集团卸料车间为研究对象。该车间主要卸载增炭剂等炼钢过程中使用的脱硫、增碳辅助材料,由于该车间对材料的需求量较大,且受卸料量、卸料高度及角度的影响,导致作业场粉尘明显(见图1)。该卸料车间尺寸为5.5 m×4.5 m×9 m,根据原型与相似模型几何相似比确定为5∶1,搭建实验台尺寸为1.1 m×1.1 m×1.9 m,卸料斗置于模型上端1.6 m处(见图2)。

图1 卸料车间弥漫的粉尘

图2 瞬态真空诱导装置(TVI)

1.2 瞬态真空诱导装置(TVI)工作原理

常规排尘多采用引风机配合工作主动形成负压,将含尘气流引至除尘罩中[11-12]。而TVI是将主动式负压变为被动式负压,工作原理是利用充气气囊表面强大的收缩性在倾倒物料产尘瞬间被动泄气,形成真空区域,此区域与卸料点处的正压区之间产生较大的压力梯度差,驱使含尘气流从正压区向原气囊位置所在的负压区迁移,增加了汇流吸气作用范围,使固体微粒迁移至排尘罩口,达到定向诱导含尘气流的目的。

TVI位于尘源处,设定充气泵单次对气囊的作用时间约为30 s,充满气体的气囊类似椭球体,长轴为50 cm,短轴为45 cm(见图2)。实验开始时,在卸料间隙将与气囊连接的泄气阀打开,泄气瞬间产生的负压引发粉尘在压力梯度作用下发生运移。单次实验结束后,将右侧的充气泵通过充气管与气囊相连接以再次充气,如此循环多次实验。

1.3 实验参数测定及测点布置

选取氧化铝进行测试,利用电子天平称取4种目数(100、200、320、1250目)的物料,按照5%、80%、5%、10%的比例混合。

在有无TVI时,测点一致(如图3所示)。其中,1#、4#、7#位于左侧,2#、5#、8#位于中间、3#、6#、9#位于右侧。

图3 测点布置

采用KANOMAX 6006手持式热线风速仪(测量范围0.01～20.0 m/s,精度±5%),实时监测诱导风速变化。

将粉尘浓度测试仪(型号:科尔诺GT1000-YX4,精度±3%,中国生产)放至于图3测点位置,测试数据通过USB接口导出。

2 实验结果与分析

2.1 不同气囊条件下的风速与粉尘分布规律

对上、下气囊单独存在及双气囊的情形进行测试,见图4。可以看出,诱导风速随时间的变化表现为先升高后降低的趋势,且双气囊时风速最大,约在4 s时风速峰值为0.33 m/s,上气囊与下气囊产生的诱导风速约为双气囊的1/2。因为双气囊体积较大,泄气时必然引起更多的气流填补气囊泄气产生的负压区,汇流吸气面积为单个气囊作用面积的2倍。中部测点位于长轴处,诱导力必然大于两侧。

图4 不同气囊条件的诱导风速

为探究不同气囊条件诱导风速对粉尘的影响,对卸料量500 g、卸料高度1.6 m、卸料角度60°工况下的粉尘进行测试,见图5。可知,在泄气前20 s,双气囊粉尘浓度最大,下气囊时最小。20 s以后,表现为下气囊>上气囊>双气囊。双气囊泄气时,气流短时间向真空区汇集,粉尘浓度顷刻达到最大值591.33 μg/m3,约为单个上气囊及单个下气囊泄气时的1.16倍与1.34倍。

图5 气囊条件对PM2.5的影响

2.2 不同影响因素下的粉尘浓度分布规律

由于下气囊距离卸料点更近,更能体现从尘源处控制固体微粒运移的效果,故主要研究下气囊固体微粒浓度分布规律。

2.2.1 卸料量对PM2.5的影响

选取500 g、1000 g、1500 g、2000 g 4个卸料量,对粉尘浓度值进行测定,得到其分布规律,见图6(a)。可知,在非TVI时,卸料量越大,浓度值越高,PM2.5随时间变化先升高再降低。500 g时,PM2.5最大值为433 μg/m3,浓度变化维持时间(PM2.5浓度值从卸料初期变化至平稳状态所用时间)约为18 s。1500 g时,PM2.5浓度持续时间约为48 s,峰值为667.67 μg/m3。由此可见,卸料量的变化对粉尘浓度及维持时间的影响较大。因为卸料量越大,重力势能转变的动能增大,撞击接触面时释放的能量加剧,加上物料与空气两者之间的斜向剪切力使固体微粒扩散,浓度值升高。

图6 卸料量对有无TVI粉尘浓度的影响

为研究TVI控尘效果,对不同卸料量产生的粉尘进行实测,见图6(b),卸料量小于1500 g,浓度值随卸料量的增加而加大。≥1500 g时,浓度值随卸料量的增加而降低,不同卸料量PM2.5随时间均呈现出先增加后减小的趋势。500 g时,PM2.5浓度维持时间与非TVI控制时基本一致,约为其1.02倍。1500 g时,PM2.5浓度维持时间约27 s,峰值为1462.44 μg/m3,相较于非TVI提高了794.77 μg/m3。由此可见,在TVI影响下,卸料量对粉尘维持时间有着重要影响。

通过对实验数据拟合,得出卸料量与最大粉尘浓度拟合曲线,如图7所示。可知,最大粉尘浓度与卸料量呈抛物线的关系,TVI影响下饱和卸料量为1500 g,使粉尘云达到饱和质量浓度[13]。

2.2.2 卸料高度对PM2.5的影响

为研究卸料高度对倾倒物料及TVI粉尘浓度的影响,选取0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.6 m高度进行监测,见图8(a)。可知,倾倒物料时,卸料高度越大,PM2.5越高,不同卸料高度均表现先上涨后降落的趋势。0.7 m时,PM2.5达到最大值133.56 μg/m3。1.6 m时,PM2.5峰值为433 μg/m3,对应时间点为12 s,约为0.7 m时的3.24倍。因为落差越大,重力势能转化的动能就越大,与接触面撞击释放的能量增大,引发浓度升高。由图8(b)可知,TVI控制时,0.7 m对应12 s的PM2.5最大为162.44 μg/m3,相比于非TVI时,浓度值升高了28.88 μg/m3。1.6 m时,19 s浓度峰值达到442.89 μg/m3。可以看出,PM2.5浓度值同样受气囊诱导作用的影响。

通过对数据拟合得到卸料高度与最大粉尘浓度的曲线,如图9所示。可以看出,两种不同方式下固体微粒浓度与卸料高度均表现为二次曲线分布状态。

图9 最大粉尘浓度与卸料高度拟合曲线

2.2.3 卸料角度对PM2.5的影响

选取30°、38°、45°、54°、60°5个角度进行实验,如图10所示。由图10(a)可知,固体微粒浓度分布整体先升高后降低。60°时,浓度峰值最大,约为45°的1.72倍。原因为45°受颗粒束下落范围增大的作用,速度由水平与垂直两个方向的分速度组成,造成浓度值最小。60°时,受到与运动方向相垂直方向施加作用力减小,颗粒束与倾斜卸料面的阻力也减小,造成料流下降速率增加,与底板相撞时产生更多扬尘。

图10 卸料角度对有无TVI粉尘浓度的影响

由图10(b)可知,在TVI控制下,随着卸料角度的增加,PM2.5值均增加,且不同卸料角度浓度值呈现先上升后下降的规律,60°的浓度峰值约为30°的1.42倍,高于非TVI粉尘浓度值431.67 μg/m3。因为卸料点处的正压与气囊产生的负压形成鲜明对比,散发的固体微粒从正压区迁移至真空区内,使真空区内的固体微粒浓度升高。

通过软件对实验数据进行拟合,得到拟合曲线,如图11所示。可以看出:倾倒物料时最大粉尘浓度与卸料角度的线性关系较小,而在TVI控制下最大粉尘浓度与卸料角度呈一次线性正相关。