CN103162931B - 一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法，利用实验设备或仪器，如实验风洞、堆取料机的模型机、风速仪、微量称重天平、干燥箱及筛分仪；通过测定自然含水率下的原煤、大矿原煤、水洗煤、精煤这四种煤种的起尘量，得出装堆起尘率与环境风速和装卸高度之间的实验关联式β＝k·U^3.13·H^1.64，进而得到了这四种煤粉的修正系数k。研究表明：煤炭装卸过程的起尘量与卷吸空气量存在一定的关系，煤种不同则k值不同。本发明是一种能够与煤粉装堆起尘规律理论分析相结合的有效方法，实施方便，实用性强，能够测量不同煤种随装卸高度和风速变化下的起尘量，以探究煤炭在装堆作业下的起尘规律，为港口粉尘防治提供基础数据。

Description

一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法

技术领域

本发明涉及一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法。

背景技术

我国港口大气总悬浮颗粒物（Total Suspended Particles，简称TSP）普遍超标，港口尘源分布复杂，起尘主要来源于散货的装卸、堆存和输运环节，其起尘量分别约占总尘源量的35%、50%和15%。敞开式露天作业方式决定了煤粉粉尘的堆存、装卸、传输等主要产尘环节都在露天堆场内完成。堆场内在堆取料机动态装卸的作用下，释放出大量粉尘，不仅直接导致了数以亿计的原料损失，而且造成了严重的空气污染。

目前对煤炭堆存起尘的研究较多，得到了一些煤粉起动风速及静态起尘量的关系式，但对装卸作业下起尘的研究较少。煤炭装堆作业过程，即煤炭从出料口下落到煤堆的下落过程，卷吸周围空气，与细小煤炭颗粒形成的边界层，粉尘主要产生在此边界层区。理论分析认为：下落颗粒羽流的边界层半径随着下降高度的增加而增加。曾有学者提出了一个基于安静环境空气中，通过单个颗粒下降模型，来预测自由下落微粒流的产生的卷吸空气量；并有人对卷吸空气量进行了进一步的研究，并提出了各自的公式。如国内的一些学者以二氧化硅、黄沙等为实验材料通过理论分析与实验研究，得出影响自由下落微粒羽流中颗粒摩擦阻力的参数，并研究了下落颗粒流的速度的分布规律及卷吸空气速度分布规律。

对于装堆过程起尘量的研究，美国国家环保局（EPA）采用Cowherd等人提出的散料装卸作业的排放因子。日本白仓藏生等人在自然风速下测定起尘量，得到回归方程。并通过对装卸器械进行系数修正，可以求出不同装卸方式下的起尘量。国内，也有一些学者以山西“平塑煤矿”为样煤作风洞试验，回归得到皮带运输机卸煤时起尘量公式，通过修正系数C_f求解不同装卸条件下的起尘率。

为从理论上探究不同煤种在装堆过程内的起尘情况，以煤粉装堆过程，即煤粉由堆取料机下落到煤堆的过程为研究对象，采用理论分析与风洞实验相结合方法，测量不同煤种随装卸高度和风速变化下的起尘量，以探究煤炭在装堆作业下的起尘规律，为港口粉尘防治提供基础数据。因此，能够提供一种有助于上述理论分析的新的风洞实验方法尤为重要。

发明内容

本发明的任务在于提供一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法。

其技术解决方案是：

一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法，包括以下步骤：

a提供实验设备或仪器，包括实验风洞、堆取料机的模型机、风速仪及称重天平；其中，实验风洞的实验段长32m、宽3m、高2m，风机驱动功率为160KW，在实验段设有两个直径为2米的转盘，用于模拟来流风向，实验段的起始处有粗糙元和尖劈，以模拟大气边界层气流，风速在0.2～20.0m/s连续可调；现场装堆作业中的堆取料机是露天堆场最普遍的作业机械，为模拟煤堆的装卸，按照1：100的比例制作堆取料机的模型机，该模型机以一个电机控制传送带运动及斗轮转动，以另一电机控制料斗的震动，以保证煤粉连续下落；

b提供煤粉样品，煤粉样品选用国内最常用的四类煤种：原煤、大矿原煤、水洗煤或精煤；

c在上述两步骤完成后，先对实验风洞实验段的流动状态进行调试，以满足近地面大气边界层模拟的相似性要求，使用DISA热线风速仪，将平均来流风廓线调整到对数律形式，保证实验段的雷诺数（Re）大于10⁴，达到流动的自模拟，以保证湍流结构的相似性得到满足，对于入口段空气动力学粗糙度的满足，则是通过调节粗糙元和尖劈，以保证粗糙度雷诺数Re*>2.5，达到地表粗糙度的实验要求；对于风洞中径向压力梯度对流动的影响则通过调节顶板进行消除；调试完毕后，进行装堆起尘实验，按以下步骤进行：首先称取一定量的自然含水率的煤粉样品，设定为M_前煤，同时测量模型机的质量，设定为M_前机，以及转盘中心孔盛料桶的质量，设定为M_前桶；将称取的煤粉样品倒入模拟机的盛料器中，并将模拟机布置在实验风洞测试段合适位置，调整模拟机的悬臂使之达到装卸高度，并将出料口与转盘中心孔对齐；然后启动实验风洞，当来流风速达到设计风速后启动模拟机，煤粉开始落入转盘中心孔，持续吹蚀15分钟后停风，模拟机停止工作；最后将未落入盛料桶但在堆底座线内的煤粉扫入盛料桶，称量剩余煤粉与模型机的总重，设定为M_后机，以及称量转盘中心孔中的煤粉及盛料桶的总重，设定为M_后桶；其中装堆起尘量q和下料量Q的确定如下：

q=M_前煤+M_前机+M_前桶-M_后机-M_后桶

Q=M_前煤+M_前机-M_后机

起尘率β为：

$\mathrm{\β}=\frac{q}{Q}\×100\%$

上述来流风速分别设计为1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0和7.0m/s，根据实验中模型机缩放的比例，模型机的装卸高度分别设计为10cm、20cm和30cm，通过改变来流风速及装卸高度，重复上述起尘实验过程获取不同来流风速和装卸高度下的起尘量数据。

上述步骤c中，还包括：使用最小二乘法，将实验获取数据进行拟合，得到装堆起尘率随风速、装卸高度的实验关联式：

β=k·U^3.13·H^1.64%

式中：β为装堆起尘率，%；U为风速，m/s；H为装卸高度，m；k为某一类型煤粉样品的修正系数；并进一步获取原煤、大矿原煤、水洗煤与精煤四类煤种的修正因子k，分别为：k_原煤=3.87×10^-3；k_大矿=3.49×10^-3；k_水洗=2.50×10^-3；k_精煤=1.81×10^-3。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明是一种能够与煤粉装堆起尘规律理论分析相结合的有效方法，实施方便，实用性强，能够测量不同煤种随装卸高度和风速变化下的起尘量，以探究煤炭在装堆作业下的起尘规律，为港口粉尘防治提供基础数据。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为煤炭颗粒自由下落过程示意图。

图2为四种不同类型煤粉（样品）的粒径分布图。

图3为四种不同类型煤粉（样品）的起尘率示意图。

图4为四种不同类型煤粉（样品）的装堆起尘的数据拟合图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，有必要先对煤粉装堆起尘规律理论进行如下分析：

煤粉装堆过程主要的产尘机理有两个：（1）下落过程微小颗粒的逃逸；（2）下落颗粒流冲击到堆垛时释放的卷吸空气带走一些细小的颗粒。煤粉颗粒下落过程中，随着煤粉颗粒粒羽流的加速和膨胀，空气被卷吸进入颗粒流，许多的粒径较小的煤炭微粒，与卷吸的环境空气在颗粒羽流的核心区域外围混合组成一个布满煤尘的边界层，边界层的半径随着下降高度的增加而增加，参见图1。当位于边界层区的细小煤炭颗粒受到空气的摩擦阻力增大到足以克服重力的条件，便可以从颗粒流中逃逸而出，形成飘尘；而位于核心区的煤炭颗粒由于颗粒间的相互作用力，很难达到逃逸的条件，因此下落过程的起尘主要发生在边界层区。

根据Cooper和Arnold提出的卷吸空气量估算公式：

$Q_a=C_{\mathrm{pl}}{\left(g\frac{m_p}{{\mathrm{\ρ}}_b}\right)}^{1/3}{z}^{5/3}---\left(1\right)$

式中，Q_a为卷吸空气量，L/s；C_pl为常数，与物料有关；g为重力加速度，m²/s；

m_p为颗粒流的质量流量，kg/s；ρ_b为颗粒的堆积密度kg/m³；z为下落高度，m。

该模型是建立在无风基础上的，考虑到现场装卸过程中有自然风的存在和作用，卷吸空气量必然增加，假设与风速呈幂指数增长，则有风状态下卷吸空气量为：

$Q_a=C_{\mathrm{pl}}{\left(g\frac{m_p}{{\mathrm{\ρ}}_b}\right)}^{1/3}{z}^{5/3}{U}^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式中：U为环境风速，m/s；α为系数。

由于煤炭装卸过程的起尘量，存在于卷吸的空气量中。假设：

式中：q₀为单位时间内的起尘量；为系数。

则q₀为：

而单位时间的下料量即为颗粒流的质量流量m_p，因此装堆过程的起尘率β为：

对于一种物料来说，C_pl和ρ_b均为定值。其中：与物料的粒径d_p有关，C_pl与物料物理性质有关，ρ_b与物料颗粒密度ρ_p及物料的松散程度有关。对于煤炭而言，颗粒密度ρ_p大致相同，而颗粒粒径越大，颗粒间的空隙也就越大，堆积密度就越小。对于大型露天堆场而言，正常作业下，堆料机的下料速度是一定的。则m_p也可以看成是一个常数。因此令：

这样起尘率公式就可以简化为：

β=k·U^α·z^1.67×100%    (6)

关于上述k，就可以通过本发明所提供的方法进行确定。

为了更好地了解原煤、大矿原煤、水洗煤与精煤的物理特征，使用筛分仪对四种煤种的煤粉粒径进行的筛分分级，筛分仪选用标准Φ200金属丝编织网试验筛，可筛分成6个不同粒级范围的煤粉样品，分别是：28～45μm、45～75μm、75～125μm、125～250μm、250～500μm和>500μm，将筛分好的煤粉样品作烘干处理后，进行粒径分析，并得到粒径分布图。更为具体地，上述烘干处理一般是在下午5：00到次日上午8：00之间进行，温度为90C°左右，持续烘干12小时以上，使用微量称重天平密闭称重记录后放入干燥箱继续干燥1小时之后，再次称重，当两次称重质量差低于万分之一克，则认为煤粉样品已经烘干至无水状态，称重得到上述四种煤粉样品的粒径分布图，参见图2。

关于本发明进一步说明如下：

一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法，包括以下步骤：

a提供实验设备或仪器，包括实验风洞、堆取料机的模型机、风速仪及称重天平；其中，实验风洞的实验段长32m、宽3m、高2m，风机驱动功率为160KW，在实验段设有两个直径为2米的转盘，用于模拟来流风向，实验段的起始处有粗糙元和尖劈，以模拟大气边界层气流，风速在0.2～20.0m/s连续可调；现场装堆作业中的堆取料机是露天堆场最普遍的作业机械，为模拟煤堆的装卸，按照1：100的比例制作堆取料机的模型机，该模型机以一个电机控制传送带运动及斗轮转动，以另一电机控制料斗的震动，以保证煤粉连续下落。

b提供煤粉样品，煤粉样品选用国内最常用的四类煤种：原煤、大矿原煤（简称大矿）、水洗煤（简称水洗）或精煤。

c在上述两步骤完成后，先对实验风洞实验段的流动状态进行调试，以满足近地面大气边界层模拟的相似性要求，使用丹麦产DISA热线风速仪，将平均来流风廓线调整到对数律形式，保证实验段的雷诺数（Re）大于10⁴，达到流动的自模拟，以保证湍流结构的相似性得到满足，对于入口段空气动力学粗糙度的满足，则是通过调节粗糙元和尖劈，以保证粗糙度雷诺数Re*>2.5，达到地表粗糙度的实验要求；对于风洞中径向压力梯度dp/dx对流动的影响则通过调节顶板进行消除；调试完毕后，进行装堆起尘实验，按以下步骤进行：首先称取一定量的自然含水率的煤粉样品，设定为M_前煤，同时测量模型机的质量，设定为M_前机，以及转盘中心孔盛料桶的质量，设定为M_前桶；将称取的煤粉样品倒入模拟机的盛料器中，并将模拟机布置在实验风洞测试段合适位置，调整模拟机的悬臂使之达到实验高度，并将出料口与转盘的中心孔对齐；然后启动实验风洞，当来流风速达到设计风速后启动模拟机，煤粉开始落入转盘中心孔，持续吹蚀15分钟（即每分钟吹蚀量恒定时）后停风，模拟机停止工作；最后将未落入盛料桶但在堆底座线内的煤粉扫入盛料桶，称量剩余煤粉与模型机的总重，设定为M_后机，以及称量转盘孔中的煤粉及盛料桶的总重，设定为M_后桶；其中装堆起尘量q和下料量Q的确定如下：

q=M_前煤+M_前机+M_前桶-M_后机-M_后桶   （7）

Q=M_前煤+M_前机-M_后机             （8）

起尘率β为：

$\mathrm{\β}=\frac{q}{Q}\×100\%---\left(9\right)$

上述来流风速分别设计为1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0和7.0m/s，模型机的装卸高度分别设计为10cm、20cm和30cm，通过改变来流风速及装卸高度，重复上述起尘实验过程获取不同来流风速和装卸高度下的起尘量数据。

上述实验结果分析如下：

参见图3，在风速U低于4.0m/s时，装堆起尘率β随风速变化较小，且数值较小；当风速超过4.0m/s后，装堆起尘率β随风速增大而明显增加。同时在低风速下，装卸高度对装堆起尘率β影响较小；当风速U超过4.0m/s后，装堆起尘率β随装卸高度增加而显著增大。

另外，对于含细煤粉较多的原煤，其起尘率在3.0~5.0m/s风速时，起尘率β较其它类型的煤种较大，表明不同煤种的装堆起尘量有所差异。

使用最小二乘法，将实验数据进行拟合，结合图4，得到装堆起尘率随风速、装卸高度的实验关联式：

β=k·U^3.13·H^1.64%    （10）

式中：β为装堆起尘率，%；U为风速，m/s；H为装卸高度，m；k为煤种（某一类型煤粉样品）的修正系数。

将实验拟合规律（公式10）与前面理论推导（公式6）间对比得出：前面的理论推导，与后面的风洞实验数据拟合公式基本吻合，证实了理论假设的合理性。并由此得到了四类煤种的修正因子k分别为：k_原煤=3.87×10^-3；k_大矿=3.49×10^-3；k_水洗=2.50×10^-3；k_精煤=1.81×10^-3。

通过测定自然含水率下的原煤、大矿原煤、水洗煤、精煤这四种煤种的起尘量，得出装堆起尘率与环境风速和装卸高度之间的实验关联式β＝k·U^3.13·H^1.64，进而得到了这四种煤粉的修正系数k。研究表明：煤炭装卸过程的起尘量与卷吸空气量存在一定的关系，煤种不同则k值不同。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种煤粉装堆起尘规律的风洞实验方法，其特征在于包括以下步骤：

a提供实验设备或仪器，包括实验风洞、堆取料机的模型机、风速仪及称重天平；其中，实验风洞的实验段长32m、宽3m、高2m，风机驱动功率为160KW，在实验段设有两个直径为2米的转盘，用于模拟来流风向，实验段的起始处有粗糙元和尖劈，以模拟大气边界层气流，风速在0.2～20.0m/s连续可调；现场装堆作业中的堆取料机是露天堆场的作业机械，为模拟煤堆的装卸，按照1：100的比例制作堆取料机的模型机，该模型机以一个电机控制传送带运动及斗轮转动，以另一电机控制料斗的震动，以保证煤粉连续下落；

b提供煤粉样品，煤粉样品选用国内最常用的四类煤种：原煤、大矿原煤、水洗煤或精煤；

c在上述两步骤完成后，先对实验风洞实验段的流动状态进行调试，以满足近地面大气边界层模拟的相似性要求，使用DISA热线风速仪，将平均来流风廓线调整到对数律形式，保证实验段的雷诺数(Re)大于10⁴，达到流动的自模拟，以保证湍流结构的相似性得到满足，对于入口段空气动力学粗糙度的满足，则是通过调节粗糙元和尖劈，以保证粗糙度雷诺数Re*>2.5，达到地表粗糙度的实验要求；对于风洞中径向压力梯度对流动的影响则通过调节顶板进行消除；调试完毕后，进行装堆起尘实验，按以下步骤进行：首先称取一定量的自然含水率的煤粉样品，设定为M_前煤，同时测量模型机的质量，设定为M_前机，以及转盘中心孔盛料桶的质量，设定为M_前桶；将称取的煤粉样品倒入模拟机的盛料器中，并将模拟机布置在实验风洞测试段合适位置，调整模拟机的悬臂使之达到装卸高度，并将出料口与转盘中心孔对齐；然后启动实验风洞，当来流风速达到设计风速后启动模拟机，煤粉开始落入转盘中心孔，持续吹蚀15分钟后停风，模拟机停止工作；最后将未落入盛料桶但在堆底座线内的煤粉扫入盛料桶，称量剩余煤粉与模型机的总重，设定为M_后机，以及称量转盘中心孔中的煤粉及盛料桶的总重，设定为M_后桶；其中装堆起尘量q和下料量Q的确定如下：

q＝M_前煤+M_前机+M_前桶-M_后机-M_后桶

Q＝M_前煤+M_前机-M_后机

起尘率β为：

$\mathrm{\β}=\frac{q}{Q}\×100\%$

上述来流风速分别设计为1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0和7.0m/s，根据实验中模型机缩放的比例，模型机的装卸高度分别设计为10cm、20cm和30cm，通过改变来流风速及装卸高度，重复上述起尘实验过程获取不同来流风速和装卸高度下的起尘量数据；

上述步骤c中还包括：使用最小二乘法，将实验获取数据进行拟合，得到装堆起尘率随风速、装卸高度的实验关联式：

β＝k·U^3.13·H^1.64％

式中：β为装堆起尘率；U为风速，m/s；H为装卸高度，m；k为某一类型煤粉样品的修正系数；并进一步获取原煤、大矿原煤、水洗煤与精煤四类煤种的修正因子k，分别为：k_原煤＝3.87×10^-3；k_大矿＝3.49×10^-3；k_水洗＝2.50×10^-3；k_精煤＝1.81×10^-3。