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无动力导料槽
业务服务：设计、仿真分析、生产（涵盖新建、改造项目）
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一、行业背景
在散状物料输送过程中，例如煤炭、矿石、砂石等，由于物料下落、碰撞、摩擦等原因，容易产生大量粉尘，造成环境污染、危害工人健康、影响设备运行等问题。传统的抑尘方法，如洒水、喷雾等，存在水资源浪费、二次污染、冬季结冰等弊端。因此，开发一种高效、环保、节能的抑尘技术具有重要意义。
二、无动力抑尘导料槽装置
无动力抑尘导料槽常包括以下几个关键组成部分：
• 导料槽体：这是设备的主体结构，通常由耐磨钢板制成，用于引导物料流动并减少物料下落时的冲击力。
• 缓冲装置：包括缓冲床、阻尼板等，用于减缓物料下落速度，降低物料与导料槽体之间的碰撞力度，从而减少粉尘的产生。
• 密封装置：包括密封条、密封垫等，用于封闭导料槽的开口，防止粉尘外溢。
• 挡尘装置：包括挡尘帘、迷宫式结构等，利用粉尘颗粒的惯性作用，使其与空气分离，达到抑尘效果。
• 支撑结构：包括支架、吊挂装置等，用于固定和支撑导料槽体，确保其稳定运行。
• 连接件：包括螺栓、螺母、密封胶等，用于连接导料槽的各个部分，确保整体结构的密封性和稳定性。
• 检修门：为了方便设备的维护和检修，导料槽上会设置检修门，以便于检查和更换内部部件。
• 观察窗：用于观察物料流动情况和设备运行状态，通常由耐磨透明材料制成。
• 附件：根据具体应用需求，可能还包括一些附件，如振动器、清扫装置等，以提高设备的运行效率和清洁度。
• 补充：
运用流体力学原理，通过压力平衡和密闭循环方式来降低导料槽内气流的压力，实现多级降尘，使得粉尘能量衰竭后落回输煤皮带，减少粉尘外溢的一种导料槽。
• 应根据气固两相流仿真结果，通过设置多级循环卸压装置和多组空气阻尼装置，平衡导料槽内部压力使其出口平均压力形成负压、出口平均风速低于输送带带速。
• 应采用模块化密封结构，尾部安装密封装置，防溢裙板采用双层整体设计。
• 卸压装置应设置观察窗口，观察窗口尺寸不小于300mm×300mm。
• 阻尼挡尘帘应设计多层错位排列，上下可调节，宽度与导料槽横截面同宽，使用寿命不低于5年。
• 导料槽与物料接触处应设置耐磨衬板，衬板寿命不低于 5000h。
三、仿真方案
仿真模型
物料在转运系统内的流动是一个散状物料和空气、粉尘相互作用的复杂多相流系统，单纯的使用离散单元法或者应用流体力学方法并不能完全描述转运系统内的运动状态，因此需要使用DEM-CFD耦合的方式来研究转运站内诱导风的分布情况。
气固两相流模拟转运站导料槽诱导风的仿真具有显著优势，相比昂贵且耗时的物理实验，仿真成本低廉且高效，能在计算机上模拟复杂流动过程。此外，仿真能够灵活地测试不同操作条件和设计参数，为工程提供便捷手段进行多方案比较、优化和设计。
西门子 STAR-CCM+ 是高度集成的 CFD 仿真软件，支持前处理、网格划分、求解及后处理全流程一体化操作。在转运站抑尘分析中，它可高效模拟气流场与粉尘扩散规律，精准计算导料槽出口风速、内部压力分布，评估负压形成效果，为优化通风系统、验证抑尘装置的气流控制能力提供可靠依据，适用于复杂工况下的抑尘效果仿真与评价。
四、仿真结果与分析
通过EDEM和CFD耦合仿真，模拟物料以2.8 m/s初速度进入转运站，在管内与空气的相互作用情况。
计算中，5 s时：物料颗粒通过转运管道刚进入导料槽，并将卸载到受料输送带上；10 s时：物料颗粒完全通过受料皮带，离开计算域；10 s后的物料颗粒稳定分布在转运站。
根据计算结果可得到各工况在20 s时的物料颗粒和气流的速度结果。
挡尘帘
泄压阀
导料槽长度
1
无
无
10m
2
有
无
10m
3
有
有
10m
备注：挡尘帘和泄压阀作为抑尘装置，装备挡尘帘时，间隔2m/个。
1.无抑尘
图1(a)气体流场矢量图 图1(b)物料颗粒分布图
如上图1(a)所示，是无抑尘装置20s时转运站内气体流场速度矢量图，对比图1(b)物料在管道和导料槽的分布可以明显看到：转运站内受料面和背料面存在高速区，而相应的高速区中间又有一部分低速区，分析可知这是气固两相流作用下形成的气体旋涡。
物料颗粒群在进入管道初始，沿曲线管道运动的物料颗粒群会带着颗粒间隙中的气体以及紧挨着颗粒群的气体流动，形成诱导气流，流场在类离心力的作用下，会形成旋涡；当物料颗粒在重力作用下，从一段曲线管道末端位置跳跃式过渡到下一段管道的时候，物料颗粒和夹杂在颗粒群之间的气体会有分离，并且此时流体通道截面积减小，物料对诱导风的流通有一定的阻碍作用，因而会进一步促使相应位置旋涡流场的形成。
2.挡尘帘
图2(a)无抑尘装置 图2 (b)含挡尘帘
由图2(b)含挡尘帘装置时转运站内气体流场速度矢量图可以观察到，导料槽挡尘帘之间出现多个气体旋涡。由相关研究可知，由于撞击改向而形成的旋流存在有利于减少扬尘的产生。
无抑尘装置时，物料落入受料输送带后，导料槽内部气流速度最大值出现在导料槽出口处，导料槽出口气体的速度为2.41 m/s，接近受料输送带的运行速度。在装备挡尘帘后，颗粒群和气流在导料槽中挡尘帘的作用下，形成了分布合理的旋涡流场，使得导料槽内的气体流动速度更加平缓，出口平均速度下降至1.68 m/s，可以有效降低粉尘往外喷发的现象。
3.泄压阀
图3(a)含挡尘帘 图3(b)含挡尘帘和泄压阀
装配泄压阀后，从图3(b)可以看到，大量气体从泄压阀出口处逸出。矢量箭头的大小可以反映气体流量，在导料槽装配泄压阀后，出口流量减少，可以降低诱导风带出的扬尘。
整个转运站内，管道中诱导风速最高，接近物料下落速度，在无抑尘装置时，最高气体流速为4.65 m/s，含抑尘装置挡尘帘和泄压阀时，管道内的最大风速为4.48 m/s，导料槽出口平均风速1.56 m/s。因为大量高速气流通过泄压阀逸出，减少了给料匙处气体流量。4.导料槽长度影响
挡尘帘
泄压阀
给料匙出口风速
导料槽长度
1
有
有
4.48m/s
10m
2
有
有
6.01m/s
10m
3
有
有
6.01m/s
12m
4
有
有
6.01m/s
20m
当料流速度增加，颗粒高速下落时带动的扰动气流增加，管内诱导风速增加。根据仿真分析结果，当给料匙出口风速由4.48 m/s增加至6.01 m/s时，10m导料槽出口风速增至3.44 m/s。因此，需要针对不同转运站结构的给料匙出口风速，设计导料槽长度。
如图所示，当给料匙出口风速为6.01 m/s时，12 m导料槽出口处风速降至2.96 m/s，相比10 m导料槽时出口风速降低0.48 m/s。继续增加导料槽长度至20 m，管道内气体由泄压阀分流的流量增加，导料槽出口气体流量减少，风速明显降低至1.47 m/s。
随着导料槽长度增加，挡尘帘和泄压阀降低诱导风作用更加明显。因为给料匙至出口位置长度增加，更多气体被泄压阀分流逸出，而且挡尘帘作用次数增加，出口处气流稳定流出。
导料槽内的压力分布可以解释这一现象。
由上图可以观察到，转运站导料槽内压力沿皮带方向逐渐减小。
导料槽长度为20 m时，由于给料匙处诱导风速更高，动压增加，所以20 m导料槽气体静压低于10 m导料槽和12 m导料槽。
每经过一段挡尘帘，气流在挡尘帘处撞击造成能量损失，压力降低。随着导料槽长度增加，气体经过挡尘帘降压次数增加，接近出口处压力越小。20 m导料槽出口位置前出现负压，负压有利于气体回流，降低风速，减少导料槽出口位置扬尘。
五、选型建议
选择无动力抑尘导料槽时，需考虑以下因素：
• 物料特性：粒度、湿度、粘度、密度等。
• 输送量：单位时间内物料输送量。
• 安装空间：导料槽的安装位置及空间限制。
• 环保要求：抑尘效率和排放标准。
六、总结
在物料转运过程中，诱导风速和产尘量的大小密切相关，明确转运站内的流场分布对分析转运站的抑尘效果有重要意义。针对常见的输煤转运站建立相应的几何模型，并采用DEM-CFD气固两相流仿真对物料和气流进行分析，其中使用EDEM软件分析颗粒的运动情况，AcuSolve、STAR-CCM+等CFD软件分析气体的运动和受力情况，得到转运站内气体流速分布情况。
根据对比仿真得到的结果可知：
(1) 挡尘帘能够有效抑尘：气流在挡尘帘处撞击造成能量损失，压力降低，由于撞击改向而形成的旋流存在有利于导料槽出口风速的降低，从而减少扬尘的产生；
(2) 泄压阀起气体分流作用：大量气体从泄压阀出口处逸出，使导料槽出口流量减少，有效降低诱导风带出的扬尘；
(3) 导料槽出口位置前出现负压有利于气体回流，降低风速，减少导料槽出口位置的扬尘。
关于导料槽DEM-CFD流固耦合仿真，还需要进一步分析下列问题：导料槽长度跟物料下落速度的关系，挡尘帘的间距跟导料槽长度、物料下落速度的关系，泄压阀的位置关系，回风管到底有没有用，管径跟风速、风量的关系，以及导料槽内能不能或如何才能形成稳定的负压。
通过对转运站导料槽的气固两相流仿真来设计转运站结构，控制料流速度和导料槽长度的关系，合理布置抑尘装置，可以有效降低诱导风，减少扬尘产生，从而以最低的成本带来最高的效益。
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