基于粘濕物料流動函數的喂料倉工藝設計

郭天代，王秀龍，孔慶森

1 前言

印度尼西亞P14項目是我公司EPC總承包的海德堡水泥集團10 000t/d水泥熟料生產線。項目包括：原料預處理、生料粉磨、熟料燒成、煤粉制備、水泥粉磨、水泥包裝等。項目位于亞洲東南部，當地年降水量1 600～2 200mm，是典型的熱帶雨林氣候。該項目采用的原料大多較濕、較粘，在儲存及配料工藝處理過程中容易出現粘掛、結塊、篷倉、堵塞以及配料不精確等問題。在P14項目的工藝設計過程中，我們與Jenike&Johnson美國公司合作，從物料流動函數理論入手，通過實驗測定有效內摩擦角和倉壁摩擦角，計算得出了喂料倉出料口尺寸和料斗傾斜角度，從而獲得了喂料倉的外形尺寸。經實際應用，喂料倉內物料處于整體流動狀態，無漏斗流、結拱等現象，使用情況非常好。

2 料倉的設計原理

2.1 選擇料倉流動形式

料倉有整體流動、中心流動（漏斗流）兩種常用形式（見圖1）。

圖1 料倉的主要流動形式

整體流動特點：離析現象最小化，物料更新及時（沒有死料區），料流均勻穩定，出料容重穩定，整個倉容為有效儲量（無死料區）。

漏斗流特點：倉壁所受壓力較小，倉壁所受摩擦力小。

對于粘濕物料而言，選用整體流動倉能夠保證物料順暢卸出。

2.2 選擇合適的內襯及料斗半頂角

測試料斗壁內襯和物料之間的摩擦力，選擇合適的內襯及料斗半頂角（料斗斜面和垂直方向夾角）角度，摩擦力實驗決定內襯以及料斗角度的選擇。

Jenike等人認為料斗半頂角需要滿足條件：θH＜θ。

圓錐料斗半頂角計算公式：

矩形出料口料斗半頂角計算公式：

式中：

φW——壁摩擦角

φe——有效內摩擦角

θ——料斗半頂角

2.3 選擇出料口尺寸

如果物料粘度大，那么除了測試物料和料斗內襯之間的摩擦力之外，還需要測試物料的流動函數PFF，結合料斗流動因素ff決定出料口的寬度和尺寸。

2.3.1 Jenike流動函數PFF擬合

Jenike等人創建了一套科學表示散狀物料流動性能的指標，提出Jenike流動函數PFF，即固結主應力與開放屈服強度之比。

式中：

σ——固結主應力

fc——物料屈服強度

以流動函數定量表述物料流動性，見表1。

表1 流動函數定量表述物料流動性

2.3.2 料斗流動因素ff擬合

倉壁摩擦系數等因素決定著料倉的流動性質，Jenike等人以料斗流動因素ff（flow factor）來表示，并定義為料斗內物料固結主應力σ與作用于料拱腳的最大主應力σ1之比，即ff=。Jenike等人研究發現，料斗流動因素在每個系統中都是一個常數。流動因素是料斗—物料的屬性，計算ff需要知道如下因素：

物料有效內摩擦角；物料和倉壁之間的摩擦角；料斗半頂角；料倉幾何形狀。其中，物料有效內摩擦角、物料和倉壁之間的內摩擦角可以通過剪切試驗測得。為保證整體流動，料斗半頂角需要滿足θH＜θ的條件。Jenike總結了關于料斗流動因素ff的函數圖，見圖2、3。

2.3.3 計算最小出料口尺寸

整體流料倉的卸料口徑取決于物料流動函數與料斗流動因素的比值，即整體流的條件為：PFF＞ff；fc＜σ1，結拱的臨界條件為：PFF=ff。

如以fc，crit表示結拱時臨界開放屈服強度，則可以寫成：σ1=fc，crit

圖2 矩形出料口料斗流動因素函數圖

將ff取倒數HFF=1/ff，轉化成主固結壓力σ的函數，和PFF函數放在一張圖上，則兩條曲線的交點，即物料最大剪切應力等于物料剪切強度，該值即為臨界剪切應力，用來計算料倉臨界出料口尺寸B。當出料口＞B時，料倉內不會起拱。如圖4所示。

H（θH）為料斗半頂角θH的函數，可近似計算：

式中：

m——形狀系數，如圖5所示。

對于軸線對稱的圓錐形料斗，m=1；

對于平面對稱的楔形料斗，m=0。

fc，crit表示結拱時臨界開放屈服強度，則計算臨界出料口時σ1=fc，crit。整理得料斗最小卸料口，矩形開口長度L和B的關系需要滿足L≥3B。

3 原燃料流動特性實驗

圖3 圓錐形料斗流動因素函數圖

圖4 利用HFF和PFF求臨界屈服強度

圖5 料斗半頂角函數

Jenike&Johnson美國公司對現場樣品物料進行流動特性實驗：測試物料和料斗壁的摩擦力，經過計算獲得料斗半頂角。測試物料固結主應力和物料屈服強度，擬合流動函數；測試物料有效內摩擦角和物料倉壁之間的內摩擦角，擬合料斗流動因素，經過繪圖或計算得出料倉出料口的寬度和尺寸。

3.1 原燃料表觀特征和水分測試結果

樣品收到基水分測試見表2。

3.2 漏斗流和結拱尺寸（內聚強度）試驗結果

漏斗流試驗結果：在料倉內避免結拱和漏斗流的最小圓形出口尺寸（DF）見表3。設定固化有效壓力（EH）下形成漏斗流的尺寸為2.5m。

結拱試驗結果：避免起拱的最小倉出口時，物料在倉內整體流動的圓形出口尺寸（BC）和矩形出口尺寸（BP）測試結果見表4。

從表3和表4可見，整體流動時，圓形出口尺寸較大，不利于出料拖拽設備的選取，選擇矩形出口較好。

表2 樣品水分測試結果

表3 避免漏斗流的圓形倉最小出口尺寸DF

3.3 有效內摩擦角的試驗結果

有效內摩擦角的測試取值范圍見表5。

3.4 整體流動的倉半頂角（壁摩擦力）試驗結果

物料倉壁摩擦角測試結果見表6。

從表6得知，樹脂襯板的半頂角最大，304不銹鋼次之。P14項目喂料倉內采用樹脂襯板有利于減小倉的高度。天津院提供了樹脂襯板的樣品。

表4 料倉內避免結拱的最小圓形出口尺寸（BC）和矩形出口尺寸（BP）

表5 有效內摩擦角的取值范圍

4 喂料倉的工藝設計

4.1 喂料倉的選擇

料倉類型的選擇取決于工藝對倉的要求。從倉內物料流動角度來分有三種類型的倉：整體流動、漏斗流和膨脹流。我們選擇了物料整體流動的料倉。整體流動倉如圖6下部和圖7所示。

4.2 喂料倉尺寸的確定

根據實驗獲得了料倉的出口尺寸，獲得了料倉錐體襯板采用樹脂襯板倉的半頂角，又根據生產要求的料倉的儲量，確定了料倉的外形尺寸，見表7。

4.3 出料口閥門的選擇

選擇閥門時尺寸要比出料口大，從閥門下面開始逐漸縮口，有利于料流流出。P14項目選用的棒閥，有利于閥門開啟和關閉。

4.4 喂料倉下輔助出口設備的選取

P14項目采用的空氣炮是用來破拱的。原理是通過空氣炮打擊增加瞬時拱角壓力，使其大于臨界屈服強度，達到破拱的目的。

4.5 喂料倉出料拖拽設備和計量設備的選取

針對粘濕物料，喂料倉出料拖拽設備采用板喂機，計量設備采用定量給料機。為保證板喂機和定量給料機物料輸送的匹配，其之間的溜子要長，確保其能儲存3min以上的物料，并配置接近開關、荷重傳感器、振打電機。板喂機和定量給料機物料匹配完美，不跑料不斷料。如圖8所示。

表6 整體流動的倉壁摩擦角測試結果

4.6 襯板的選取安裝

P14項目喂料倉采用樹脂襯板。襯板的作用是減小物料和倉之間的壁摩擦系數，從而在料斗流動因素ff一定的情況下，能選取較大的料斗半頂角，減小料斗高度。同時光滑的表面有利于物料流動。

5 喂料倉實際生產效果

生產實踐表明，P14喂料倉均處于物料整體流動狀態，且不存在孤立不流動的區域。從試生產開始至今，喂料倉即處于無人值守狀態，計量精度達到±0.5%，從未出現過漏斗流、膨脹流、結拱、粘料和堵塞等現象，達到了預期效果。由于物料入倉存在物料分離現象，但是物料處于先進先出順序的整體流動，其離析現象最少。大塊物料和細分物料流動順序一致。倉內物料具有自攪拌作用，出倉物料的均勻性更好，配料更準確。原煤倉采用下部整體流和上部漏斗流的組合，使用效果也不錯。

表7 喂料倉外形尺寸表

圖6 原煤倉的外形圖

圖7 原料和混合材料倉的外形圖

圖8 出料拖拽設備和計量設備

6 結語

P14項目整體流動喂料倉物料流動穩定，為生料和水泥輥磨的穩定操作、提高磨機產量和降低粉磨電耗奠定了基礎；因倉內離析最小，化學成分波動小，配料準確，為穩定燒成系統的熱工制度和降低熱耗提供了有力保障。P14項目喂料倉工藝設計的成功，為我們建立倉的設計理論，運用實驗數據進行理論計算，通過計算機模擬、試驗檢驗來完善計算結果奠定了基礎。

同時，我們建立了測試物料流動性的實驗室和配料倉設計規程。通過測試物料流動特性、函數擬合計算出倉的出料口尺寸和料斗傾斜角度關鍵尺寸，從而獲得滿意的整體流動的喂料倉工藝設計。

[1]陸厚根.粉體工程導論（第一版）[M].上海：同濟大學出版社，1993.