一種生物質防架橋進料機構的設計

黃燦軍

【摘? 要】為解決生物質加工應用過程中進料機構內物料的架橋與掛壁問題，一般采用改進料斗、料倉的結構設計，以及采用振動、氣體噴吹、機械攪動等輔助裝置防架橋技術，但都未能徹底消除料倉的側壁對物料流動的阻礙作用。論文提出了一種長方形錐型或正方形錐型的活動壁料倉的設計，通過在料倉壁的內側安裝由電機驅動的傳送帶，徹底改變物料僅依靠自身重力進行下落的進料方式，并且傳送帶速度不一致對物料整體產生剪切效果，從而有效防止物料的掛壁與架橋現象。

【Abstract】In order to solve the problems of material bridging and wall hanging in the feed mechanism in the process of biomass processing， the improved structure design of hopper and silo and the anti-bridging technology of auxiliary devices such as vibration， gas injection and mechanical agitation are generally adopted， but the side wall of silo can not completely eliminate the blocking effect of material flow. This paper presents a design of rectangular cone or square cone type movable wall silo. Through the installation of the motor driven conveyor belt in the inner side of the silo wall， completely change the feeding mode that material only rely on its own gravity to fall. The speed of the conveyor belt is inconsistent to produce a shear effect on the whole material， so as to effectively prevent the material wall hanging and bridging phenomenon.

【關鍵詞】防架橋;生物質;進料機構

【Keywords】anti-bridging; biomass; feed mechanism

【中圖分類號】TS210.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0179-03

1 引言

木質纖維素在地球上分布廣、含量多，每年大約有1000億噸的生成，是一種來源廣泛、價格低廉的可再生資源。利用廢棄木材、竹子、農業秸稈等天然生物質材料進行造紙制漿、發酵生產酒精、制備復合木塑材料、生產生物質燃料等已形成規模化產業。在生物質材料的再加工和循環利用過程中，由于物料的形狀不規則、密度小，物料容易吸收水分而膨脹、壓實，物料間發生纏繞、拉扯，物料與倉壁間發生黏連等現象，導致其流動性差，經常在料倉中產生架橋或掛壁等現象，使加料不均勻或不連續，嚴重時會影響加工機械的性能。因此，防架橋與破拱技術成為生物質利用技術的研究熱點之一。在防架橋技術專利方面，中國在2007年開始相關技術專利申請量快速上升，2013年達到高峰，目前中國防架橋專利申請量為世界的前二位，申請量超過了1000件[1]。

物料之間以及物料與倉壁之間的摩擦力與物料的濕度和密度密切相關，在料倉開始卸料時，由于物料較松散，摩擦力較小，物料在重力作用下可以持續下落。隨著物料下落局部的物料密度逐漸增加，當這部分物料自身的重力不足以克服物料之間以及物料與倉壁之間的摩擦力時，物料無法在料倉內下落而產生掛壁和架橋現象。現有防架橋技術雖然形式不一樣，但其原理基本一致，均是通過破壞物料的摩擦力與重力的平衡來實現破拱。

2 料斗防架橋技術

料斗是進料裝置必不可少的關鍵部件，通常與生物質加工機械的進料口相連，為了方便進料，料斗大多采用上寬下窄的漏斗狀設計，這種料斗中以傾斜面出現的倉壁是物料發生架橋的主要原因。由于傾斜面對物料的支撐作用，增加了物料與倉壁之間的摩擦力，同時上寬下窄的漏斗狀也使物料在下降過程中增加了擠壓，促使架橋現象的發生。一些文獻提出了增加垂直面[2]、出口偏心設置的料斗[3，4]（見圖1），使垂直面對物料的支撐作用減弱，降低料拱的形成。

3 料倉防架橋技術

在生物質材料用于制漿、燃料等場合時，其每次使用量大，而且要求連續均勻進料，因此需要較大料倉用以儲存。此時由于大量的物料堆積，高度較大，更易造成架橋。通常采用垂直倉壁或上小下大的倒錐形設計[5，6]，以降低倉壁對物料的支撐作用，減小物料之間、物料與倉壁之間的摩擦力，提升物料流動性。大型料倉的設計對高徑比有一定要求，當高徑比過大，料倉底部的出料機構對上層物料的擾動作用減弱，亦會產生架橋現象。料倉通常設計成圓形、方形、圓形倒錐、方形倒錐、圓方組合、單面傾斜方形料倉等。結合料倉形狀以及料倉的高徑比進一步在倉內設置卸壓錐，保證物料壓力始終穩定在臨界壓力下。常見的卸壓錐布置有雙曲線布置、指數曲線布置、環形布置等[7]。

一些研究者進一步對倉壁進行優化設計，以改善傾斜倉壁對物料下落的阻礙作用。專利CN201721197438.9“一種防架橋粉體喂料機”采用一種具有柔性喂料通道內壁或者喂料通道內固定有柔性內層的設計，通過柔性壁消除粉體由于重力產生的向外張力與喂料通道內壁擠壓而形成的分子間作用力，從而防止架橋[8]。專利CN201320506645.3“改進的回轉式防堵物料倉”采用兩端固定倉、中間旋轉倉的三段式料倉設計，有效解決出料時物料堵塞等問題[9]。專利CN201821746997.5“一種防架橋木片料斗”采用在內壁上依次加裝數塊減壓板，使物料與倉壁形成間隙，以達到消除架橋故障的目的[10]。

4 輔助裝置防架橋技術

4.1 振動敲打技術

通過振動使物料內摩擦系數減小，抗剪強度降低，從而實現物料的破拱。常見的振動設備有空氣錘、空氣振動器、振動馬達以及振動料斗等，空氣錘對易吸潮掛壁類物料破拱效果好，滾珠式振動器適合沙子、種子等顆粒料，振動馬達對顆粒狀、流動性好的物料作用效果較佳[11]。該類設備主要安裝在料倉外壁，設備的維修維護簡單，價格較低，但由于振動作用范圍有限，該裝置適用于小容積的料倉。

4.2 氣體噴吹技術

通過壓縮空氣的沖擊力，使物料掘松，起到破拱作用。常見的有流化噴嘴、噴吹板以及空氣炮等。流化噴嘴是將壓縮空氣通過噴嘴直接對物料進行噴吹，空氣炮則是使一定壓力的氣體瞬間釋放以產生強大沖擊力作用于物料，將料拱破壞。噴吹裝置結構簡單、噪音低、便于維護，適用于不易吸潮、不與水反應的物料。而空氣炮則對料倉的材料有一定要求，適用于以混凝土、鋼、塑料等為主要材料制成的料倉的清堵[12]。

4.3 機械攪動技術

通過機械結構的旋轉運動或往復運動破壞料倉內的物料平衡狀態，使某一部分發生塌陷，達到破拱效果。按照機械裝置作用的部位，一般可分為料倉內腔、料倉出口、料倉底部3種防架橋裝置。

料倉內腔防架橋裝置主要是通過垂直安裝于料倉中心位置的螺旋軸+槳葉式松動器、螺帶、彈性桿、攪拌臂等，對料倉內的整體物料進行攪動破拱。該類裝置對結構不會產生振動，對物料的作用范圍廣，但結構較為復雜，初期投入較大，不利于維修維護，適合應用于對出料流量大的場合。

料倉出口防架橋裝置主要通過安裝于出料口的做水平往復運動、垂直往復運動或往復擺動的撥叉，對出料口處的物料進行攪動而實現破拱。該類裝置的作用范圍有限，適用于流動性較好的物料。

料倉底部防架橋裝置主要針對大型的儲料式料倉，該型料倉需要在底部設置特殊的出料裝置以實現連續均勻出料，出料裝置同時還起到對上層物料進行擾動的作用，達到“破橋”目的。常見的出料裝置有活底液壓推桿、旋轉螺旋、液壓撥叉、液壓滑塊、并聯螺旋等出料裝置，其中的活底液壓推桿和旋轉螺旋出料裝置適用于大中型料倉，液壓撥叉、液壓滑塊和并聯螺旋出料裝置則適用于小型料倉。

5 一種生物質防架橋進料機構的設計

倉壁對物料的支撐使二者之間的摩擦力增加是導致架橋的重要原因之一，傳統的上寬下窄甚至垂直倉壁的料倉均未能很好解決這一問題。上窄下寬的倒錐型料倉又不能滿足大多數應用場合。本文采用了一種活動壁防架橋進料機構的設計，如圖2所示，采用長方形錐型結構，兩側面為斜面，前后面為垂直面，底部采用雙螺旋出料。在斜面的內側裝有傳送帶，利用單獨電機或底部雙螺旋電機通過皮帶進行驅動，類似于“活動壁”，兩側的傳送帶與物料接觸一面的運動方向均向下，使物料在傳送帶的摩擦力和自身重力的共同作用下向下運動，改變傳統的料倉倉壁僅對物料靜止支撐的狀態，有效解決物料的掛壁現象。進一步通過設置不同的傳動比使兩側傳送帶運動的速度不一致，相當于對物料整體起到剪切作用，增加破橋效果。

如圖3所示，對于條狀、塊狀等流動性差的物料，在傳送帶上進一步增加橫向隔條，增加傳送帶對物料的摩擦力。

對于一些輕質纏繞性的物料，在傳送帶上設置一定間距、成排安裝的銷釘裝置以增加傳送帶對物料下行的作用，如圖4所示。同時，為了避免銷釘將物料帶入傳送帶上行側與倉壁的間隙中，造成傳送帶的卡死，銷釘裝置設計成可伸縮的形式，如圖5所示。在傳送帶下行階段，通過安裝在傳送帶下方的襯板使彈簧壓縮，銷釘被強制推出，對物料產生作用。當銷釘下行到最下端即將轉為上行時，此時已到襯板的末端，襯板失去作用而彈簧恢復原狀推動銷釘收縮到傳送帶下方，有效避免銷釘將物料帶進上行區間。

對于傳統的正方形錐型料斗，采用在4個側面增加傳送帶的設計，如圖6所示，相對的2個側面安裝長而窄的傳送帶，另2個相鄰側面安裝短而寬的傳送帶。

對于垂直倉壁的方形大型料倉，在4個側面增加傳送帶，并采用不同的向下運動速度，改變了物料下落的驅動方式以及物料在垂直方向的壓力梯度，破壞了物料掛壁和架橋的條件，使料倉可采用更大高徑比的設計。

6 結語

料倉是生物質材料加工與應用過程中的關鍵設備之一，長期以來，料倉內物料的架橋現象嚴重影響實際生產，受到相關領域眾多的工程技術人員和研究者的關注，提出了形式多樣的解決方案。本文采用了一種活動壁的設計，通過在料倉壁的內側安裝電機驅動的傳送帶，使倉壁對物料的摩擦力由阻礙物料下落變成驅動物料下落，實現物料在傳送帶的摩擦力與自身重力的雙重作用下落料，并且傳送帶的運動速度不一致，進一步對料倉內的物料整體產生剪切效果，打破物料的平衡狀態，有效防止掛壁與架橋現象的產生。該進料裝置結構簡單、使用方便、節約成本、滿足連續進料的工藝需要。

【參考文獻】

【1】熊雅茜.粉料倉儲領域防架橋技術綜述[J].現代商貿工業，2017（7）：195-196.

【2】魏文義.同向平行雙螺桿擠出機喂料系統的現狀與發展[J].工程塑料應用，2003，31（02）：53-55.

【3】方玉瑩.粉狀物料供料與計量裝置設計[J].食品與機械，1997（02）：23-24.

【4】郭培紅，朱莉，梅艷陽.生物質氣化系統中氣化爐設計及進料裝置改進[J].農機化研究，2013（6）：222-225.

【5】尤巍.生物質料倉結拱原因分析及措施[J].工業鍋爐，2020（05）：34-37.

【6】付志臣，涂叔穎，周飛飛.一種新型生物質進料機構的研究[J].林業機械與木工設備，2018，46（04）：29-34.

【7】周樂才.封閉木片料倉“防架橋”和“破橋”技術的研究和應用[J].中華紙業，2015，36（18）：36-40.

【8】刁書才，馬官國.一種防架橋粉體喂料機：中國，CN201721197438.9[P]，2018-05-04.

【9】丁洪超，徐傳璽，王召瑞，等.改進的回轉式防堵物料倉：中國，CN201320506645.3[P]，2014-04-16.

【10】方志強，黃海龍.一種防架橋木片料斗：中國，CN201821746997.5[P]，2019-09-27.

【11】劉茼，劉桂林.淺談粉體料倉防架橋裝置的應用[J].輕工科技，2019，35（10）：50-51.

【12】郜杰.空氣炮在解決料倉堵塞中的應用研究[J].機械管理開發，2020（12）：152-153.