料倉物料架橋及破拱裝置技術綜述

夏俊超，劉亞楠

（中鹽工程技術研究院有限公司，天津 300450）

1 前言

化工生產中所涉及的物料存在流程基本可以劃分為三種：運輸、轉化和儲存。轉化是物質化學或物理的變化過程，文章對此過程不做闡述，僅討論存儲和運輸環節。化工物料基本為固、液、氣三態。氣態儲存可以依靠儲罐；液、氣液、氣固甚至是氣液固物料可以通過泵或風機等設備進行傳輸；固態更多通過機械傳動設備進行輸送。但物料除了輸送外，還必須有緩存或存儲狀態，此時就需要容器進行存儲。文章不涉及固態整料存儲，僅對粉料或顆粒在料倉內存儲進行討論。

2 架橋原理及表現形式

粉料或顆粒，在理想情況下，即合理的料倉外形尺寸設計以及良好的物料流動性，倉內物料會以均勻的流動狀態排出料倉，從而形成料面的均勻下降，這種流動被稱為“全流式流動（Mass Flow）”。

然而，不合理的料倉設計以及某些特殊特性的物料，倉內物料會形成非均勻的“穿流式流動（Funnel Flow）”。導致只有料倉中心區域物料流動、形成漏斗，且漏斗外側物料長期處于靜止狀態，這種狀態稱之為架橋。除此情況之外，另一種架橋類型多發生在出料口上方，由于環境濕度、物料含水量、物料本身或與容器壁之間的摩擦力等，在粉料排出口蓬起形成一空穴，導致粉料不下落，此被稱為架橋現象。

架橋又被稱為起拱、拱塞和堵塞等。當架橋現象出現后，料倉出料量無法滿足，影響生產的連續運行，降低料倉實際利用率，減少原本工藝設計中物料的緩存時間。

架橋現象，是粉料卸料領域所面臨的常見并且不容忽視的問題，如何對其進行預防和處理也是目前國內外清堵技術領域的研究熱點。

3 破拱方式

防架橋被稱為破拱，目前很多技術水平較低的工廠仍采用人工敲擊、棒捅等方式對架橋進行疏通處理，不僅耗費大量人力，且在處理過程中存在一定的安全隱患。在工業應用中，物料流動特性很難改變，需要通過優化料倉外形尺寸設計或加裝防架橋裝置來輔助出料。現在防架橋裝置有3種形式比較常見，即外加振動、外加攪拌和外加流體。

3.1 外加振動

第一類常見的防架橋裝置是利用振動，其原理為通過振動使粉料內摩擦系數減小，抗剪強度降低，從而破壞拱橋結構實現破拱。常見設備有空氣錘、空氣振動器、振動馬達以及振動料斗等。

3.1.1 空氣錘

空氣錘主要由外殼、活塞、底座組成，并需要配合電磁閥以及壓縮空氣（3～6 kg）使用。通過對料倉底部實施間歇性敲擊循環，空氣錘所具備的機械能被釋放，并在撞擊瞬間傳遞到料倉外壁、實現有效破橋。

當料倉設計了多層空氣錘時，最下層氣錘需要優先啟動，然后在一定時間間隔后，再逐層依次啟動上部氣錘。空氣錘對易吸潮掛壁類物料有較好使用效果。

此裝置一般安裝在薄壁料倉下部，由于不需要對料倉鉆孔或更改原有料倉結構，安裝便捷，非常適合對舊有料倉進行改造。另外此類設備維護工作較少，不需要潤滑，是針對小型料倉比較經濟的破拱裝置。

3.1.2 空氣振動器

滾珠式振動器內部裝有鋼球或滾柱，當通入2～6 kg的壓縮空氣后，可產生連續低強度、高頻率振顫，適用于顆粒狀物料，如沙子、種子等。

此裝置和空氣錘類似，也安裝在薄壁料倉下部，安裝便捷、設備維護工作較少、不需要潤滑、適合對舊有料倉進行改造，同樣是針對小型料倉比較經濟的破拱裝置。

3.1.3 振動馬達

振動馬達通過在旋轉軸兩端配有偏心塊，即可在電機轉動時由于離心作用產生振動力。振動馬達通常安裝在料倉的外壁，或直接安裝在脫離的下部料斗上，料斗會用撓性吊架吊在料倉罐體上，從而形成振動料斗（活化器）。

振動馬達裝置，價格相對較低，且系統維護簡單，對顆粒狀及流動性較好的物料的破拱比較有效。對于由于空間限制或設計問題導致的料倉錐底角度不夠時，可以采用振動料斗進行改造。對于黏性物料或易被壓縮的物料，振動類裝置效率一般。由于振動馬達穿透力有限，通常適用于料倉容積較小的情況。振動料斗和料倉罐體之間，需要使用軟連接密封，由于這個軟連接是易損件，需要定期更換。

此種方式最為傳統，研究者甚眾，專利較多。如公開年份為1989年的CN2033389U的儲料倉振動破拱取料機，通過在箱體內一個圓拱形芯體之中安裝一個內激振器，在箱體側壁上安裝一個外激振器使物料受到振動作用，起到破拱效果；以及公開年份為2014 年的CN203473637U 的料倉振動裝置，通過氣缸連接的敲擊錘來敲擊倉壁襯板，使料倉產生振動，從而振落粘附在料倉內壁上的粉料。

3.2 外加攪拌

第二類常見的防架橋裝置是利用攪拌，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。

3.2.1 料倉內腔

料倉內腔防架橋裝置按照動力可粗略分為兩種：一是人工，二是電動機械。

人工，即人為用棒穿過漏斗上的攪拌孔來攪拌漏斗內的物料，消除起拱。

電動機械可分為以下形式：

（1）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；

（2）運用帶有攪拌軸銷或葉輪等圓盤供料器做圓周運動，強制將漏斗中物料排除，起到破拱作用；

（3）回轉壁式刮刀，在防堵體系的運動過程中，物料在內倉壁附近無法與倉壁之間形成穩定的拱，堵塞的基礎被瓦解，堵塞也就不會再發生。

上述幾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，適合用于對料倉不宜產生震動的部位。

3.2.2 料倉出口

料倉出口防架橋裝置主要通過安裝于出料口處做水平往復運動、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。目前河北永大食鹽有限公司有料倉使用氣動撥叉的實例，效果較好，性價比高。

3.2.3 料倉底部

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，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。

3.3 外加流體

第三類常見的防架橋裝置是利用外加流體，流體穿過物料空隙流動從而使物料堆積狀態改變。此過程所使用的的流體主要分為液體和氣體。

3.3.1 外加液體

液體噴射裝置主要運用于煤倉架橋現象中，在煤倉堵塞時會使用水炮來進行疏通，如公開年份為2012年的CN102745431A 防止原煤倉堵煤的方法及裝置：原煤倉上部的內壁上設有均勻分布的噴嘴，噴嘴的噴水方向與原煤倉倉壁的方向一致，所有的噴嘴均連接到進水管上，在進水管上設有排污口。通過噴嘴使原煤倉的倉壁內側形成水膜。煤粉塊吸附水后，含水量增加，與管壁周圍的摩擦系數減小，摩擦阻力減少，周界層煤粉塊的摩擦力也相應減少；并且，在周界層煤粉塊有水源補充時，排出了煤粉間隙中大量的空氣，煤粉間隙中的空氣被排除后，煤粉再受到擠壓時難以形成局部真空，煤粉塊的壁面壓力就能大幅度降低，煤粉塊粘壁的現象自然減小；此外，增加了煤粉塊的水源補充，煤粉塊水源不能流失；因此，此發明能有效防止煤粉在原煤倉內壁上結塊凝固的情況發生。

對鹽業而言，此方法參考意義不大，因為鹽會吸水甚至溶于水，外加液體不符合生產目標要求。

3.3.2 外加氣體

外加氣體通常有兩種作用模式：一種是料倉內壁設置可充氣裝置；另一種是壓縮空氣直接通入料倉與物料接觸的空氣噴吹裝置。

3.3.2.1 可充氣裝置

此類裝置本質相同：通過對充氣裝置充氣和放氣改變其外形，進而改變料倉內部形態，破壞架橋物料受力結構形式，形成破拱效果。此裝置有自制的在漏斗壁上裝氣囊的方法，也有成品的破拱氣碟。

破拱氣碟是通過將壓縮空氣通入安裝在罐體內側的隔膜與罐壁板間，物料在被氣體鼓吹膨脹變型的隔膜擠壓下，向中心移動；當空氣泄出后，隔膜收縮恢復初始狀態，物料失去擠壓力后下落，完成一個循環。在連續循環作用下，不斷對物料進行破拱，輔助物料傳輸。

3.3.2.2 空氣噴吹裝置

此方式利用壓縮空氣的動力作用，借助其沖擊力，使物料掘松，從而消除拱堆。常見裝置有流化噴嘴、噴吹板以及空氣炮。

空氣炮，可看作使用壓縮空氣作為沖擊炮彈，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。公開年份為2010 年的CN201484959U 差動式空氣炮清堵器，采用空氣為介質的高低氣壓差動破拱清除堵倉的結垢與結塊，氣流出氣口采用雙管分流方式機構，兩只氣流出氣管流量大，破拱結構面積大，破拱結構強度高，便于集中控制差動溢流，達到破拱的目的。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。

流化噴嘴，壓縮空氣通過伸進料倉的鋼管進入，由噴嘴噴出，對易架橋位置進行定期噴吹，流化物料避免架橋。此種結構所需壓縮空氣的壓力等級需求較高，一般要穩定在4～6 kg 之間，并且一般需要沿料倉圓周布置或分層多點位布置。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。

如果工廠或使用點附近沒有壓縮空氣氣源，那么此類設施無法使用。由于壓縮空氣直接被引入料倉內部接觸物料，如果物料為食品等，則對壓縮空氣有質量要求。且氣體會通過最容易的路線排出，或多或少會形成物料的穿流，壓縮空氣外排會帶出粉塵，增加除塵裝置壓力。

4 總結

防架橋技術在國內外均已經非常成熟，同時取得了顯著成果，總結了很多可供參考學習的經驗方法。市面上各個設備廠家提供了很多不同設計的防架橋裝置，但是基本的設計原理并沒有突破以上三類。

對鹽業而言，可以在不怕振動的原鹽料倉等部位使用氣錘等振動裝置；不可以振動的小料倉如加碘緩沖料倉等，使用料倉內腔攪拌裝置；對大型料倉可以使用氣動撥叉等料倉出口攪拌裝置；氣動噴嘴等裝置也可以安裝在適用料倉中。總之，在實際應用中，可以結合現場實際情況，進行選型，甚至多種裝置組合使用達到最好的破拱效果。