粉體大庫儲存與卸放的流動性分布與傳導力學分析

 一、問題背景

        粉體的物理流動性在實際儲存與卸放過程中，在多種因素影響下會呈現(xiàn)大跨度的變化。當受空氣持續(xù)沖擊激發(fā)處于高含氣狀態(tài)時具有類似液體的高流動性和高壓力傳導性，結果容易導致暴沖失控現(xiàn)象；當長期處于靜態(tài)沉積時又因粉內氣體受壓自然向上逸出后又會形成固態(tài)的低流動性和高壓力阻隔性，結果又容易導致阻塞斷料失控現(xiàn)象； 正是因為粉體介質在靜動態(tài)間具有巨大的傳導力學差異波動性，造成了粉體倉底定量給卸料的技術處理非常困難，直接影響到后續(xù)工藝產質量的保證和提升，深入分析其流動性變化的內在原因與相應的傳導力學的變化規(guī)律就成為研究的焦點！

    二、影響粉體的流動性的主要因素與特征

    通過深入研究粉體的流動性，我們發(fā)現(xiàn)影響粉體流動性的因素具有如下特征：

    1、含氣量越高，流動性越強。進料沖擊，架空料垮塌，料層內吹入外加高壓空氣等均可造成氣粉沖擊交匯區(qū)域局部含氣量增加。

    2、料位越深粉壓越高，粉內氣體向上自然逸出速率越大。

    3、細度越高，粉體流動性變化幅度越大。
            
    4、任何粉體在空氣動態(tài)沖擊混合下，均會在氣粉交匯中心的一定空間區(qū)域內激發(fā)震顫出飽和含氣量和高含氣量，但撤除沖擊震顫作用后僅能維持短暫時間（一般數秒鐘）就會退回常規(guī)半含氣狀態(tài)，此時間與粉體比重成反比。

    5、任何粉體在靜態(tài)沉積條件下，均存在其含氣向上方自然逸析向固態(tài)轉化的趨勢，從流態(tài)轉為固態(tài)的速率與粉體比重和料壓成正比；達到飽和固態(tài)的粉體已不可析氣壓縮，每種粉體的自然飽和固態(tài)料壓力（料位高度）不同。

    6、當空氣濕度大并滲入粉體時，其流動性隨水份含量高而降低；反之，空氣干燥則增加。

    7、動態(tài)收縮越快，粉料所受收縮壓越大，氣體擠出效應越快，流動性轉變?yōu)楣绦栽娇欤绕湓趥}底出口附近，大流量卸放必然引發(fā)的快速收縮度而容易形成拱圈阻塞。距庫底出口最短垂直路徑的中心通道因收縮小，其流動性最高。

    8、庫底邊壁存在料重承壓固化效應，位置越低料壓越高，固化性越大；而且邊壁還存在摩擦阻流效應，一般在庫底錐及垂直壁夾角的自然堆積角區(qū)易形成飽和固態(tài)料。

    9、粉體下落往往以動態(tài)拱垮式自然振顫方式進行，每層料拱將上部料壓力統(tǒng)一導向外庫壁支撐，待其下方落空失去支撐平衡而垮落再重新成拱，如此周而復始，流動性越低其拱垮幅度越大，下落振顫周期與幅度越大。

    三、粉體性的量化標準與定義

    不難發(fā)現(xiàn)，粉體的自然堆積角與其流動性上呈反比，從庫內錐口卸放時體現(xiàn)為導流性的等幅變化，因此可定義其自然流動角為自然堆積角的余角：

    α=90º-β或α+β=90º

    其中:

    α--自然流動角

    β--自然堆積角

    為了量化粉體的流動性，本文建立以粉體自然堆積角為標準的6級數學分度定義：

    1、級別0----飽和密度固態(tài)，含氣量已到達下極限含量，稱鐵實料，自然堆積角最高。一般在料壓超過飽和壓力（不同粉體的飽和壓力不同，往往表現(xiàn)為不同的料位高度）后經長時靜態(tài)沉積將料隙中空氣向上全部逸出后形成。例如礦粉：α≈25，β≈65，自重下移時必須從其下落方向前及其邊側撤除全部支撐與阻擋后才可行。

    2、級別1----高密度固態(tài)，含氣量到達較小含量，稱硬實料，自然堆積角次高。一般靜態(tài)高壓沉積數十小時后就會逐漸逸出所含氣體降為0級流動性。例如礦粉：α≈35，β≈55，自重下移時必須從其下落方向前撤除正面支撐后才可行。

    3、級別2----中密度固態(tài)，含氣量到達中低等含量，稱中硬料，自然堆積角中等。一般靜態(tài)高壓沉積數小時后就會逐漸逸出部分氣體降為1級流動性。例如礦粉：α≈50，β≈40，自重下移時只須從下落方向側前方撤除部分阻擋后就可向其饒行。

    4、級別3----低密度半流態(tài)，含氣量處于中高含量，稱軟料，自然堆積角較低。一般靜態(tài)高壓沉積數十分鐘后就會逐步逸出部分氣體降為2級流動 性。例如礦粉：α≈70，β≈20，自重下移時只須從下落方向側前方撤除少量阻擋后就足可向其饒行。
 
    5、級別4----次低密度高流態(tài)，含氣量到達較高含量，稱半液化料，自然堆積角很低。此料一般由持續(xù)小幅震顫維持其狀態(tài)，一般撤除震顫影響后僅能維持數分鐘就會迅速逸出部分氣體降為3級流動性。例如礦粉：

    α≈80，β≈10，自然下移時可直接擁向其下方任何低壓空間。

    6、級別5----飽和全流態(tài)，含氣量到達上極限高含量，稱全液化料，自然堆積角幾乎為零，必須持續(xù)保持對粉體足夠的充氣和沖擊震顫激發(fā)才能產生，一般撤除沖擊激發(fā)后僅能維持數秒就會迅速逸出部分氣體降為4級流動性。例如礦粉：α≈87，β≈3，自然下移時可直接竄向下方任何低壓區(qū)域方向。

    所謂靜態(tài)指粉料的空間位置無移動的狀態(tài)；所謂動態(tài)則指粉料的空間位置有移動的狀態(tài)。

    實際含氣量的變化是連續(xù)的，作以上6級分類主要用于分析庫內基本的傳導力學的作用特性。
    
    四、粉料的水平擴張壓力傳導數學關系

    粉料中某點（處）的變向擴張壓力傳導性為：

    P=p* sinα

    其中

    p為該處的上部料壓，一般與該處垂直料位深度成正比。

    α為粉料的流動系數自然流動角，與含氣量（空氣或外加其他氣體）成正比。

    顯然，流動性大者的變向擴張壓力自然上升，在飽和流態(tài)時等同于液態(tài)的全擴張?zhí)匦?，其繞流性極高，故易形成垂直方向重力增壓沖料失控。反之，在飽和固態(tài)時接近于固體的零擴張?zhí)匦?，其饒流性極低，對邊壁的拱架支撐率大幅提升，從而易形成垂直方向重力減壓滯料失控。

    五、粉體的動態(tài)平衡關系

    當粉體下卸運行中，料的垂直下移速度與料內含氣的上逸速度會形成以下3種情況：

    1、料下移速大于其含氣上逸速

       此情況下庫料流動性將日益增大，最終達到兩者相同的較高流動性，實現(xiàn)了新的動態(tài)平衡。結果表明粉料越動越軟。

    2、料下移速小于其含氣上逸速

       此情況下庫料流動性將日益減弱，最終達到最低流動性，結果表明粉料越不動越易變硬。

    3、料下移速等于其含氣上逸速

       此情況下實現(xiàn)了動態(tài)平衡，庫料流動性將保持不變，結果表明粉料平衡時穩(wěn)定性最好。

    根據以上分析，顯然在料庫容積與流量的動態(tài)關系中存在一定的設計邊界，流量小者庫直徑與庫高度（庫容）不宜過大，否則庫底出口處的流動性變低易拱塞；流量大者則庫直徑與庫高度（庫容）不宜過小，否則庫底出口處的流動性變高易擴大其壓力波動性。所以在實際生產中應根據工藝的最佳流量設計選擇合理的料庫的尺寸容量，而不應錯位選配。

    六、粉庫滿倉靜態(tài)沉積隨時間的流動性分布與變化

    基于上述粉體流動性形成與演變的規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)粉料新入滿庫后的靜態(tài)流動性會隨沉積時間的推移而產生變化，直至穩(wěn)定在一定庫位的穩(wěn)定平衡情況下。
其中，因不同深度與位置的含氣逐步向上逸出而發(fā)生分層沉積固態(tài)化增加，直至最后達成穩(wěn)定不變的平衡分布，稱為飽和沉積。

    庫內料重力分布依庫底流動性不同而不同，長期靜態(tài)沉積后形成硬性喇叭型分層固態(tài)過渡，總應力為“V”型杯托支撐分布，總料重大部分由庫低環(huán)錐壁垂直支撐，而庫底壁水平外張力不高，出口壓力很低（一般僅在10kpa 以下）。

        滿倉飽和沉積后的卸放，因庫底已形成流動性最低的飽和固態(tài)，極易產生拱架阻塞，出料量越大越易拱塞斷料。

        中倉飽和沉積后的靜態(tài)卸放，因庫底已形成流動性較低的高密度固態(tài)，也易產生拱塞瓶頸限流或斷料。

        低倉飽和沉積后的靜態(tài)卸放，因庫底壓力不大，其流動性尚達不到極低的飽和固態(tài)，卸放過程要平順些。

    七、粉庫自然動態(tài)卸放時的流動性分布與力學傳導特征

    當粉體庫底卸出運行同時庫頂進料時，我們稱為動態(tài)運行。普通大庫的典型動態(tài)運行時的流動性分布如下圖 ：

    動態(tài)運行中形成漏斗流則總應力為“V”型分布，總料重大部分由庫垂直邊側環(huán)壁支撐，中心的細長部分“U”型瓶頸中料重力形成動態(tài)拱壁架支撐，只有出口上方少量料重由出口支撐，庫底出口壓力較低。

    很明顯，在中高料位情況下，由于飽和固態(tài)料不會移動，高固態(tài)料的下移緩慢，兩者在底自然會形成了硬性喇叭漏斗，真正流動的半流態(tài)料實際形成了漏斗流，其細長的瓶頸會產生自然限流性，在喇叭收口處，卸出料流量越大，收縮性拱架力越強，瓶頸直徑將越縮細，從而限流性越強，直致全阻塞斷流。受動態(tài)拱的衰減作用，出口料壓很低，一般在10kpa 左右。

    而在中低料位情況下，整體分布下移，同時進料沖擊動能加大，喇叭漏斗變軟，瓶頸變粗短，出口流量及流動性波動整體變大。

    如此變化巨大的物理流動性與現(xiàn)代生產的穩(wěn)定大流量需求完全矛盾和沖突。
  
    八、粉庫動態(tài)卸放時的流動性分布與力學傳導特征

    當粉體庫底卸出運行同時庫頂進料時，稱為動態(tài)運行。按進料量與卸出量間的大小關系會形成以下3種情況：
         
    1、進量大于出量
        
    此情況下庫中料位逐步增大，進出之差越大，變化越快，最終會達到滿倉，必須停止進料。此過程中庫底出口處粉料流動性必然隨料位增加而下降。
         
    2、進量小于出量

    此情況下庫中料位逐步降低，進出之差越大，變化越快，最終會放空全倉，出量減為進量，整個庫腔演變成通道。特別是隨料位降低，進料落差增加，進料的沖擊動能逐步加大，在較低庫位（一般3-6米）時必然使庫底存料全激發(fā)震顫穿透為最高流動性的飽和流態(tài)，使庫底出口處粉料壓力必然上升到最高，進而促使出料流量猛增而失控沖出。例如礦粉，此情況下倉口壓力高達料位高度的水柱壓力3米30kpa，5米50kpa。

    動態(tài)運行中總料重 由庫底壁平均支撐，庫底出口壓力較高。

    3、進量等于出量

    此情況下實現(xiàn)了進出的動態(tài)平衡，庫料位與流動性將保持不變。高庫位時，庫底流動性較低，中庫位時流動性居中，低庫位時則因高落差進料沖擊易造成全激發(fā)為高壓全液化料，使庫底出口處粉料壓力必然上升到最高，易導致出料流量猛增而失控沖出。

    根據以上分析，為了獲得穩(wěn)定的流動性和控制特性，顯然，在生產過程中應盡可能選擇3，且保持庫位在中部，所以在實際連續(xù)生產中應根據工藝的最佳出料流量設計選擇稍大的進料量，而不是較大的冗余進量匹配。

    九、粉庫運行的不同實際工作方式

    1、同時連續(xù)進料和卸料方式

    粉料從前道工序持續(xù)輸送來（如粉磨），經提升機從頂部打入庫內，而庫底保持定流量出料，如此形成了持續(xù)動態(tài)運行的情況。其中：進料與出料流量大體相等，宜保持在中倉位。

    2、周期性快速進料和連續(xù)慢卸料方式

    實際生產中常存在這樣的工況：粉料從遠處用罐車運送來，快速從頂部泵入庫內，而庫底保持持續(xù)定流量出料；或者前道工序（如粉磨）匹配的供料量偏大， 庫滿后必然停止進料較長時間，此后時庫底保持靜態(tài)流量出料，等料空庫位較低時再進料，如此形成了周期性動態(tài)與靜態(tài)運行的交替情況。其中：

    動態(tài)情況往往在料  空庫位較低時進行，剛進料階段易處于最危險的全激發(fā)高壓狀態(tài)，極易對出料控制產生沖擊波動干擾；庫位升高到一定位置后才會使庫底流動性逐步下降穩(wěn)定，直到庫內灌滿。

    靜態(tài)情況則只出不進，隨料位從高到低，庫底流動性從較低流動性逐步變?yōu)檩^高  動性；特別是最后接近庫底空倉時，因堆積角與邊壁存料固性高，易產生不規(guī)則掛壁拱架與垮塌，從而形成密度與流流量的大幅波動情況。
         
    3、分別進料和卸料方式

    實際生產中也存在這樣的工況：粉料從遠處用罐車運送來，快速從頂部泵入庫內，入料時不卸料。而在不進料時庫底保持靜態(tài)流量出料，如此形成了周期性靜態(tài)進出運行的交替情況。其中：

    料空庫位較低時進料，由于不卸料，可避開動態(tài)產生沖擊波動干擾；滿倉后則只出不進，隨料位從高到低，庫底流動性從較低流動性逐步變?yōu)檩^高流動性；特別是最后接近庫底空倉時，因堆積角與邊壁存料固性高，易產生不規(guī)則掛壁拱架與垮塌，從而形成密度與料流量的大幅波動情況。

    此方式工作效率較低，一般只適合不需連續(xù)生產情況的工藝使用。

    十、采用庫底氣動卸料時的流動性演變與力學傳導特征

    由于自然卸料必然產生嚴重的拱塞欠斷料，現(xiàn)實中人們常采用庫底外加高壓空氣的方法來處理欠斷料問題，其中分三種方式：

    1、簡單方式

    僅在大錐度(如55度以上)庫出口內上部1-2米高處外壁接入2-8根高壓氣管，工作時周期性短時控制吹入200-600千帕（0.2-0.6Mpa）的壓縮空氣。
此方式僅適用于小流量小庫容，底庫位中低料壓情況，形成周期性流動性脈動衰減變化；若用于大庫容高料位，則因庫口上方固性太高，高壓氣將在庫內形成空洞穹拱阻塞后，空氣能量向下從卸料控制裝置中吹出卻不來料，一旦空洞垮塌又會引發(fā)高動能氣固混合沖擊。

    2、普通方式    
   
    直接采用低錐度平底庫設計，在庫底鋪設環(huán)型空氣斜槽陣，采用蘿茨風機持續(xù)強制吹入中壓(20-60千帕)的高壓空氣，常見分6或8組周期性循環(huán)切換出1路的掃描吹氣工作方式。

    此方式適用于中庫容底庫位中低料壓情況，通過持續(xù)氣化將高固態(tài)料吹變?yōu)楦吡鲬B(tài)料，形成壓力相對大且穩(wěn)定的供料；若用于大庫高料位，則因庫口上方飽和固性層太厚，高壓氣只能將在氣口附近形成空洞穹拱，結果使空氣能量向下從卸料控制裝置中吹出卻不來料，一旦空洞垮塌又會引發(fā)高動能氣固混合沖擊。

    3、復雜方式
         
    在2的基礎增加了專用小型稱重緩沖倉設計，由大庫氣動閘閥控制向小稱重緩沖倉中卸料，通過倉重控制其料位穩(wěn)定在一定的合理范圍，再在該緩沖倉底鋪設環(huán)型空氣卸槽陣。采用蘿茨風機持續(xù)強制吹入中壓(20-60千帕)的高壓空氣，使該小倉內的粉料全部均化穩(wěn)定在一定的壓力與密度條件下，流動性保持在高流態(tài)或飽和流態(tài)上，再用組合閘閥加沖板流量計或密封皮帶稱計量控制卸放，通過對緩沖倉的容重料位檢測，實現(xiàn)對緩沖倉容重的動態(tài)穩(wěn)定平衡，從而使緩沖倉的壓力與密度保持穩(wěn)定，進而保障其出口的卸料控制裝置處于穩(wěn)定的工作條件下，可用于大庫容高庫位壓情況。理論上控制效果要比方式2好很多 ， 但此方式比2方式的建造與運行維護成本大幅提升，且僅適用于新建倉儲系統(tǒng)，對已建方式2的大庫根本無空間進行緩沖倉增加。

    其中，2、3方式因庫內底部存在大量管路，長期運行后空氣中水份在氣粉接合部會產生水凝結沉積板結，累積形成水硬性阻塞，最后必須徹底停產進行人工清除維護。另外，由于需持續(xù)通電吹氣以維持穩(wěn)定的流動性，卸料運行能耗很高。再者，2、3方式處于中高庫位工作時，其大庫底部料的流動性必然處于 級別5或4的高固態(tài)，強制吹入空氣后不易形成穩(wěn)定的飽和流態(tài)，且必然吹空庫底排氣口局部空間形成空洞群，最終在大庫底部內必然形成不規(guī)則周期性空洞垮塌性下陷沖擊，進一步擴大出料波動性。

    十一、理想的動態(tài)下卸時流動性分布與力學傳導特征

    根據上述分析，顯然理想的卸料系統(tǒng)的流動性特征目標應如下：

    1、從進料到出料要全面合理的動態(tài)平衡料容(料位)位設計范圍，避免共用同一庫進行大范圍的供料流量切換。

    2、流動性保持在2、3的中間級別時，即半流態(tài)和中流態(tài)時對后續(xù)控制有利，要有目的地防止流動性向過低(0、1級別)和過高(4、5級別)方向發(fā)展變化，如此使內部有利于整體流的形成，從而對卸料裝置的穩(wěn)定控制特性有利。

    3、應根據工作流量和工作方式來設計合理的庫容尺寸，盡可能使生產時的庫位動態(tài)變化范圍處于有利的條件下。

  
    當庫內實現(xiàn)整體流下卸時，若粉體流動性保持在級別2、3的半流動性平衡上，則庫內力學分布呈動態(tài)拱連續(xù)小幅垮塌，全部料重力通過拱架傳遞到庫環(huán)壁上，最終落實在庫底外環(huán)錐的支撐上，而庫底出口中心料壓保持在較低水平，如15kpa以下。

    十二、結論

    通過上述分析與論述，發(fā)現(xiàn)粉體在卸料系統(tǒng)過程中的流動性分布是個極其復雜的動態(tài)變化平衡過程，含氣量是影響流動性的關鍵內因，但實際生產過程中諸多要素（如運行方式、庫容尺寸、料位、進與出流量比關系等）的變化都會引發(fā)流動性的不同變化，又相互作用。如果不深刻認識其演變的本質原因和規(guī)律，就很難徹底從根本上解決其流量的穩(wěn)定控制問題。