步進料倉式輸送設備的研究及應用

常燕青 胡 軍

1.維爾利環保科技集團股份有限公司 常州 213125 2.常州金源機械設備有限公司 常州 213126

3.江蘇省固體廢棄物處理環保裝備工程技術研究中心 常州 213126

0 引言

均勻輸送是秸稈、果蔬、城鄉垃圾處理中的必要工序，同時在秸稈處理項目中處理量大，進料卸料時間短的情況下，還需輸送設備具有存儲緩存的功能。步進料倉式輸送設備作為一種新形式的輸送設備，在滿足輸送、存儲、承載等高要求的情況下，展現了很多優于類似產品設備的性能。本文依托衡水混合原料10萬m2生物天然氣項目和隆安2 MW混合原料沼氣發電項目的實例，對步進料倉式設備進行詳細介紹，并結合設備的實際運行情況進行總結分析，對相關參數進行計算校核，為步進料倉式輸送設備的設計優化和推廣應用提供經驗。

1 工程項目簡介

1.1 衡水項目工程概況

衡水混合原料10萬m2生物天然氣項目垃圾類型及處理量為果蔬120 t/d、秸稈460 t/d、牛糞460 t/d、酒糟500 t/d；沼氣產量為180 000 m3/d；生物天然氣產量為100 000 m3/d；每年減少排放72萬t CO2當量的溫室氣體。秸稈輸送系統一期工程步進料倉輸送處理量為20 t/h，料倉存儲有效容積為210 m3。秸稈通過自卸式卡車卸到步進料倉內，由步進料倉輸送到皮帶輸送機上，再到細破碎機上，最后由皮帶機輸送到水解池，酸化后進入厭氧罐進行厭氧發酵產沼。

1.2 隆安項目工程概況

隆安2 MW混合原料沼氣發電項目垃圾類型及處理量為牛草100 t/d、甘蔗渣20 t/d、香蕉皮60 t/d、甘蔗青頭70 t/d；沼氣產量為20 830 m3/d；生物天然氣產量為11 600 m3/d；每年減少排放8萬t CO2當量的溫室氣體。混合原料輸送系統中步進料倉輸最大送能力為20 t/h，料倉有效存儲容積為90 m3。2條處理線：混合原料通過裝載機進入到步進料倉，經螺旋輸送機直接輸送到厭氧罐發酵產沼。

2 步進料倉式輸送設備介紹

2.1 步進料倉的結構

步進料倉主要由：出料滾筒、前后端板、側板殼體、步進地板、導向限位塊、地板蓋板、支撐框架、支腿、尾部防護等機械部分和液壓驅動系統等組成。

2.2 步進料倉的工作原理

通過液壓缸驅動，物料隨著所有步進地板整體同時前進；走完液壓缸行程后，地板開始后退，后退時地板單塊逐個后退；地板數量按照3的倍數進行布置。以3塊地板為例，單個地板運動其上物料產生的動摩擦力小于2塊地板上物料產生的靜摩擦力，按照地板每次全部同時前進然后單塊逐個后退到初始位置再循環往復的方式，物料每個周期都能向出料方向前進一個液壓缸行程的距離；物料前進到出料滾筒處被滾筒均料打散進入出料口輸送至下一道工藝流程。圖1為9根地板間歇式出料運行的原理示意圖。

圖1 9根地板間歇式出料運行示意圖

2.3 步進料倉式輸送設備的特點

步進料倉式輸送設備實現了大容積物料的輸送，料倉貯存量大、承載能力強、封閉性好、設備一體化和輸送效率高，運行時喂料方便，自動化程度高且避免了帶載啟動的風險，采用液壓系統作為動力穩定性更高，出料時出料口有傾斜布置的勻料滾筒，既能起到勻料限制出料高度的作用又能將積壓的塊狀物料打散，方便后續工藝流程的處理。

3 步進料倉式輸送設備參數分析

3.1 衡水項目運行分析

衡水項目物料特性為黃儲秸稈，物料密度為0.5 t/m3；料倉處理量為 20 t/h；料倉存儲容量為210 m3；接料倉的出料設備為U1 200，帶速為1 m/s。

3.1.1 步進料倉輸送設備主要設計參數

料倉有效容積為18 m×3.6 m×3.4 m（長×寬×高），地板數量為9根，液壓站電機功率為30 kW，工作壓力20 MPa，液壓缸行程300 mm。

3.1.2 衡水項目步進料倉實際運行情況

衡水項目料倉進料方式為自卸卡車側面和尾部卸料兩種方式，秸稈在步進料倉內平均堆高為2 m左右，運行時步進料倉按照間歇式模式進行出料。

液壓缸驅動地板運動，前進時9根地板同步前進，后退時單根逐個后退；根據后續工藝設備處理要求進行地板運行速度的調整，前進時地板前進液壓缸行程300 mm，用時約100 s，后退時從滿行程300 mm位置退到初始位置用時5 s；同時9根液壓缸運行時存在同步性差異，在前進和后退位置均設置了停留時間以保證9根液壓缸均能走完最大300 mm行程，前進位置設置停留時間10 s，后退位置設置停留時間2 s。

正常2 m物料高度運行時，地板前進液壓站壓力約為10 MPa，地板后退液壓站壓力約為15 MPa。在基本滿倉3 m物料高度運行時，地板前進液壓站壓力約為12 MPa，地板后退液壓站壓力約為18 MPa。

3.1.3 步進料倉運行參數計算核對

按步進料倉實際運行情況對料倉輸送處理量進行核對。地板循環間歇式運行，相當于料倉在周期性將物料向前推進，每運行1個周期秸稈前進300 mm；每個運行周期的時間T為

式中：t1為地板前進時間，t2為地板后退時間，t3為地板停留時間。

每運行一個周期，能輸送的秸稈體積V1為

式中：W為物料堆積寬度，H為物料堆積高度，S為物料前進距離。

每小時地板循環運行的次數N=3 600/T=21，T為每個循環的運行周期。步進料倉每小時的輸送量Q=N·V1=42 m3/h。結合秸稈堆積密度，按此方式運行的步進料倉處理量可以達到設計要求。

3.1.4 設計參數優化

通過步進料倉實際運行參數與理論設計參數對比分析，可知由于秸稈在料倉內堆積截面很大，物料前進速度必須很慢才能保證輸送的物料量不超出后續設備的處理量。料倉需足夠的緩存體積，從液壓系統上進行相關設計參數的進一步優化，以保證截面尺寸。

結合料倉地板的運行速度可計算出液壓缸所需流量，對比發現液壓系統中所選柱塞泵排量偏大，選更小型號的柱塞泵即可滿足要求。液壓站電機功率為

式中：W為液壓站電機功率，Q為系統流量，P為液壓系統壓力，K為標準系數。

由此可知液壓站電機功率與系統流量Q成正比，在保證系統壓力P的條件下，減小液壓系統中柱塞泵排量的同時還能夠降低液壓站電機所需功率。

3.1.5 衡水項目運行總結

衡水項目的步進料倉截面較大，其存儲和輸送能力能夠保證，且處理量可調范圍較大，只是后續工藝設備的處理能力對其運行進行了限制。結合實際運行情況可作為后續設計的參考，對相關參數進行進一步優化，滿足使用要求的同時降低生產成本和運營成本。

3.2 隆安項目運行分析

隆安項目物料特性為混合草料，物料密度為0.6 t/m3；料倉處理量為 5～40 m3/h；料倉存儲容量為80 m3；接料倉的出料設備為U500螺旋輸送機。

3.2.1 步進料倉輸送設備主要設計參數

料倉有效容積為12 m×3 m×2.4 m（長×寬×高），地板數量為7根，液壓站電機功率為15 kW，工作壓力18 MPa，液壓缸行程200 mm。

3.2.2 隆安項目步進料倉實際運行情況

隆安項目料倉進料料方式為裝載機上料，秸稈在步進料倉內平均堆高2 m左右，運行時步進料倉按照間歇式模式進行出料。

液壓缸驅動地板運動，前進時7根地板同步前進，后退時單根逐個后退；根據后續工藝設備處理要求進行地板運行速度的調整，前進時地板前進液壓缸行程200 mm，用時約65 s，后退時從滿行程200 mm位置退到初始位置用時6 s；同時7根液壓缸運行時存在同步性差異，在前進和后退位置均設置了停留時間保證7根液壓缸均能走完最大200 mm行程，前進位置設置停留時間5 s，后退位置設置停留時間2 s。

正常2 m物料高度運行時，地板前進液壓站壓力10 MPa左右，地板后退液壓站壓力15 MPa左右。

3.2.3 隆安步進料倉運行參數計算核對

根據隆安項目實際運行參數結合衡水項目的計算方法，隆安步進料倉每小時的輸送量為36 m3/h。結合后續螺旋輸送機處理量，按此方式運行的步進料倉處理量達到了設計要求。

3.2.4 隆安項目運行分析

在衡水項目運行的經驗基礎上，對隆安項目的液壓系統相關參數進行優化，同時通過理論計算與實際測試獲得的應用結果，也驗證了設計計算的正確性。

4 步進料倉式輸送設備運行及設計優化

衡水和隆安兩個項目的步進料倉均是按間歇式運行，在地板間歇式運行的周期中，地板前進過程是實際出料的有用功時間，地板后退和轉換的停留時間為出料的無用功時間，按照間歇式出料方式運行實際降低了設備的運行效率，增加了能耗，提高了運行成本，故對步進料倉應按照由間歇式出料模式向連續出料模式的方向進行優化。

通過增加位移傳感器和液壓精確調速閥，嚴格控制液壓缸的前進和后退速度，始終保證在地板動作過程中，其中一個地板在后退，其余地板都在前進，即能將物料持續向出料方向推進。雖然步進料倉的連續運行模式有周期性，但是物料在連續前進，即在整個周期內全是物料輸送的有用功時間，無用功時間為0。具體如圖2～圖4所示。不同數量地板在連續運行過程中保證有1根地板在后退，其余地板都在前進。單根地板后退速度是前進的2倍（見圖2），單根地板后退速度是前進的5倍（見圖3），單根地板后退速度是前進的8倍（見圖4）。

圖3 6根地板連續運行模式

圖4 9根地板連續運行模式

步進式料倉設備的連續運行模式相對于間歇式運行更加高效，但對控制要求較高，要考慮PLC控制程序編程的難度、液壓系統配置的標準、位移傳感器的精度等。步進料倉輸送系統可配置稱重系統實時顯示物料重量和輸送量，同時網絡和組態軟件可通過遠程控制和設定運行模式。

5 結語

步進料倉的處理量范圍可調性較高，具有較高的靈活性，同時在模塊化設計的基礎上適應性非常強。作為一款穩定高效的輸送設備，步進料倉兼具了接收、存儲、輸送的優良性能，通過在秸稈、果蔬垃圾等混合原料處理項目上的應用，可將其推廣到其他類型環保項目進行使用，特別是生活垃圾、廚余垃圾等相關處理項目。