粉體料倉存在的問題及解決方法

李忠毅 李 勇 姜開忠

青島科技大學機電工程學院 青島 266061

0 引言

料倉是各種松散物料的貯存設備,是粉體工藝過程中各種單元操作之間必須的重要設備[1]。由于每一種物料都有其獨特的物化性質，故料倉設計也具有多樣性。粉體料倉屬于常壓容器，工作時要求粉體能連續流動，料倉能否保持連續、平穩、順暢卸料是生產工作正常運行的基礎，更是下級給料計量設備穩定運行和準確計量控制的關鍵影響因素[2]。但料倉在使用過程中產生問題，導致后續工作無法準確進行的現象較為常見，其問題主要分為3大部分：1）流動堵塞問題；2）物料偏析問題；3）沖擊流動問題。本文對此進行討論，為料倉使用過程中出現問題的解決提供有益的參考。

1 流動堵塞

1.1 粉體流動的流型

粉體在料倉實際下料過程中，流動狀態往往比較復雜，但其典型的下料流動狀態主要有質量流動、漏斗流動和結拱堵塞3種[2]，如圖1所示。

圖1 物料流動基本形態

質量流動也稱整體流動，如圖1a所示，在重力的作用下，當料倉內任意一部分物料運動時，整個料倉內的物料都會移動，料倉內幾乎沒有靜止的區域，按照先進先出的順序連續平穩流出[3]。質量流動下料時料倉實際有效容積較大，料流連續、穩定，為后續給料計量設備的穩定運行和精準計量控制提供了保證。但在下料過程中，物料與料倉壁面產生滑動摩擦，對料倉壁面會產生一定磨損作用。故對具有強磨蝕性的物料應給予適當注意或采取保護措施。

漏斗流動也稱中心流動，如圖1b所示，只有料倉中央部分的粉體物料產生流動，流動區域呈漏斗狀，使料流順序紊亂，甚至有部分粉體停滯不動。只有料倉中心的物料在運動著，符合后進先出原則[1]，大大降低了料倉的有效實際容積，如果粉體物料在倉殼處長期滯留擠壓，甚至會產生崩塌發生事故，影響生產安全和進度。

結拱堵塞是由于物料在重力的作用下聚集粘結連接成橋，當料拱向上的支撐力和上方的物料壓力達到力平衡時便形成了結拱堵塞，下面的物料流出后形成空穴便造成堵料斷流[2]，如圖1c所示。而料倉結拱一般分為4種類型：①壓縮拱：料倉內粉體因儲存時間較長而受到較大倉壓力，使得固結強度增加而導致起拱；②楔形拱：顆粒狀的物料因相互嚙合而達到力平衡狀態所形成的料拱；③粘結粘附拱：粘結性強的物料在含水、吸潮或靜電作用而增強了物料與倉壁的粘附力所形成的料拱；④氣壓平衡拱：料倉回轉卸料器因氣密性差，導致空氣泄入料倉，當上下氣壓達到平衡時所形成的料拱。

圖2 料拱類型

1.2 解決方法

1.2.1 采用外部助流措施

1）振動助流 采用倉壁振動器，將其安置在料倉易結拱堵料相對應的倉壁外側。通過電磁、氣動或振動電動機產生振動，經過倉壁或振動臂傳遞給物料，使物料松動下卸，破壞結拱堵料。振動助流主要適用于非粘滯性干松散物料，對于帶有粘滯性和較細的粉體物料，振動將使得物料更加緊實，效果可能適得其反。一般需要在卸料過程中斷續振動，卸料停止，振動必須隨即停止。

2）機械攪拌 一般采用槳葉式或螺旋式攪拌葉，通過轉動攪拌松動物料和破壞結拱堵料，促使料倉卸料，適用于附著性強的粉體。

3）氣體助流 通過噴吹壓縮氣體使得物料松動和流態化，從而順暢卸料，例如：倉壁噴吹裝置、空氣炮和蛇形風管等，適用于含水量很低的粉體。

4）插入改流體 改流體多為圓錐狀或角錐狀，對于流動性差的粉體，可設置2個改流體。

1.2.2 改善料倉結構

目前主要是從改善料倉的結構設計、降低料倉粉體壓力和減小料倉比摩擦阻力這3個方面來解決結拱堵塞問題。針對不同類型的結拱堵塞問題要針對性地來解決[4]。

1）壓縮拱 主要是通過增加卸料口尺寸、減小斗頂角來改善料斗幾何形狀；減小料倉間隔或采用改流體來降低粉體壓力；改善倉壁材料以減小倉壁摩擦阻力。

2）楔形拱 主要是通過增加卸料口尺寸、減小斗頂角或者采用非對稱料斗來改善料斗幾何形狀。

3）粘性粘附拱 采用防潮或消除靜電的方法來減小倉壁摩擦阻力，將容易吸水的物料妥善存放防潮；在料倉以及防爆和排氣裝置上設置靜電接地板以消除靜電。

4）氣壓平衡拱 采用偏心卸料口來改善料斗幾何形狀，采取排氣措施來減小倉壁摩擦阻力。

2 物料偏析

粉體在流動時，由于粒徑、顆粒密度、顆粒形狀、表面形狀等差異，粉體層呈現的不均質現象，即出現物料分離(也稱偏析)。大部分分離的物料是能自由流動或者稍有粘性的，故顆?？珊苋菀椎叵嗷シ蛛x。而流動性差的粉體受到顆粒間粘附力的影響，大大降低了單個顆粒的流動性，從而降低了分離的趨勢。通常情況下，希望減少或避免物料分離，因為下游的許多工藝要求產品具有恒定的組成[5]。

2.1 偏析原理

2.1.1 斜面上的分離

如果顆粒在松散固體堆的表面或顆粒床的任何其他傾斜表面上向下滑動，較小的顆粒比較大的顆粒更有可能進入到表面上足夠大的空隙中。因此，較小的顆粒保留在空隙中，而較大的顆粒主要向下滑動或滾動到堆的底部。堆積物的表面作用類似于篩子，較小的顆粒通過篩子落下，這種效應也叫篩選，如圖3所示。顆粒大小差異越大，篩選效果越明顯。在細粒占比很小的情況下，這些微粒將聚集在靠近堆的頂部，如果細粒的占比很大，這些細粒中的一些也會到達堆的底部。如果粉體僅有少量相對較大的顆粒，則這些顆?？赡軙奂诘撞縖6]。

圖3 料堆篩選

除篩分效應外，傾斜的顆粒床表面還會發生其他的分離效應。如果一些顆粒休止角比較大，堆積的上部會更陡(見圖4)。休止角較大的顆粒主要停留在堆的較高、較陡的部分，而休止角較低的顆粒在更下方。

圖4 傾斜面篩選

2.1.2 空氣阻力效應

粉體顆粒相對于氣體的速度會受到空氣阻力的影響[7]?？諝庾枇εc重力之比隨著顆粒尺寸的減小而增加，故重力場中顆粒的穩態沉降速度隨著顆粒尺寸的減小而顯著降低(見表1)。這種效應對于50～100 μm的顆粒尺寸起著重要的作用，但是對小于10 μm的顆粒影響不是十分顯著。因此，懸浮在氣體中的小顆粒不能以相對于氣體明顯的速度移動，且很容易被氣流帶走。

表1 顆粒穩態沉降速度與直徑的關系

當粒子流在水平方向(或傾斜方向)填充容器時，細顆粒比粗顆粒更容易受到空氣阻力的影響，細顆粒不會傳播到較遠的距離。圖5a顯示了從斜道卸料形成的堆，由于所討論的空氣阻力對粒子軌跡的影響，粗顆粒將主要聚集在遠離斜槽的一側。如果從側面填充料倉(見圖5b)，由于不同軌跡的影響，細?？赡茉谡麄€料倉中不對稱分布。如果粗顆粒的流動明顯好于細顆粒，則在排放過程中可能會發生偏心流動，那么在排放開始時，主要排放粗顆粒[8]。

圖5 軌跡分離

當料倉從頂部垂直裝料時，顆粒尺寸對沉降速度的影響明顯(見圖6)。若粉體通過氣力輸送到料倉中，較粗的顆粒跟隨氣流向下到達填料表面并保留在該位置。相反，細顆粒(小于50～100 μm)夾帶在氣流中，當氣流接近料倉中已有的物料表面時，氣流向外轉向倉壁，最后向上。由于氣流橫截面的增加，氣體速度向倉壁方向降低，因此，顆粒會掉落并沉積在填料表面，較小的顆粒會沉積在離填料點更遠的地方[9]。即細顆粒將沉積在靠近倉壁的地方，非常細小的顆粒直接粘附在壁上，形成顆粒層，當層超過特定厚度時最終落下。即使粉體通過重力單獨裝入料倉，即沒有氣力輸送系統產生的氣流，顆粒流也會產生拖動氣流。這種氣流遵循與圖6相似的路徑，但與氣力輸送系統裝料相比，空氣速度較小，故效果不太強烈。

圖6 垂直裝料時顆粒氣流

2.2 解決方法

2.2.1 粉體的改性

通常情況下修改已經存在的物料在實際情況中不現實，但是在開發新產品時，應該考慮到物料發生分離問題的可能性，然后通過適當的措施來消除或減輕?？梢詤⒖迹?）減少顆粒尺寸、顆粒形狀和顆粒密度方面的差異；2）通過適當增加顆粒間粘附力降低流動性，從而降低了分離的可能性。例如可以添加適量的液體來增大附著力，但是這種改進有可能會導致流動問題。3）混合物成分的緊密結合。如一種成分被另一種成分覆蓋。

2.2.2 填料過程的優化

當粉體物料沿著傾斜表面流動時，由于篩分而發生分離。為了防止這種情況，必須避免形成傾斜表面，如靜止斜坡，即料倉必須在其整個橫截面上均勻裝料。

1）可通過旋轉斜槽來實現(見圖7a)，顆粒在橫截面上的均勻分布要求氣力輸送的氣流要均勻。旋轉斜槽的傾斜度可變，物料可以裝入任何直徑的同心環中，從而保持表面幾乎水平。

2）分散擋板(見圖7b)將粒子流分布在料倉橫截面的較寬區域。這種方法重點是氣流垂直指向擋板的中心，否則不能保證物料在所有方向上均勻分布[10]。

3）如圖7c所示，如果物料從帶式輸送機或斜道被拋到分散擋板上，軌跡分離會導致擋板上方粗、細粒分布不均勻。對于這種情況，可在分散擋板上方的設置垂直混合管(類似于靜態混合器)，粗粒流可以在垂直混合管中居中混合(見圖7d)，解決軌跡分離的問題。

4）當物料從分散擋板上落下時，如圖7b所示，由于顆粒尺寸、形狀和密度的不同而產生不同的軌跡，可在徑向分離。在分散擋板處設置一個的圓柱裙可用來限制分散的物料，使其幾乎垂直下落(見圖7e)。這樣，物料分離減少，但在料倉表面形成一個環形堆，細粒將主要出現在環形堆的頂部邊緣下方，而粗粒將沿著垂直軸和料倉的周邊聚集[11]。

5）還可以設置多個進料點，使得料倉多進料點同時裝料（見圖7f）。在料倉頂部下方的水平多孔板，從上方裝料，使得粒子流分布在料倉的橫截面上。

2.2.3 小結

粉體物料在流動、運輸、處理或加工等過程都可能發生離析。原則上，物料分離的趨勢可以通過改變物料特性來降低，但是就成本和所需的產品性能而言，這通常是有限的或不可能的。填充料時避免分離的方法受到限制，效率不可預測，有時過于昂貴。因此，最好的解決方法是設計料倉時，應根據物料特性提前考慮到可能引起的物料分離，盡可能地選擇質量流模式[12]，這樣可極大地減輕物料偏析現象，降低對生產質量和進度的影響。

3 沖擊流動

料倉中粉體的流動可能伴隨著動態脈動和自激振動[13]，脈動頻率＞1 Hz，部分振幅較低處會出現聽覺范圍內的振動(頻率＞20Hz)，也被稱為料倉噪音或料倉鳴笛。這種噪音經常間歇地出現，發出類似卡車喇叭的聲音。有時還會出現明顯震動，被稱為料倉震動。根據支撐料倉的地面，震動會擴散到周圍很遠的地方。因此，料倉震動和料倉鳴笛會對周圍環境造成影響，嚴重時會損壞料倉結構。料倉震動和料倉鳴笛是大量粉體突然加速和隨后減速造成的，即為沖擊流動。一般料倉都會表現出來這種沖擊，但是只有當這種現象表現得強烈時才產生料倉震動或料倉鳴笛[9]。然而并非每一種粉體都會引起嚴重的沖擊，引起這種沖擊主要是堅硬、易碎和粒較粗的粉體。料倉沖擊可能是由許多不同的機制引起的。

3.1 突然流動造成的沖擊

料倉中的大顆粒區域突然開始流動（加速）和突然停止（減速）會產生一個慣性力，然后引起沖擊[14]。該慣性力取決于被減速粉體的質量和減速機構的強度，一般情況下，填充質量和填充水平越大，加速和減速也越大，即料倉沖擊的強度隨著料倉尺寸和填充高度而增加，尤其是高徑比較大的高料倉，發生的沖擊會很強烈。如圖8所示，定性地繪出了沖擊期間料倉支撐力的典型模式，若料倉填料的一部分突然開始向下移動，它會受到向上作用的慣性力，從而減小料倉的支撐力[15]。在隨后對靜止的或流動較慢的粉體的沖擊中，進一步向下移動的物料突然減速，導致向下的大慣性力，則支撐力達到一個明顯的峰值?？傮w而言，減速機構的強度取決于粉體的停止距離，粉體越硬，停止的距離越小，故向下的慣性力越大。對于細粒、可壓縮的粉體，減速力較小，慣性力也較小。然而，隨著固結應力的增加，細粒粉體被越來越多地壓縮。當儲存在較高的應力下時，細粒粉體會變得更堅硬，壓縮性更差[16]。因此，這種粉體（如水泥）當儲存在大應力占優勢的大料倉中時會表現出沖擊，而相同的粉體在小筒倉中卻沒有任何沖擊。

圖8 沖擊力與時間的關系

3.2 滑粘摩擦引起的突流和脈動流

在之前的研究中，滑粘效應被視為料倉沖擊的來源[5]。由于粘滑和滑動之間周期性的變化，故粉體間歇性、不平穩地流動。而發生粘滑要滿足滑動摩擦力小于靜摩擦力和系統允許振動(例如，足夠小的阻尼能夠儲存足夠多的彈性能量)2個必須的條件[17]。

在粘滑摩擦的情況下(在大塊固體內部或在大塊固體和相鄰壁之間)，應力在粘滑階段積累，導致靜摩擦被克服后突然加速運動(滑動)，則會產生單獨的沖擊或周期性的沖擊。

3.3 相對于出口尺寸的大流量

粉體可從料倉連續排放，直至達到特定的質量流。較大的質量流會引發脈動排放，特別是如果出口尺寸接近臨界尺寸以避免起拱[18]。脈動流的原因是拱的形成，拱只發展很短的時間，隨后坍塌。脈動可傳遞到上方流動的粉體，從而傳遞到筒倉結構。由于料斗中粉體的變形，隨著距離出口的距離增加，脈動可能會減弱。因此，如果出口開口較小，則產生的料倉振動可能較小。如果出口開口較大，可觀察到嚴重的振動。當細粒物料從料倉中排出時，料斗中會產生氣體負壓，導致空氣通過出口逆向流入粉體，產生流動限制。如果所需的卸料速率過高，逆流氣流可能導致粉體的脈動流。然而，脈動流產生的振動強度可能會因為細粒物料的阻尼而受到限制。

3.4 進料器的循環激勵

給料器可以使料倉中流速產生周期性變化[19]。例如，當自由流動的粉體通過旋轉閥排出時，就可能發生這種情況。在小轉速下，當回轉閥的凹穴進入料斗出口區域時，該凹穴立即被填滿。因此，粉體間歇地從料斗中取出，會引起振動，尤其是易碎的物料。然而，因為周期性運動的來源在下料斗區域，這些振動可能相對較弱。

3.5 拱門和鼠洞的坍塌

如果料倉的出口小于臨界拱或鼠洞直徑[19]，則可能形成穩定的拱或鼠洞。拱或鼠洞可能因外部激勵而坍塌（如外部助流裝置），物料下落沖擊對筒倉結構造成沖擊載荷。如果料斗下部的物料已經排出，墜落高度較大，當拱門坍塌時會產生異常強烈的沖擊，這對料倉的結構影響較大，很有可能會造成料倉失效。

3.6 解決方法

1）減少加速質量 消除或減少沖擊的有效解決方案是減少加速和隨后減速的質量[20]。這種方法不僅減小了慣性力，還減小了體積固體中的應力。其最簡單的方法是降低填充高度，但會導致可用體積的減少，通常不可接受?？梢栽谛读蠒r減少運動粉體的質量，在料斗上方形成了收斂流，而不是活塞流。這增加了內部剪切，從而增加了物料中的能量耗散，使得沖擊過程中的加速和隨后的減速相對緩和，同時垂直作用在質量流料斗上的應力顯著降低。因此，在料斗頂部形成的剪切區承受較小的應力，如果料斗中剪切區的滑粘摩擦是沖擊的來源，則在沖擊之前儲存的彈性能量較少，則在沖擊過程中釋放的彈性能量也較少。

2）增加倉壁的粗糙度 如果由于粘滑導致垂直部分壁上的粉體突然流動而引起沖擊，還可以通過增加壁的粗糙度來消除筒倉鳴響。由于較粗糙的圓柱壁使整體實心柱在壁上承受較高的垂直剪切應力，使得物料不能快速向下加速，則作用在料斗中粉體上的垂直應力也較低。

3）減小速度梯度 如果在質量流料斗中，料斗傾角和壁面摩擦的組合接近漏斗流，壁面粉體的速度相對較小，則剪切變形較大[21]。通過減小壁面摩擦角(使用適當的襯里或涂層)來降低速度梯度，從而減小剪切變形，進而消除沖擊。

4 總結

料倉存儲的物料是粉狀固體，由于粉體物料特性的復雜性，使得料倉在使用過程中問題頻發。解決料倉問題最好的方法是在設計料倉時便根據物料特性以及生產過程中，將可能產生問題的各種因素考慮進去，對待不同類型的問題應當采取不同的解決方法。本文描述的料倉問題及解決方法為料倉的設計以及使用過程中出現問題解決提供參考，只有正確分析料倉產生問題的原因，采取相應的科學方法才能圓滿解決各種問題。