基于粘湿物料流动函数的喂料仓工艺设计

郭天代，王秀龙，孔庆森

1 前言

印度尼西亚P14项目是我公司EPC总承包的海德堡水泥集团10 000t/d水泥熟料生产线。项目包括：原料预处理、生料粉磨、熟料烧成、煤粉制备、水泥粉磨、水泥包装等。项目位于亚洲东南部，当地年降水量1 600～2 200mm，是典型的热带雨林气候。该项目采用的原料大多较湿、较粘，在储存及配料工艺处理过程中容易出现粘挂、结块、篷仓、堵塞以及配料不精确等问题。在P14项目的工艺设计过程中，我们与Jenike&Johnson美国公司合作，从物料流动函数理论入手，通过实验测定有效内摩擦角和仓壁摩擦角，计算得出了喂料仓出料口尺寸和料斗倾斜角度，从而获得了喂料仓的外形尺寸。经实际应用，喂料仓内物料处于整体流动状态，无漏斗流、结拱等现象，使用情况非常好。

2 料仓的设计原理

2.1 选择料仓流动形式

料仓有整体流动、中心流动（漏斗流）两种常用形式（见图1）。

图1 料仓的主要流动形式

整体流动特点：离析现象最小化，物料更新及时（没有死料区），料流均匀稳定，出料容重稳定，整个仓容为有效储量（无死料区）。

漏斗流特点：仓壁所受压力较小，仓壁所受摩擦力小。

对于粘湿物料而言，选用整体流动仓能够保证物料顺畅卸出。

2.2 选择合适的内衬及料斗半顶角

测试料斗壁内衬和物料之间的摩擦力，选择合适的内衬及料斗半顶角（料斗斜面和垂直方向夹角）角度，摩擦力实验决定内衬以及料斗角度的选择。

Jenike等人认为料斗半顶角需要满足条件：θH＜θ。

圆锥料斗半顶角计算公式：

矩形出料口料斗半顶角计算公式：

式中：

φW——壁摩擦角

φe——有效内摩擦角

θ——料斗半顶角

2.3 选择出料口尺寸

如果物料粘度大，那么除了测试物料和料斗内衬之间的摩擦力之外，还需要测试物料的流动函数PFF，结合料斗流动因素ff决定出料口的宽度和尺寸。

2.3.1 Jenike流动函数PFF拟合

Jenike等人创建了一套科学表示散状物料流动性能的指标，提出Jenike流动函数PFF，即固结主应力与开放屈服强度之比。

式中：

σ——固结主应力

fc——物料屈服强度

以流动函数定量表述物料流动性，见表1。

表1 流动函数定量表述物料流动性

2.3.2 料斗流动因素ff拟合

仓壁摩擦系数等因素决定着料仓的流动性质，Jenike等人以料斗流动因素ff（flow factor）来表示，并定义为料斗内物料固结主应力σ与作用于料拱脚的最大主应力σ1之比，即ff=。Jenike等人研究发现，料斗流动因素在每个系统中都是一个常数。流动因素是料斗—物料的属性，计算ff需要知道如下因素：

物料有效内摩擦角；物料和仓壁之间的摩擦角；料斗半顶角；料仓几何形状。其中，物料有效内摩擦角、物料和仓壁之间的内摩擦角可以通过剪切试验测得。为保证整体流动，料斗半顶角需要满足θH＜θ的条件。Jenike总结了关于料斗流动因素ff的函数图，见图2、3。

2.3.3 计算最小出料口尺寸

整体流料仓的卸料口径取决于物料流动函数与料斗流动因素的比值，即整体流的条件为：PFF＞ff；fc＜σ1，结拱的临界条件为：PFF=ff。

如以fc，crit表示结拱时临界开放屈服强度，则可以写成：σ1=fc，crit

图2 矩形出料口料斗流动因素函数图

将ff取倒数HFF=1/ff，转化成主固结压力σ的函数，和PFF函数放在一张图上，则两条曲线的交点，即物料最大剪切应力等于物料剪切强度，该值即为临界剪切应力，用来计算料仓临界出料口尺寸B。当出料口＞B时，料仓内不会起拱。如图4所示。

H（θH）为料斗半顶角θH的函数，可近似计算：

式中：

m——形状系数，如图5所示。

对于轴线对称的圆锥形料斗，m=1；

对于平面对称的楔形料斗，m=0。

fc，crit表示结拱时临界开放屈服强度，则计算临界出料口时σ1=fc，crit。整理得料斗最小卸料口，矩形开口长度L和B的关系需要满足L≥3B。

3 原燃料流动特性实验

图3 圆锥形料斗流动因素函数图

图4 利用HFF和PFF求临界屈服强度

图5 料斗半顶角函数

Jenike&Johnson美国公司对现场样品物料进行流动特性实验：测试物料和料斗壁的摩擦力，经过计算获得料斗半顶角。测试物料固结主应力和物料屈服强度，拟合流动函数；测试物料有效内摩擦角和物料仓壁之间的内摩擦角，拟合料斗流动因素，经过绘图或计算得出料仓出料口的宽度和尺寸。

3.1 原燃料表观特征和水分测试结果

样品收到基水分测试见表2。

3.2 漏斗流和结拱尺寸（内聚强度）试验结果

漏斗流试验结果：在料仓内避免结拱和漏斗流的最小圆形出口尺寸（DF）见表3。设定固化有效压力（EH）下形成漏斗流的尺寸为2.5m。

结拱试验结果：避免起拱的最小仓出口时，物料在仓内整体流动的圆形出口尺寸（BC）和矩形出口尺寸（BP）测试结果见表4。

从表3和表4可见，整体流动时，圆形出口尺寸较大，不利于出料拖拽设备的选取，选择矩形出口较好。

表2 样品水分测试结果

表3 避免漏斗流的圆形仓最小出口尺寸DF

3.3 有效内摩擦角的试验结果

有效内摩擦角的测试取值范围见表5。

3.4 整体流动的仓半顶角（壁摩擦力）试验结果

物料仓壁摩擦角测试结果见表6。

从表6得知，树脂衬板的半顶角最大，304不锈钢次之。P14项目喂料仓内采用树脂衬板有利于减小仓的高度。天津院提供了树脂衬板的样品。

表4 料仓内避免结拱的最小圆形出口尺寸（BC）和矩形出口尺寸（BP）

表5 有效内摩擦角的取值范围

4 喂料仓的工艺设计

4.1 喂料仓的选择

料仓类型的选择取决于工艺对仓的要求。从仓内物料流动角度来分有三种类型的仓：整体流动、漏斗流和膨胀流。我们选择了物料整体流动的料仓。整体流动仓如图6下部和图7所示。

4.2 喂料仓尺寸的确定

根据实验获得了料仓的出口尺寸，获得了料仓锥体衬板采用树脂衬板仓的半顶角，又根据生产要求的料仓的储量，确定了料仓的外形尺寸，见表7。

4.3 出料口阀门的选择

选择阀门时尺寸要比出料口大，从阀门下面开始逐渐缩口，有利于料流流出。P14项目选用的棒阀，有利于阀门开启和关闭。

4.4 喂料仓下辅助出口设备的选取

P14项目采用的空气炮是用来破拱的。原理是通过空气炮打击增加瞬时拱角压力，使其大于临界屈服强度，达到破拱的目的。

4.5 喂料仓出料拖拽设备和计量设备的选取

针对粘湿物料，喂料仓出料拖拽设备采用板喂机，计量设备采用定量给料机。为保证板喂机和定量给料机物料输送的匹配，其之间的溜子要长，确保其能储存3min以上的物料，并配置接近开关、荷重传感器、振打电机。板喂机和定量给料机物料匹配完美，不跑料不断料。如图8所示。

表6 整体流动的仓壁摩擦角测试结果

4.6 衬板的选取安装

P14项目喂料仓采用树脂衬板。衬板的作用是减小物料和仓之间的壁摩擦系数，从而在料斗流动因素ff一定的情况下，能选取较大的料斗半顶角，减小料斗高度。同时光滑的表面有利于物料流动。

5 喂料仓实际生产效果

生产实践表明，P14喂料仓均处于物料整体流动状态，且不存在孤立不流动的区域。从试生产开始至今，喂料仓即处于无人值守状态，计量精度达到±0.5%，从未出现过漏斗流、膨胀流、结拱、粘料和堵塞等现象，达到了预期效果。由于物料入仓存在物料分离现象，但是物料处于先进先出顺序的整体流动，其离析现象最少。大块物料和细分物料流动顺序一致。仓内物料具有自搅拌作用，出仓物料的均匀性更好，配料更准确。原煤仓采用下部整体流和上部漏斗流的组合，使用效果也不错。

表7 喂料仓外形尺寸表

图6 原煤仓的外形图

图7 原料和混合材料仓的外形图

图8 出料拖拽设备和计量设备

6 结语

P14项目整体流动喂料仓物料流动稳定，为生料和水泥辊磨的稳定操作、提高磨机产量和降低粉磨电耗奠定了基础；因仓内离析最小，化学成分波动小，配料准确，为稳定烧成系统的热工制度和降低热耗提供了有力保障。P14项目喂料仓工艺设计的成功，为我们建立仓的设计理论，运用实验数据进行理论计算，通过计算机模拟、试验检验来完善计算结果奠定了基础。

同时，我们建立了测试物料流动性的实验室和配料仓设计规程。通过测试物料流动特性、函数拟合计算出仓的出料口尺寸和料斗倾斜角度关键尺寸，从而获得满意的整体流动的喂料仓工艺设计。

[1]陆厚根.粉体工程导论（第一版）[M].上海：同济大学出版社，1993.