改善仓内煤粉流动行为的技术措施

王永英，杨 石

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 10013;3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 10013)

0 前 言

在锅炉、采矿、化工、电力、冶金等众多工业领域，煤粉储存是必不可少的工艺环节，其不仅具备储放煤粉的功能，同时也使不同功能的工艺设备和生产环节联结贯通，形成统一的整体。然而在实际生产中，仓内的煤粉经常会出现下料不畅、堵塞等情况，影响正常的生产运行，甚至可能诱发安全生产事故。

为了提高仓内煤粉的流动性、缓解下料不畅和堵塞的情况，早期采用人工敲击、高压水冲洗、人工进仓卸料等原始措施，其效果不佳，且存在严重的安全隐患[1]。随着技术的发展，大量煤粉仓助流技术应运而生，此技术大幅降低了仓内助流、清堵工作的难度和工作量。但与此同时，各种不同工作原理、不同适用范围的助流技术出现，也给用户如何选择适合的技术带来困扰。

以下从仓内煤粉宏观流动行为的层面分析了煤粉流动差、下料不畅的原因，并梳理目前常见煤粉助流技术的工作原理和应用现状，最后分析比较各种助流措施的技术特点，以期能为工业界处理仓内煤粉流动不畅问题提供参考。

1 仓内煤粉宏观流动行为

由于粉体本身复杂的颗粒材料静力学和动力学特性，仓内煤粉并不像液体般流动，而是在重力和颗粒间凝聚、摩擦共同作用并在煤仓因素制约下进行团聚、碰撞、滚动、滑动及沉降。在各种内外部条件的共同影响下，仓内煤粉宏观流动可能出现中心流和整体流该2种流动型态。中心流型态又可细分为漏斗流、管状流，其处于整体流型态下，煤粉下料均匀，先入仓的煤粉率先流出;而处于中心流型态下仅部分煤粉流动，其余煤粉在边壁滞留形成死角。边壁流动死角内的煤粉可能出现随机塌缩、喷动的情况[2]，导致下料流率波动剧烈、间歇性下料等问题的发生。仓内煤粉流动型态如图1所示。

图1 仓内煤粉流动型态

随仓中煤粉自中心流动型态进一步恶化，则会在仓内煤粉仓下部出现堵塞结拱。按照生成机理，在煤粉仓下部堵塞结拱可以分为以下4种[3]:①仓内压力作用导致粉体固结强度增加而引起的压缩拱;②粉体中不规则颗粒、大颗粒、团聚物互相咬合形成的楔形拱;③由于粉体颗粒间静电力及吸水导致粉体黏附而形成的黏结黏附拱;④漏入煤仓的气体与煤粉形成受力平衡而引起的气压平衡拱。实际生产中的结拱通常为上述4种结拱形式的混合体。一旦仓内煤粉结拱、架桥，轻则出现下料流率波动严重、间歇性下料，重则出现完全断料的情况。仓内结拱类型如图2所示。

图2 仓内结拱类型

由上述分析可知，仓内煤粉宏观流动行为可分为下料顺畅的整体流型态、下料不畅的中心流型态以及难以下料的结拱堵塞状态。煤粉仓下料不畅甚至断料情况出现的原因，正是仓中煤粉流动处于中心流或者结拱堵塞状态。因此，目前所有仓内采取煤粉助流措施的出发点均集中在改善煤粉流动型态和清堵破拱2个方面。

2 提高粉体流动性措施

仓内煤粉的宏观流动行为是由煤粉物性、煤仓结构等因素综合作用的结果。可将现有煤粉助流措施分为三大类:

(1)通过调节煤粉物性，提高其自身流动性;

(2)通过优化煤仓结构、材质，改善煤粉宏观流动行为;

(3)通过施加外部激励，促进煤粉流动。

第一类措施是通过改变煤粉流动的内部决定性因素即粉体物性以改善其流动行为;第二类措施是通过改变煤粉流动的外部限制性因素以改善其流动行为;该两类措施的主要目的均为改善煤粉流动的型态以实现助流目的。第三类措施是对仓、粉系统施加外部激励，清堵破拱，从而实现助流目的。

2.1 调节煤粉物性

煤粉种类、粒度、含湿量、球形度等物性对煤粉流动性均有显著影响。在实际生产中，煤粉种类是根据工艺要求选定，提高煤粉球形度的技术要求高。因此大多通过调节煤粉粒度和降低含湿量来提高煤粉流动性。

2.1.1煤粉粒度

随着煤粉粒度的减小，颗粒间黏聚力与自身质量的比值增大，煤粉流动性变差，颗粒团聚和结拱堵塞的几率增大。Staniforth[4]和Seville[5]等发现，当粒径小于100 μm时，颗粒间的黏聚力与重力相当，流动性开始变差。当粒径小于10 μm时，颗粒间的黏聚力足够抵抗重力而难以流动。对于宽筛分煤粉，当细颗粒质量比在0～1%范围内变化，内聚力随细颗粒含量增加而快速下降，粉体流动性变好。当细颗粒含量超过1%后，内聚力随细颗粒含量增加而呈线性增长并达到峰值，粉体流动性不断变差[6,7]。部分国内学者对不同煤种、不同粒径下煤粉休止角的测量数据汇总如图3所示，以此分析粒径对休止角的影响。

图3 粒径对休止角的影响

由图3可知，在其它物性给定条件下，随着平均粒径增大，煤粉休止角快速减小，即整体流动性快速提高。当平均粒径增大到一临界值R后，煤粉休止角逐渐趋于稳定，可近似认为:此时煤粉流动性随粒径的增大，变化不明显。根据图3所列数据，不同物性煤粉临界粒径R不同，但主要集中在100 μm～200 μm。

2.1.2煤粉含湿量

影响煤粉流动性的水分是外水。外水在煤粉颗粒中主要有3种存在形式:表面吸附水、毛细管水以及薄膜水。吸附水能够导致煤粉颗粒之间形成液桥，而毛细管水使粉体间形成负压，二者的共同作用导致了煤粉颗粒的团聚，使煤粉的流动性变差。当水分增大达到煤粉临界水含量后，以薄膜水形式存在的外水又起到润滑作用，使粉体的流动性变好。虽外水的存在有利于煤粉在煤仓壁面的滑动，且可消除静电力，但从整体上看，含湿量增大，煤粉流动性变差[8,9]。外水对粉体流动性的影响如图4所示。部分国内学者对不同煤种、不同外水含量下，煤粉休止角的测量数据汇总于图4，以此分析外水对休止角的影响。

图4 外水对休止角的影响

由图4可知，在其它物性给定条件下，随着外水含量增大(均未达到临界含水量)，大部分煤粉休止角均呈现增长趋势，即整体流动性降低。

2.1.3添加助流剂

在煤粉中添加适量助流剂可显著改善煤粉流动性能。适合添加在煤粉中的常见助流剂主要为滑石粉、硅胶粉等无机物。其作用机制是消除煤粉颗粒间静电及吸附于粉体颗粒表面以降低颗粒表面的粗糙性，从而降低颗粒间摩擦力、改善粉体流动性能[10,11]。当此类助流剂掺入量小于2%时，随掺入量增加，煤粉休止角与崩溃角的减小趋势显著。当掺入量大于3%后，煤粉休止角与崩溃角的变化趋势不再明显。

近年来，有学者研究了添加生物质对改善煤粉流动性的影响。Guo[12]、郭志国[13]等发现由于“针状颗粒效应”的作用，向煤粉中添加生物质粉(生物质质量比在25%以内)可显著提高煤粉的流动性。Mohammad[15]发现煤粉和生物质混合物的流动特性与所用生物质的物理形成有很大关系。在煤粉中添加锯末可以降低混合物的内聚力，因此可降低粉体堵塞的发生几率。而在煤粉中加入木片、稻草等生物质，却降低了煤粉的流动性。

除上述两类助流剂外，也有在煤粉中加入特制泡沫状化学药剂，改善煤粉流动性的报道[14]。但文献并未公开化学药剂助流剂的配方。

采用添加助流剂的方式改善粉体的流动行为，需根据实际生产工艺以评估添加剂对后续工序的影响。比如在采矿行业中，不涉及燃烧或其它化学反应，添加助流剂对后续工艺无不利影响。但对于电力行业中粉煤锅炉，加入滑石粉、硅胶粉等助流剂会增加燃料的灰分、降低燃料热值，即易降低锅炉的效率及增加结渣风险。而加入生物质粉则可降低燃料的灰分及增加挥发分，促进煤粉燃烧，提高锅炉效率。

根据上述分析可知，用户可在满足工艺要求的前提下通过适当增大煤粉粒径、控制含湿量、添加合适的助流剂等手段调节煤粉物性及提高其流动性。

2.2 优化煤粉仓结构、材质

煤粉仓的结构、材质是影响煤粉流动宏观行为的外部条件，也是影响其流动行为的重要因素。可通过优化粉仓结构及选用适合材质以实现改善煤粉宏观流动行为的目的。

2.2.1煤粉仓结构

(1)半顶角与卸料口尺寸。Jenike[16]的研究表明:其它条件给定，随着半顶角的减小，粉体流动型态逐渐从中心流变化到整体流，流动行为得到改善。半顶角越小，煤粉下料流率越大。煤仓卸料口尺寸越小，煤仓底部结拱越严重。当卸料口增大，仓内煤粉流动型态有从中心流向整体流转变的趋势。设计人员确定煤仓半顶角与卸料口尺寸时，在符合设计规范、标准的前提下，可适当缩小半顶角、增加卸料口尺寸以达改善煤粉宏观流动行为的目的。

(2)双曲线煤仓。传统锥型煤仓下料不畅的重要原因之一为煤粉流通截面积收缩率沿下料方向急剧增大。若将煤粉仓建成双曲线型的结构，保证截面积收缩率为常值，可显著改善粉体宏观流动行为[17]。双曲线煤仓的加工难度和制造成本明显高于传统煤仓。

(3)设置改流体。在煤粉仓内适当位置设置适当形状、尺寸的改流体，可改善煤粉的流动行为。常用的改流体形式包括水平挡板、垂直挡板、倾斜挡板、倒锥体、双锥体等形式[18]，但目前尚缺乏改流体改变粉体流动及仓内应力场的成熟理论及模型，因此使用改流体几乎完全依靠经验，使用改流体致使仓壁过载而发生事故的情况时有发生，从而限制改流体的广泛应用。此外，针对某种物性煤粉所设计的改流体，对其它煤粉未必起到助流作用，甚至会使其流动状态进一步恶化。设置改流体助流如图5所示。

图5 设置改流体助流

2.2.2煤粉仓材质

如前所述，只有半顶角足够小，才能使煤粉处于整体流型态。例如对于圆锥煤粉仓，整体流最大半顶角为:

(1)

式中，a为煤粉仓半顶角，φ为壁面摩擦角，δ为煤粉有效内摩擦角。

由式(1)可见，煤粉仓能否处于整体流型，与煤粉壁面摩擦角有关。所以选用摩擦角小的材质作为煤粉仓壁面材质，可以改善煤粉的宏观流动行为。在常见的煤粉仓材质或内衬中，煤粉与聚四氟乙烯(内衬)及铝合金的壁面摩擦角普遍要比与不锈钢、碳钢的壁面摩擦角小4～5[19]。当然在选择煤粉仓材质时，还要根据材料强度、耐用性、材料成本、加工成本等因素综合考量。

根据上述分析可知，合理的选择煤仓结构和材质，可有效地改善煤粉宏观流动行为。用户可根据自身工程和储存煤粉的实际情况，通过优化煤仓设计以达助流目的。料仓结构对煤粉物性的适应具有唯一性，因而针对某种物性煤粉所设计的料仓结构，未必能有效改善其它物性煤粉的流动行为。因此，优化料仓结构的助流措施不一定适用于储存不固定种类煤粉的煤仓。

2.3 施加外部激励

2.3.1仓内通气

仓内通气助流包括局部通气、空气炮和平面通气，如图6所示。

(1)局部通气。在有限规定空间内向煤粉充气，并不能流化整个空间内的物料，因此局部通气系统适用于煤粉快速运作和半顶角小的煤粉仓。在整个下料过程中气体不停地供给，空气只能在一定范围内流动，故通气管一般都安装在料仓出料口的附近。目前应用较多的局部通气技术中，将振动垫安装在仓内喷气口上，在压缩空气作用下振动垫产生高频振动。振动垫的振动与空气喷吹共同对结拱产生破坏力。该技术适用于容积较小、快速卸料的煤仓。

(2)空气炮。空气炮通过脉冲推动向仓内瞬时提供大量高压、高速气体，产生的冲击力使结拱的稳定结构遭到破坏。空气炮的气体在煤粉中球状扩散，范围比局部通气更广。

图6 仓内通气助流

空气压力一般为0.4 MPa～0.8 MPa。空气炮助流技术若使用不当，其瞬间释放的高压空气会将仓内煤粉压实、增大结拱几率，反而使煤粉流动行为恶化。

(3)平面通气。平面通气是将气体通过多孔物质送入煤粉仓，对通过其表面的煤粉进行流化。常见平面通气的通气区域设在煤粉仓锥部，占整个煤粉仓底部面积的20%～30%，可保证95%以上的煤粉顺利下料[20]。平面通气最大程度的对仓内煤粉进行通气，适用于大顶角和直径超过3.5 m的煤粉仓。

2.3.2机械式助流

(1)振动助流。振动助流如图7所示，其主要分为2种类型:仓外振动和仓内振动。仓外振动是通过外部设备对仓壁施加非周期性激振，减小煤粉间的凝聚力和煤粉与仓壁间的黏附，促进流动。仓内振动是在煤粉仓内部设置振动装置，通过振动破坏煤粉结拱结构以实现助流。振动助流安装简单、价格便宜。对于含湿量高的煤粉，非周期振动反而会将煤粉振实，使流动行为恶化，因而更适合于含湿量低的煤粉。

(2)搅拌、刮片助流。在煤粉仓内安装搅拌设备，可明显改善煤粉宏观流动行为。但搅拌设备与粉仓间的动密封一直未得到圆满解决。宋国良[21]等基于磁超距耦合传动原理，开发了1种新型密封搅拌装置，实现了改善煤粉流动和粉体零泄漏的效果。陈立新等[22]设计了利用摇杆运动将煤粉结拱破坏的机构。但搅拌、刮片技术还没有工程实际的案例。

图7 振动助流

2.3.3声波助流

声波助流的原理是使压缩空气流经声波发生组件，产生交变声波，从而使仓内煤粉同步振动，抵消煤粉颗粒间的黏聚力，达到破拱和助流的目的。声波作用于煤粉，可使煤粉中部分水分释放。该技术流安全可靠、作用范围大[22]。

3 助流技术的比较

各助流技术措施的适用阶段、适用范围以及需注意的问题见表1。

表1 助流技术比较

由表1可见，现有的单项助流技术均具有一定的局限和适用范围。因此很多厂家和用户选择2种或2种以上助流技术加以集成，形成了助流效果更好、适用范围更广的新型助流技术。仓内通气与机械破拱助流技术相结合，将改流体与仓内通气技术相结合，局部通气与平面通气相结合的集成技术比较常见。

4 结 论

以上介绍了改善仓内煤粉流动行为的主要技术措施。现有的技术措施按照工作机制可分为调节煤粉物性、优化煤仓结构与材质、施加外部激励3个大类。调节煤粉物性的措施主要应用在煤粉加工、采购阶段，优化煤仓结构与材质主要应用于煤仓设计阶段，施加外部激励主要应用于煤仓设计和后期的升级改造阶段。各种助流措施均有一定局限和适用范围，因此将几种助流技术集成，可产生更好的助流效果并扩大适用范围。助流技术措施的实施可为用户处理仓内煤粉下料不畅、堵塞问题提供操作依据;由于各项目的现场条件存在较大差异，因此用户应根据自身实际情况选择适合的助流技术措施。