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      粉流掣的水泥庫流動性定量化分析研究與應用

      作者:陳立明、薛允、劉濤 時間:2021-07-16 11:13:00

      一、導言

        我國水泥工業產能已經超20億噸每年,每條生產線都擁有多個水泥大庫進行周轉調配,實際存儲卸放時總是存在很多問題影響正常生產輸送,如沖料、斷料、波動等等,問題積累多后還必須進行危險費力的清庫恢復作業。仔細分析這些問題的原因,我們發現水泥的粉體流動性及其變化,才是影響和解決問題的關鍵因素。但長期以來,大家普遍對水泥流動性只有定性的籠統認識,缺乏系統深入的定量分析研究和明確的技術應用指導。在粉流掣大量應用于水泥庫的實踐中,我們摸索出一套行之有效的水泥粉體流動性定量化分析與研究的快速測定與指導方法,事實證明具有很好的實際效果。

      二、水泥流動性的影響因素

        實驗發現,水泥粉流動性受以下各種因素影響:

      1、含氣量

        實驗發現水泥粉體含氣量是影響其流動性的最大因素。磨機的料氣混合攪拌,物料輸送,進料動能沖擊,架空料垮塌沖擊,外加壓縮空氣吹動等等,均可產生氣粉交匯區域的局部含氣增加,進而激發出高流動性粉料。

      2、水分含量

        實際生產發現,水分對水泥粉流動性影響較大,水分越高流性越差。雖然按照國家水泥生產標準,對出磨成品水泥各種規格品種均有統一的水分含量標準,但生產與運輸存儲過程中,有多種因素會影響到水分變化,進而影響流動性變化。

        典型的原因有:1、生產過程中原材料的結晶水和原材料本身含水并最終帶入水泥庫中的的吸收侵潤;2、水泥庫雨水滲漏滴入蒸發侵潤;3、外加大功率羅茨風機吹入空氣中水分遇熱蒸發侵潤。4、庫壁水蒸氣冷凝結露滴入蒸發侵潤。

      3、細度

        一般細度越高,流動性越高。按國標生產的細度標準,其流動性一般都較高。

      4、粘度

        標準的水泥生產原料成分配比和細度控制基本大同小異,同等類型和標號的水泥流動性基本一致,但我們發現往往不同企業的少量混合材因地理及來源選擇不同,其雜質控制不好時會引發水泥粉粘度增加;還有的企業選用的微量助磨劑會增大水泥粉粘度,從而降低流動性。這些外加料劑不影響水泥的化學特性,但嚴重影響其物理流動性。

      5、溫度

        由于水泥磨輸出成品溫度較高,一般在100-200攝氏度,入庫時料溫較高,一般溫度高時會增加一定流動性,但經過長時存儲溫度自然降低后會相應降低。

      6、壓力

        實驗發現水泥受壓力作用下會發生致硬性反應,特別是因拱架擠壓和重力承壓情況下,從而降低其流動性。

      7、庫位

        水泥庫位高低會產生不同的料重壓力分布,并導致不同區域的壓力不同,進而產生不同的流動性變化。

        顯然,正常動態使用的水泥庫由于邊進邊出,溫度高,含氣量大,水分吸附少,可以簡稱熱庫,其整體流動性自然偏高,低庫位運行時易引發沖料事故;而長期雨季高庫位存儲不放料的水泥庫,溫度已經降為常溫,底部含氣量已經大量受重壓逸出,并伴隨高水分冷凝吸附致潮,簡稱冷庫,其整體流動性自然變的很低,這時易發生欠料斷料故障。

      三、水泥粉體流動性定義及測定辦法

        根據GB196319-2008,大家公認粉體自然堆積角的大小可衡量其流動性大小,由于粉體各種的流動性影響因素均可綜合包含在其形成的自然堆積角上,而且有些情況下流動性變化較快,對其的測量應該及時盡快完成。為此我們參考其圓盤堆積角測定法,延伸發展出更簡單方便快速易行的紅牛罐現場堆積高度測定法:

        紅牛罐具有統一的罐底標準尺寸65毫米,只要在水泥庫現場出口取出少量樣品,就可通過手動自然堆積測定出其堆積高度,利用三角函數計算就可獲得大致準確的堆積角,進而快速比較判定其流動性位置。以便于生產技術管理人員現場快速測定判別,有效指導運行控制和生產調度。

      四、水泥庫極端流動性發生及其預防

         實踐發現,水泥庫一旦運行條件不合理時,會產生偏高或偏低的極端流動性變化,進而引發嚴重故障,其中:

      1. 沖料

        當流動性很高時,呈漿狀軟料,其具有高壓力膨脹性和高繞流運動性,類似于液態物質的動力學特性,極易形成沖料事故。

        此種情況一般在水泥庫位較低時(一般5米左右)庫頂進料或出現庫壁垮料,因重力高落差大動能沖擊料面造成,所以生產中要嚴格避免低庫位動態進料同時放料的工作方式。

      2. 斷料

        而流動性很低時,呈膏狀硬料,具有低壓力膨脹性和低繞流運動性,容易形成強力拱架,填充性差,極易發生欠斷料情況。

        此種情況一般發生在庫位較高,且長期存儲沉積,伴隨雨水滲透或空氣高水分侵潤。

        顯然,生產過程中,形成和保持半流動性,對于輸送控制非常理想。但實際生產中如果不搞清水泥粉流動性的成因及條件,就會使我們失去控制的主動性而陷于隨機被動的應付局面中。

      五、粉流掣在水泥庫應用中的流動性研究

        研究發現,水泥粉在大庫中的存在分層重力拱庫壁傳導,導致庫內應力不是想象中的均勻分布,而是沿庫壁垂直環疊支撐,庫壁底部承受壓力最大,其流動性自然最低成為硬料,在一定庫位壓力下進入飽和固態。為了簡化水泥庫內的流動性分布變化和應力作用,我們將流動性大致分為6個檔次,分布從最大到最小為飽和流態,高流態,中流態,半流態,高固態,飽和固態。如圖所示,水泥在大庫中的流動性分布及其發展示意圖。

        針對水泥庫內的自然流動性分布和傳導力學關系,粉流掣設計了太極錐安裝在庫底出口,充分利用庫底流動性自然分層的規律,當出口主動給料下卸時,由錐內生產垂直真空吸附下拉,通過垂直多級隔離柵形成的入料剪切力,既自然切斷收縮拱,同時又擴展入料點形成環柱狀多點立體入料,大幅降低每個入料點收縮度,大幅降低收縮拱阻力,并形成最底部硬料優先的次序。正是利用了料重力構成的負反饋,形成了強烈的料位差比例糾偏自我校正,整個料面構成了環型梯級糾偏機制,最外層的硬料承壓最大,從而在錐內形成流動性與庫位壓力自適應的動態平衡入料,在靜態放料時可見平面整體下陷運動,而不是中心漏斗式下料。

        處于最底部的飽和固態料和高固態料,其收縮拱阻力最大,但其上部料承重力形成的向心擠壓推動力也最大,在太極錐內出料下拉真空吸附力的引導下,這批料獲得優先進入太極錐的機會,自然平衡了其流動性弱的缺點。反之,飽和流態和高流態料,被自然隔離在中上部,一般不可能進入太極錐;而半流態和中流態料的收縮拱阻力較小,同樣在內部真空吸附力和外部料重推擠力聯合作用下,就成為太極錐的自適應滿填充后補料。由于料重力是進入太極錐卸放的原動力,其自然平衡運動的結果就形成了料面平齊的整體流效果。

        通過對水泥庫底出料進行紅牛罐自然堆積高度快速測量,就可以明確判定水泥的流動性范圍。

      水泥流動性快速判定一覽表

      六、水泥庫粉流掣的開環控制特性與閉環控制設計

        由于缺乏對水泥粉流動性的正確認識,全行業對水泥庫的靜態流動性分布及其動態演變過程只有模糊的膚淺了解,不論設計建造為何種形式的水泥大庫,無一例外都采取了粗放簡單的氣動開環卸放控制方式,本質上就造成了

      出庫水泥流動性的大幅變化,而缺乏流動性檢測的開環工作方式進一步導致了現場管理控制的困難,結果不但日常生產麻煩不斷,還容易積累發展形成偏庫死庫等嚴重問題。

        正是由于水泥流動性的不同,使出料控制裝置的開環輸出特性會發生巨大的不同,如圖所示,飽和流態和高流態,驅動轉速的輸出特性太高,極易失控沖料;飽和固態和高固態的輸出特性太低,極易欠料斷料;只有中流態和半流態的輸出特性適中,具備良好的基本線性控制關系。所以只要設法將水泥出口的流動性穩定保持在半流態情況下,再通過檢測其流量實施閉環控制,就可通過計算機的快速自動計算調整控制,實現很好的穩定的出量流量控制,徹底改變水泥庫一貫原始落后的開環人工粗放無定量操控方式。

        采用太極錐無動力卸放技術,不但自然均化度高,還最大可能地保證了出料流動性的中硬度穩定,避免了采用傳統大功率氣動卸料方式造成的高流動性和外部空氣水分侵入,消除了傳統氣動卸放方式必然產生的能耗與巨大噪音和泄漏粉塵污染,環庫壁整體流運動徹底根除了偏庫死料的發生,杜絕了清庫問題的產生。

      七、水泥庫粉流掣的實際運行特點與注意事項

        在粉流掣的水泥庫靜態(只出料不進料)卸放過程中,由于不同庫位的料壓不同,太極錐內形成的混合料構成是不同的,如圖,當水泥庫位較高時,太極錐內會形成圖1的混合情況,實踐發現,一般8米以上庫位,其料重形成的推動力就足以驅動最底部的飽和固態料進入太極錐形成全庫自然整體流,使得庫料面呈現平面整體慢速下陷運動模式,相當于用整個庫料同時環庫壁自動平衡清庫運行。太極錐的出料混合流動性基本保持在半流態,出料均化度非常好。此庫位情況下,如果進行動態(上進下出)放卸,新進料的動態沖擊更能促進整體流動性提升,形成全庫整體流運轉。

      圖1.水泥庫靜態放料整體流工況

        當庫位較低,中心料位在5-8米間靜態放料時,則因底部飽和硬料推動力不足,太極錐只有第3級以上自動化進料混合,只能形成部分整體流,在料面會產生大弧坑狀,出料均化度下降一半。如圖2.太極錐出料的混合流動性處于較高的中流態。不影響穩定放料,但環庫壁及底部硬料停止運動處于靜止狀態,容易引發水分吸附積累板結變硬問題。此時如果同時進料變成動態放料,來料的大落差勢能將形成巨大沖擊將庫底硬料大部分激活為高流態料,出料控制將面臨沖料失控的危險。

         

      圖2.水泥庫靜態放料半整體流工況

        當中心料位進一步降低到3-5米左右,太極錐就只剩最后的5,6級可進料,料面呈現漏斗流狀如圖3。太極錐出料混合流動性最高,周邊底部硬料停止運動,一旦庫頂同時進料,來料的大落差勢能將形成巨大沖擊將庫底硬料全部激活為飽和流態料,形成超高流動性高壓漿料,必然導致沖料失控,所以實際運行應該避免進行到這種狀況。

      圖3.水泥庫靜態放料漏斗流工況

        顯然,保持8米以上的基本庫位,才能形成完全的整體流,可以徹底避免底部硬料不動引起的水化板結等等情況。所以粉流掣用戶可方便進行計劃安排,使進料出料保持在庫位的合理范圍內實現動態平衡,從而獲得持續的最佳運行工況。

        事實上,對徑高比在2.0左右的水泥庫,從1/3庫位到滿庫位,粉流掣的整體流運行效果最好,由于環庫壁硬料都會被巨大料重自行垂直平衡推動下卸,就徹底避免了死料形成,同時還可將局部滲漏造成的集結塊及時清除破解,從根源上防止和降低水硬性板結硬化的發生。

      八、水泥庫粉流掣閉環控制系統的實際效果

        粉流掣在水泥庫的卸放控制上,采取了專利沖板流量計技術進行出料流量動態檢測,構成了典型的閉環控制系統,由電腦通過數字化PID自動反饋校正調節控制,可穩定實現精度優于3%的流量控制。如此,將傳統的人工開環操控方式直接垂直提升到先進的智能自動化方式:

        1. 通過流量檢測,對比出料葉輪驅動轉速可計算判斷出水泥的流動性情況。進而根據流動性的高低,自動采取相應的調整措施,在沖料時關閉氣動閘切斷料路降低流動性,在斷料時啟動電磁閥向庫內吹入壓縮空氣軟化固態料增加流動性,形成智能化無人自動化穩定控制的工況。

        2. 通過閉環控制,精確實現出料流量定量控制,可以消除在庫內積料非均衡次生拱的擴張發展,減低拱垮沖擊造成的流動性波動,及時通過轉速調節穩定出料量,強制控制庫內隨機性非均衡偏流的收斂。

        3. 通過遠程中控定量控制,可實現出料工藝最優效率匹配設定,不但可以定量配比多庫搭配,還能實現后續輸送系統長期穩定的最佳流量工藝匹配。

      九、結語

          粉流掣通過對水泥流動性的分布與變化定量化分析及其傳導動力學研究,成功摸索出一整套針對性的系統解決辦法,充分利用了料重作為原動力實現了無氣無動力整體流閉環定量卸放控制,徹底實現了安全,綠色,智能的先進水泥控制,為廣大水泥企業擺脫了原始落后的人工操控,避免復雜危險的清庫工作,提供了最佳的技術解決路徑。


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