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      如何實現水泥大庫的整體流卸放

      作者:陳立明 時間:2021-07-16 15:33:57

      一、水泥庫為何成為焦點

        隨著環保錯峰停產的持續調控,水泥生產連續性難以維系,水泥銷售價格上漲,影響水泥庫運轉效率的大量問題開始引發企業的重點關注。究其根源,在于水泥庫具有以下特點:

      1.均采用大功率羅茨風機吹氣卸放,偏庫、死料現象嚴重,需要周期性進行清庫作業。

      2.受制于市場需求,經常滿庫停頓沉積。

      3.簡陋的開環氣動閘閥控制,斷料,沖料波動頻繁。

        行業內外均習以為常的這些問題開始嚴重制約企業經營發展。以清庫為例:6個庫3年一清,一次清2個庫,一個庫清2月,每年近半年的時間都在進行極其危險的清庫工作,僅清庫一項就占用管理層及安全員過多的精力。但多年來,一直找不到有效的解決辦法。我們發現全部問題的核心在于沒有真正抓。粉體的收縮拱

      二、收縮拱

      大量實踐發現,粉體卸放運動中存在收縮拱阻力,并且由4大因素構成:

      F拱=k*V*H*SKG

      其中,k為粉體特征拱架系數,主要由料出口的空間布局結構決定。

      V為粉體粘黏度值(Viscosity),主要由水分含量和水泥的膠黏性決定,正常粉體一般為1-1.5,較差的為2-3,最差的為4-5,吹入空氣后會明顯降低該值。

      H為硬度值Hardness,一般由含氣量決定,高庫位沉積會造成含氣量快速析出變硬,飽和軟料硬度約為0.1,高軟料硬度約為0.5,中軟料硬度約為1,中硬料約為3,高硬料約為6,飽和硬料接近10。

      SKG為粉體收縮度(Shrinkage),實驗發現,無論采取下出口還是側出口,大庫粉體流動的收縮度均可分解為平面收縮度與正交面收縮度疊加復合而成。

       圖1.粉體運動收縮度定義

      大庫出料的平面向心收縮度是必然的,可以隱含定義為1,而其正交收縮度才是影響最大的因素,存在10倍的杠桿擠壓效應。

      SKG=平面收縮度+正交收縮度=1+10Tan(β)

      其中β為等效正交收縮角,顯然β越大SKG越大,這才是大庫粉體流動的基因性元兇。

      三、傳統減壓錐水泥庫料流分析

        傳統經驗技術是采用大功率羅茨風機將空氣強制吹入大庫底部,造成VH大幅下降而降低收縮拱阻出料,反而使人們嚴重忽略了結構k與收縮度SKG的影響,是典型的頭疼醫頭的方法。一旦空氣斜槽上方架空或斜槽堵塞破損,就會大幅降低出料效率。

        正是粉體的收縮拱構成復雜,而氣動方式又能表面上快速消除拱阻卸放,就誤導了人們長期陷入氣動助流的巨大陷阱之中。


      圖2.傳統帶減壓錐氣動卸放的料路情況

        根據收縮度公式,可以明顯看出傳統減壓錐設計的水泥庫,其料路存在明顯的三維立體收縮拱,特別是減壓錐底部的開口和中心,通過向庫底布設的大量空氣斜槽吹氣,可以使VH值大幅下降,比如將V從2降為0.5,H從飽和硬度10降為0.3,則F拱將大幅下降約130倍,造成料F重>F拱,自然能引發料流,而一旦停止吹氣,其V值與H值將迅速恢復原值,F重<F拱,所以馬上就會斷料。

        以此收縮拱公式分析其它類型水泥庫,均存在無解的共同基因性技術缺陷。

       

                  圖3.減壓錐氣動卸放極易形成死料偏庫

        正是因為氣動的作用明顯,就引導人們嚴重忽視了k要素和SKG要素,長期以來,水泥工業就像吸海洛因一樣,沾上了氣動的毒癮而不自知。

      氣動方式存在如下嚴重的后遺癥:

      1. 等壓氣源吹入庫底,低密度的空氣必然走軟不走硬,結果自然向中上軟料區匯聚發展,而不可能均勻滲透作用于邊壁硬料區,造成料流速度的自然極化分離,最后必然在中部形成一個或多個漏斗流,而邊壁硬料越走越慢,直至停頓變為死料,死料不斷增長發展為偏庫情況。

      2. 羅茨風機吹入的空氣必然含有水分,與庫內溫度不同粉料混合必然引發水分蒸發冷凝作用,部分物料發生水化,在走走停停之間對斜槽濾布產生阻塞和腐蝕破壞作用。長期運行必然進一步造成斜槽作用的不斷衰減,直至完全失效。

      四、粉流掣的整體流設計

        我們通過一系列粉體流動性實驗,發現了收縮拱的存在,開始嚴重懷疑氣動作用掩蓋的其他深度拱阻因素,進而發現可以通過改變粉體料流的KSKG降低拱阻力。針對大庫必然存在卸放收縮運動規律,我們把著眼點放在出料口的技術改造上,根據公式:

                   F拱=K*V*H*SKG

        發明設計了一個多級鋼錐籠,垂直架設在出口之上,因思路受啟發于易經的陰陽太極概念,故叫作太極錐。將原來的單一水平面出口變換擴張為多個垂直面出口,從而實現多級分層360度水平向心進料匯合,鋼籠的占空比尺寸保證了每個口的拱架系數K非常小,然后垂直重力疊加無阻力自然下行。

      圖4.太極錐形成的自然整體流及流量比

        有了太極錐,造成庫料整體自然分環平行無收縮垂直下行,然后各自在對應層級受落差重力推動轉向90度變為水平向心匯聚運動,大大降低了每個入口的3維立體收縮度SKG(實際僅為1.6左右),比傳統自然立體收縮運動要減小20倍左右,而太極錐鋼籠的水平與垂直占空比設計也確保其每級拱架系數K比單一出口方式要減少10倍左右,最終通過減少KSKG使太極錐的F拱值大大減少200倍左右。換言之,通過太極錐的安裝,就能保證F拱大大變小,不用吹氣改變VH,也可使料F重>F拱,獲得出料運動。

        太極錐的結構與硬軟料的自然分層形成逐級對應,保證底部硬料最優先進入,最外層硬料對應最底層入口,中心最軟料被自然對應在最高層入口,運行時只要出料,太極錐內的料重產生下拉真空吸附力F吸(約有1-2噸重),與錐外的料位垂直重力疊加擠推力F重,里應外合共同作用,破除其收縮拱而產生持續進料流動:

      (F重+F吸)>F拱 也可表達為:(F重+F吸)-F拱>0

        入太極錐的料流速度主要由料重F重決定,如此自然形成了外部硬料最快的落差力反饋平衡。實踐運行發現,太極錐可自然引發庫內料面平行整體流下行,實際出料由各級料面統一按比例匯聚而出,我們可通過計算各環級的料面積之比,獲得非常精確的自然匹配等差級數比例分布,如下所示:

      太極錐整體流分布

        太極錐產生的整體流特征非常明顯:最外環部分硬度最高,垂直料重占比最大達23.4%,也是最先進入太極錐的最大流量23.4%,前4級的底部最硬料部分合計高達75%流量,后4級的中硬料合計僅占25%流量,最中心部分的軟料只占1.6%,完全區別于氣動卸放的中心漏斗軟料優先方式,形成了典型的外快內慢等差流量分布,而外圍硬料大料流自然形成了對庫壁及底部的自動清理,根本沒有死料偏庫發生的機會。

        安裝了太極錐后,受料位高度,含氣量及使用情況的影響,料位下降到一定高度后,由于對應 F重變小,導致 (F重+F吸)<F拱,就會形成邊壁部分料流流動變慢,而中部軟料繼續維持整體流,結構變成部分整體流,兩者高差逐步擴大,逐步形成尾料。

       

      圖5. 較低庫位出現部分整體流                             圖6. 徹底放空呈現自然堆積尾料

           

      圖7.水泥庫安裝情況

      五、粉流掣對大庫硬度擾動的閉環控制

        粉流掣在水泥庫的實際運行過程中,由于水泥庫壁的冷凝結露及雨水滲漏加上停頓沉積等等不利因素積累影響,在庫內中高部位有時會造成隨機應力分布失衡,產生非均衡積料次生拱,隨整體流移動會引發其拱垮沖擊,造成局部粉料硬、軟度不等的料流擾動,會導致料流的硬度分布發生變化,進而影響到太極錐入料收縮拱阻力的變化;當大量硬料接近太極錐時,有時會發生錐外拱塞欠料現象,必須通過計算機對比流量與驅動速度的關系進行實時檢測計算,要及時自動進行錐底外加脈沖壓縮空氣積極干預吹入,通過短時強制氣化排除硬料拱架進而恢復均衡的整體流運行,最終維持整體流的平穩持續運行。

      圖8.粉流掣擾動自動校正運行畫面

        而較小的一般性硬軟度波動,或者庫位變化及停頓造成的硬度變化,粉流掣控制系統可以通過PID驅動轉速調節完成定量自適應控制。

      圖9.粉流掣正常穩定控制運行畫面

        由于構成了閉環系統,通過遠程中控設定目標流量,使水泥庫實現多庫搭配均化的同時,還能保持與后續輸送系統(如提升機)的最佳功率匹配。

      六、結語

        粉流掣通過太極錐對收縮拱的破解,充分利用了料重作為原動力實現了對水泥大庫自然整體流的卸放;簡單方便地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,智能的先進水泥卸放控制。為廣大水泥庫徹底擺脫傳統原始落后的開環操控,避免周期性復雜危險的清庫工作,提供了全新技術解決途徑。


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