粉体料仓存在的问题及解决方法

李忠毅 李 勇 姜开忠

青岛科技大学机电工程学院 青岛 266061

0 引言

料仓是各种松散物料的贮存设备,是粉体工艺过程中各种单元操作之间必须的重要设备[1]。由于每一种物料都有其独特的物化性质，故料仓设计也具有多样性。粉体料仓属于常压容器，工作时要求粉体能连续流动，料仓能否保持连续、平稳、顺畅卸料是生产工作正常运行的基础，更是下级给料计量设备稳定运行和准确计量控制的关键影响因素[2]。但料仓在使用过程中产生问题，导致后续工作无法准确进行的现象较为常见，其问题主要分为3大部分：1）流动堵塞问题；2）物料偏析问题；3）冲击流动问题。本文对此进行讨论，为料仓使用过程中出现问题的解决提供有益的参考。

1 流动堵塞

1.1 粉体流动的流型

粉体在料仓实际下料过程中，流动状态往往比较复杂，但其典型的下料流动状态主要有质量流动、漏斗流动和结拱堵塞3种[2]，如图1所示。

图1 物料流动基本形态

质量流动也称整体流动，如图1a所示，在重力的作用下，当料仓内任意一部分物料运动时，整个料仓内的物料都会移动，料仓内几乎没有静止的区域，按照先进先出的顺序连续平稳流出[3]。质量流动下料时料仓实际有效容积较大，料流连续、稳定，为后续给料计量设备的稳定运行和精准计量控制提供了保证。但在下料过程中，物料与料仓壁面产生滑动摩擦，对料仓壁面会产生一定磨损作用。故对具有强磨蚀性的物料应给予适当注意或采取保护措施。

漏斗流动也称中心流动，如图1b所示，只有料仓中央部分的粉体物料产生流动，流动区域呈漏斗状，使料流顺序紊乱，甚至有部分粉体停滞不动。只有料仓中心的物料在运动着，符合后进先出原则[1]，大大降低了料仓的有效实际容积，如果粉体物料在仓壳处长期滞留挤压，甚至会产生崩塌发生事故，影响生产安全和进度。

结拱堵塞是由于物料在重力的作用下聚集粘结连接成桥，当料拱向上的支撑力和上方的物料压力达到力平衡时便形成了结拱堵塞，下面的物料流出后形成空穴便造成堵料断流[2]，如图1c所示。而料仓结拱一般分为4种类型：①压缩拱：料仓内粉体因储存时间较长而受到较大仓压力，使得固结强度增加而导致起拱；②楔形拱：颗粒状的物料因相互啮合而达到力平衡状态所形成的料拱；③粘结粘附拱：粘结性强的物料在含水、吸潮或静电作用而增强了物料与仓壁的粘附力所形成的料拱；④气压平衡拱：料仓回转卸料器因气密性差，导致空气泄入料仓，当上下气压达到平衡时所形成的料拱。

图2 料拱类型

1.2 解决方法

1.2.1 采用外部助流措施

1）振动助流 采用仓壁振动器，将其安置在料仓易结拱堵料相对应的仓壁外侧。通过电磁、气动或振动电动机产生振动，经过仓壁或振动臂传递给物料，使物料松动下卸，破坏结拱堵料。振动助流主要适用于非粘滞性干松散物料，对于带有粘滞性和较细的粉体物料，振动将使得物料更加紧实，效果可能适得其反。一般需要在卸料过程中断续振动，卸料停止，振动必须随即停止。

2）机械搅拌 一般采用桨叶式或螺旋式搅拌叶，通过转动搅拌松动物料和破坏结拱堵料，促使料仓卸料，适用于附着性强的粉体。

3）气体助流 通过喷吹压缩气体使得物料松动和流态化，从而顺畅卸料，例如：仓壁喷吹装置、空气炮和蛇形风管等，适用于含水量很低的粉体。

4）插入改流体 改流体多为圆锥状或角锥状，对于流动性差的粉体，可设置2个改流体。

1.2.2 改善料仓结构

目前主要是从改善料仓的结构设计、降低料仓粉体压力和减小料仓比摩擦阻力这3个方面来解决结拱堵塞问题。针对不同类型的结拱堵塞问题要针对性地来解决[4]。

1）压缩拱 主要是通过增加卸料口尺寸、减小斗顶角来改善料斗几何形状；减小料仓间隔或采用改流体来降低粉体压力；改善仓壁材料以减小仓壁摩擦阻力。

2）楔形拱 主要是通过增加卸料口尺寸、减小斗顶角或者采用非对称料斗来改善料斗几何形状。

3）粘性粘附拱 采用防潮或消除静电的方法来减小仓壁摩擦阻力，将容易吸水的物料妥善存放防潮；在料仓以及防爆和排气装置上设置静电接地板以消除静电。

4）气压平衡拱 采用偏心卸料口来改善料斗几何形状，采取排气措施来减小仓壁摩擦阻力。

2 物料偏析

粉体在流动时，由于粒径、颗粒密度、颗粒形状、表面形状等差异，粉体层呈现的不均质现象，即出现物料分离(也称偏析)。大部分分离的物料是能自由流动或者稍有粘性的，故颗粒可很容易地相互分离。而流动性差的粉体受到颗粒间粘附力的影响，大大降低了单个颗粒的流动性，从而降低了分离的趋势。通常情况下，希望减少或避免物料分离，因为下游的许多工艺要求产品具有恒定的组成[5]。

2.1 偏析原理

2.1.1 斜面上的分离

如果颗粒在松散固体堆的表面或颗粒床的任何其他倾斜表面上向下滑动，较小的颗粒比较大的颗粒更有可能进入到表面上足够大的空隙中。因此，较小的颗粒保留在空隙中，而较大的颗粒主要向下滑动或滚动到堆的底部。堆积物的表面作用类似于筛子，较小的颗粒通过筛子落下，这种效应也叫筛选，如图3所示。颗粒大小差异越大，筛选效果越明显。在细粒占比很小的情况下，这些微粒将聚集在靠近堆的顶部，如果细粒的占比很大，这些细粒中的一些也会到达堆的底部。如果粉体仅有少量相对较大的颗粒，则这些颗粒可能会聚集在底部[6]。

图3 料堆筛选

除筛分效应外，倾斜的颗粒床表面还会发生其他的分离效应。如果一些颗粒休止角比较大，堆积的上部会更陡(见图4)。休止角较大的颗粒主要停留在堆的较高、较陡的部分，而休止角较低的颗粒在更下方。

图4 倾斜面筛选

2.1.2 空气阻力效应

粉体颗粒相对于气体的速度会受到空气阻力的影响[7]。空气阻力与重力之比随着颗粒尺寸的减小而增加，故重力场中颗粒的稳态沉降速度随着颗粒尺寸的减小而显著降低(见表1)。这种效应对于50～100 μm的颗粒尺寸起着重要的作用，但是对小于10 μm的颗粒影响不是十分显著。因此，悬浮在气体中的小颗粒不能以相对于气体明显的速度移动，且很容易被气流带走。

表1 颗粒稳态沉降速度与直径的关系

当粒子流在水平方向(或倾斜方向)填充容器时，细颗粒比粗颗粒更容易受到空气阻力的影响，细颗粒不会传播到较远的距离。图5a显示了从斜道卸料形成的堆，由于所讨论的空气阻力对粒子轨迹的影响，粗颗粒将主要聚集在远离斜槽的一侧。如果从侧面填充料仓(见图5b)，由于不同轨迹的影响，细粒可能在整个料仓中不对称分布。如果粗颗粒的流动明显好于细颗粒，则在排放过程中可能会发生偏心流动，那么在排放开始时，主要排放粗颗粒[8]。

图5 轨迹分离

当料仓从顶部垂直装料时，颗粒尺寸对沉降速度的影响明显(见图6)。若粉体通过气力输送到料仓中，较粗的颗粒跟随气流向下到达填料表面并保留在该位置。相反，细颗粒(小于50～100 μm)夹带在气流中，当气流接近料仓中已有的物料表面时，气流向外转向仓壁，最后向上。由于气流横截面的增加，气体速度向仓壁方向降低，因此，颗粒会掉落并沉积在填料表面，较小的颗粒会沉积在离填料点更远的地方[9]。即细颗粒将沉积在靠近仓壁的地方，非常细小的颗粒直接粘附在壁上，形成颗粒层，当层超过特定厚度时最终落下。即使粉体通过重力单独装入料仓，即没有气力输送系统产生的气流，颗粒流也会产生拖动气流。这种气流遵循与图6相似的路径，但与气力输送系统装料相比，空气速度较小，故效果不太强烈。

图6 垂直装料时颗粒气流

2.2 解决方法

2.2.1 粉体的改性

通常情况下修改已经存在的物料在实际情况中不现实，但是在开发新产品时，应该考虑到物料发生分离问题的可能性，然后通过适当的措施来消除或减轻。可以参考：1）减少颗粒尺寸、颗粒形状和颗粒密度方面的差异；2）通过适当增加颗粒间粘附力降低流动性，从而降低了分离的可能性。例如可以添加适量的液体来增大附着力，但是这种改进有可能会导致流动问题。3）混合物成分的紧密结合。如一种成分被另一种成分覆盖。

2.2.2 填料过程的优化

当粉体物料沿着倾斜表面流动时，由于筛分而发生分离。为了防止这种情况，必须避免形成倾斜表面，如静止斜坡，即料仓必须在其整个横截面上均匀装料。

1）可通过旋转斜槽来实现(见图7a)，颗粒在横截面上的均匀分布要求气力输送的气流要均匀。旋转斜槽的倾斜度可变，物料可以装入任何直径的同心环中，从而保持表面几乎水平。

2）分散挡板(见图7b)将粒子流分布在料仓横截面的较宽区域。这种方法重点是气流垂直指向挡板的中心，否则不能保证物料在所有方向上均匀分布[10]。

3）如图7c所示，如果物料从带式输送机或斜道被抛到分散挡板上，轨迹分离会导致挡板上方粗、细粒分布不均匀。对于这种情况，可在分散挡板上方的设置垂直混合管(类似于静态混合器)，粗粒流可以在垂直混合管中居中混合(见图7d)，解决轨迹分离的问题。

4）当物料从分散挡板上落下时，如图7b所示，由于颗粒尺寸、形状和密度的不同而产生不同的轨迹，可在径向分离。在分散挡板处设置一个的圆柱裙可用来限制分散的物料，使其几乎垂直下落(见图7e)。这样，物料分离减少，但在料仓表面形成一个环形堆，细粒将主要出现在环形堆的顶部边缘下方，而粗粒将沿着垂直轴和料仓的周边聚集[11]。

5）还可以设置多个进料点，使得料仓多进料点同时装料（见图7f）。在料仓顶部下方的水平多孔板，从上方装料，使得粒子流分布在料仓的横截面上。

2.2.3 小结

粉体物料在流动、运输、处理或加工等过程都可能发生离析。原则上，物料分离的趋势可以通过改变物料特性来降低，但是就成本和所需的产品性能而言，这通常是有限的或不可能的。填充料时避免分离的方法受到限制，效率不可预测，有时过于昂贵。因此，最好的解决方法是设计料仓时，应根据物料特性提前考虑到可能引起的物料分离，尽可能地选择质量流模式[12]，这样可极大地减轻物料偏析现象，降低对生产质量和进度的影响。

3 冲击流动

料仓中粉体的流动可能伴随着动态脉动和自激振动[13]，脉动频率＞1 Hz，部分振幅较低处会出现听觉范围内的振动(频率＞20Hz)，也被称为料仓噪音或料仓鸣笛。这种噪音经常间歇地出现，发出类似卡车喇叭的声音。有时还会出现明显震动，被称为料仓震动。根据支撑料仓的地面，震动会扩散到周围很远的地方。因此，料仓震动和料仓鸣笛会对周围环境造成影响，严重时会损坏料仓结构。料仓震动和料仓鸣笛是大量粉体突然加速和随后减速造成的，即为冲击流动。一般料仓都会表现出来这种冲击，但是只有当这种现象表现得强烈时才产生料仓震动或料仓鸣笛[9]。然而并非每一种粉体都会引起严重的冲击，引起这种冲击主要是坚硬、易碎和粒较粗的粉体。料仓冲击可能是由许多不同的机制引起的。

3.1 突然流动造成的冲击

料仓中的大颗粒区域突然开始流动（加速）和突然停止（减速）会产生一个惯性力，然后引起冲击[14]。该惯性力取决于被减速粉体的质量和减速机构的强度，一般情况下，填充质量和填充水平越大，加速和减速也越大，即料仓冲击的强度随着料仓尺寸和填充高度而增加，尤其是高径比较大的高料仓，发生的冲击会很强烈。如图8所示，定性地绘出了冲击期间料仓支撑力的典型模式，若料仓填料的一部分突然开始向下移动，它会受到向上作用的惯性力，从而减小料仓的支撑力[15]。在随后对静止的或流动较慢的粉体的冲击中，进一步向下移动的物料突然减速，导致向下的大惯性力，则支撑力达到一个明显的峰值。总体而言，减速机构的强度取决于粉体的停止距离，粉体越硬，停止的距离越小，故向下的惯性力越大。对于细粒、可压缩的粉体，减速力较小，惯性力也较小。然而，随着固结应力的增加，细粒粉体被越来越多地压缩。当储存在较高的应力下时，细粒粉体会变得更坚硬，压缩性更差[16]。因此，这种粉体（如水泥）当储存在大应力占优势的大料仓中时会表现出冲击，而相同的粉体在小筒仓中却没有任何冲击。

图8 冲击力与时间的关系

3.2 滑粘摩擦引起的突流和脉动流

在之前的研究中，滑粘效应被视为料仓冲击的来源[5]。由于粘滑和滑动之间周期性的变化，故粉体间歇性、不平稳地流动。而发生粘滑要满足滑动摩擦力小于静摩擦力和系统允许振动(例如，足够小的阻尼能够储存足够多的弹性能量)2个必须的条件[17]。

在粘滑摩擦的情况下(在大块固体内部或在大块固体和相邻壁之间)，应力在粘滑阶段积累，导致静摩擦被克服后突然加速运动(滑动)，则会产生单独的冲击或周期性的冲击。

3.3 相对于出口尺寸的大流量

粉体可从料仓连续排放，直至达到特定的质量流。较大的质量流会引发脉动排放，特别是如果出口尺寸接近临界尺寸以避免起拱[18]。脉动流的原因是拱的形成，拱只发展很短的时间，随后坍塌。脉动可传递到上方流动的粉体，从而传递到筒仓结构。由于料斗中粉体的变形，随着距离出口的距离增加，脉动可能会减弱。因此，如果出口开口较小，则产生的料仓振动可能较小。如果出口开口较大，可观察到严重的振动。当细粒物料从料仓中排出时，料斗中会产生气体负压，导致空气通过出口逆向流入粉体，产生流动限制。如果所需的卸料速率过高，逆流气流可能导致粉体的脉动流。然而，脉动流产生的振动强度可能会因为细粒物料的阻尼而受到限制。

3.4 进料器的循环激励

给料器可以使料仓中流速产生周期性变化[19]。例如，当自由流动的粉体通过旋转阀排出时，就可能发生这种情况。在小转速下，当回转阀的凹穴进入料斗出口区域时，该凹穴立即被填满。因此，粉体间歇地从料斗中取出，会引起振动，尤其是易碎的物料。然而，因为周期性运动的来源在下料斗区域，这些振动可能相对较弱。

3.5 拱门和鼠洞的坍塌

如果料仓的出口小于临界拱或鼠洞直径[19]，则可能形成稳定的拱或鼠洞。拱或鼠洞可能因外部激励而坍塌（如外部助流装置），物料下落冲击对筒仓结构造成冲击载荷。如果料斗下部的物料已经排出，坠落高度较大，当拱门坍塌时会产生异常强烈的冲击，这对料仓的结构影响较大，很有可能会造成料仓失效。

3.6 解决方法

1）减少加速质量 消除或减少冲击的有效解决方案是减少加速和随后减速的质量[20]。这种方法不仅减小了惯性力，还减小了体积固体中的应力。其最简单的方法是降低填充高度，但会导致可用体积的减少，通常不可接受。可以在卸料时减少运动粉体的质量，在料斗上方形成了收敛流，而不是活塞流。这增加了内部剪切，从而增加了物料中的能量耗散，使得冲击过程中的加速和随后的减速相对缓和，同时垂直作用在质量流料斗上的应力显著降低。因此，在料斗顶部形成的剪切区承受较小的应力，如果料斗中剪切区的滑粘摩擦是冲击的来源，则在冲击之前储存的弹性能量较少，则在冲击过程中释放的弹性能量也较少。

2）增加仓壁的粗糙度 如果由于粘滑导致垂直部分壁上的粉体突然流动而引起冲击，还可以通过增加壁的粗糙度来消除筒仓鸣响。由于较粗糙的圆柱壁使整体实心柱在壁上承受较高的垂直剪切应力，使得物料不能快速向下加速，则作用在料斗中粉体上的垂直应力也较低。

3）减小速度梯度 如果在质量流料斗中，料斗倾角和壁面摩擦的组合接近漏斗流，壁面粉体的速度相对较小，则剪切变形较大[21]。通过减小壁面摩擦角(使用适当的衬里或涂层)来降低速度梯度，从而减小剪切变形，进而消除冲击。

4 总结

料仓存储的物料是粉状固体，由于粉体物料特性的复杂性，使得料仓在使用过程中问题频发。解决料仓问题最好的方法是在设计料仓时便根据物料特性以及生产过程中，将可能产生问题的各种因素考虑进去，对待不同类型的问题应当采取不同的解决方法。本文描述的料仓问题及解决方法为料仓的设计以及使用过程中出现问题解决提供参考，只有正确分析料仓产生问题的原因，采取相应的科学方法才能圆满解决各种问题。