料仓物料架桥及破拱装置技术综述

夏俊超，刘亚楠

（中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450）

1 前言

化工生产中所涉及的物料存在流程基本可以划分为三种：运输、转化和储存。转化是物质化学或物理的变化过程，文章对此过程不做阐述，仅讨论存储和运输环节。化工物料基本为固、液、气三态。气态储存可以依靠储罐；液、气液、气固甚至是气液固物料可以通过泵或风机等设备进行传输；固态更多通过机械传动设备进行输送。但物料除了输送外，还必须有缓存或存储状态，此时就需要容器进行存储。文章不涉及固态整料存储，仅对粉料或颗粒在料仓内存储进行讨论。

2 架桥原理及表现形式

粉料或颗粒，在理想情况下，即合理的料仓外形尺寸设计以及良好的物料流动性，仓内物料会以均匀的流动状态排出料仓，从而形成料面的均匀下降，这种流动被称为“全流式流动（Mass Flow）”。

然而，不合理的料仓设计以及某些特殊特性的物料，仓内物料会形成非均匀的“穿流式流动（Funnel Flow）”。导致只有料仓中心区域物料流动、形成漏斗，且漏斗外侧物料长期处于静止状态，这种状态称之为架桥。除此情况之外，另一种架桥类型多发生在出料口上方，由于环境湿度、物料含水量、物料本身或与容器壁之间的摩擦力等，在粉料排出口蓬起形成一空穴，导致粉料不下落，此被称为架桥现象。

架桥又被称为起拱、拱塞和堵塞等。当架桥现象出现后，料仓出料量无法满足，影响生产的连续运行，降低料仓实际利用率，减少原本工艺设计中物料的缓存时间。

架桥现象，是粉料卸料领域所面临的常见并且不容忽视的问题，如何对其进行预防和处理也是目前国内外清堵技术领域的研究热点。

3 破拱方式

防架桥被称为破拱，目前很多技术水平较低的工厂仍采用人工敲击、棒捅等方式对架桥进行疏通处理，不仅耗费大量人力，且在处理过程中存在一定的安全隐患。在工业应用中，物料流动特性很难改变，需要通过优化料仓外形尺寸设计或加装防架桥装置来辅助出料。现在防架桥装置有3种形式比较常见，即外加振动、外加搅拌和外加流体。

3.1 外加振动

第一类常见的防架桥装置是利用振动，其原理为通过振动使粉料内摩擦系数减小，抗剪强度降低，从而破坏拱桥结构实现破拱。常见设备有空气锤、空气振动器、振动马达以及振动料斗等。

3.1.1 空气锤

空气锤主要由外壳、活塞、底座组成，并需要配合电磁阀以及压缩空气（3～6 kg）使用。通过对料仓底部实施间歇性敲击循环，空气锤所具备的机械能被释放，并在撞击瞬间传递到料仓外壁、实现有效破桥。

当料仓设计了多层空气锤时，最下层气锤需要优先启动，然后在一定时间间隔后，再逐层依次启动上部气锤。空气锤对易吸潮挂壁类物料有较好使用效果。

此装置一般安装在薄壁料仓下部，由于不需要对料仓钻孔或更改原有料仓结构，安装便捷，非常适合对旧有料仓进行改造。另外此类设备维护工作较少，不需要润滑，是针对小型料仓比较经济的破拱装置。

3.1.2 空气振动器

滚珠式振动器内部装有钢球或滚柱，当通入2～6 kg的压缩空气后，可产生连续低强度、高频率振颤，适用于颗粒状物料，如沙子、种子等。

此装置和空气锤类似，也安装在薄壁料仓下部，安装便捷、设备维护工作较少、不需要润滑、适合对旧有料仓进行改造，同样是针对小型料仓比较经济的破拱装置。

3.1.3 振动马达

振动马达通过在旋转轴两端配有偏心块，即可在电机转动时由于离心作用产生振动力。振动马达通常安装在料仓的外壁，或直接安装在脱离的下部料斗上，料斗会用挠性吊架吊在料仓罐体上，从而形成振动料斗（活化器）。

振动马达装置，价格相对较低，且系统维护简单，对颗粒状及流动性较好的物料的破拱比较有效。对于由于空间限制或设计问题导致的料仓锥底角度不够时，可以采用振动料斗进行改造。对于黏性物料或易被压缩的物料，振动类装置效率一般。由于振动马达穿透力有限，通常适用于料仓容积较小的情况。振动料斗和料仓罐体之间，需要使用软连接密封，由于这个软连接是易损件，需要定期更换。

此种方式最为传统，研究者甚众，专利较多。如公开年份为1989年的CN2033389U的储料仓振动破拱取料机，通过在箱体内一个圆拱形芯体之中安装一个内激振器，在箱体侧壁上安装一个外激振器使物料受到振动作用，起到破拱效果；以及公开年份为2014 年的CN203473637U 的料仓振动装置，通过气缸连接的敲击锤来敲击仓壁衬板，使料仓产生振动，从而振落粘附在料仓内壁上的粉料。

3.2 外加搅拌

第二类常见的防架桥装置是利用搅拌，通过机械结构的旋转运动或往复运动破坏料仓内的物料平衡状态，使某一部分发生塌陷，达到破拱效果。按照机械装置作用的部位，一般可分为料仓内腔、料仓出口、料仓底部3 种防架桥装置。

3.2.1 料仓内腔

料仓内腔防架桥装置按照动力可粗略分为两种：一是人工，二是电动机械。

人工，即人为用棒穿过漏斗上的搅拌孔来搅拌漏斗内的物料，消除起拱。

电动机械可分为以下形式：

（1）通过垂直安装于料仓中心位置的螺旋轴、桨叶式松动器、螺带、弹性杆、搅拌臂等，对料仓内的整体物料进行搅动破拱；

（2）运用带有搅拌轴销或叶轮等圆盘供料器做圆周运动，强制将漏斗中物料排除，起到破拱作用；

（3）回转壁式刮刀，在防堵体系的运动过程中，物料在内仓壁附近无法与仓壁之间形成稳定的拱，堵塞的基础被瓦解，堵塞也就不会再发生。

上述几类装置对结构不会产生振动，对物料的作用范围广，但结构较为复杂，初期投入较大，不利于维修维护，适合用于对料仓不宜产生震动的部位。

3.2.2 料仓出口

料仓出口防架桥装置主要通过安装于出料口处做水平往复运动、垂直往复运动或往复摆动的拨叉，对出料口处的物料进行搅动而实现破拱。该类装置的作用范围有限，适用于流动性较好的物料。目前河北永大食盐有限公司有料仓使用气动拨叉的实例，效果较好，性价比高。

3.2.3 料仓底部

料仓底部防架桥装置主要针对大型的储料式料仓。该型料仓需要在底部设置特殊的出料装置以实现连续均匀出料，出料装置同时还起到对上层物料进行扰动的作用，达到“破桥”目的。

常见的出料装置有活底液压推杆、旋转螺旋、液压拨叉、液压滑块、并联螺旋等出料装置。其中，活底液压推杆和旋转螺旋出料装置适用于大中型料仓，液压拨叉、液压滑块和并联螺旋出料装置则适用于小型料仓。

3.3 外加流体

第三类常见的防架桥装置是利用外加流体，流体穿过物料空隙流动从而使物料堆积状态改变。此过程所使用的的流体主要分为液体和气体。

3.3.1 外加液体

液体喷射装置主要运用于煤仓架桥现象中，在煤仓堵塞时会使用水炮来进行疏通，如公开年份为2012年的CN102745431A 防止原煤仓堵煤的方法及装置：原煤仓上部的内壁上设有均匀分布的喷嘴，喷嘴的喷水方向与原煤仓仓壁的方向一致，所有的喷嘴均连接到进水管上，在进水管上设有排污口。通过喷嘴使原煤仓的仓壁内侧形成水膜。煤粉块吸附水后，含水量增加，与管壁周围的摩擦系数减小，摩擦阻力减少，周界层煤粉块的摩擦力也相应减少；并且，在周界层煤粉块有水源补充时，排出了煤粉间隙中大量的空气，煤粉间隙中的空气被排除后，煤粉再受到挤压时难以形成局部真空，煤粉块的壁面压力就能大幅度降低，煤粉块粘壁的现象自然减小；此外，增加了煤粉块的水源补充，煤粉块水源不能流失；因此，此发明能有效防止煤粉在原煤仓内壁上结块凝固的情况发生。

对盐业而言，此方法参考意义不大，因为盐会吸水甚至溶于水，外加液体不符合生产目标要求。

3.3.2 外加气体

外加气体通常有两种作用模式：一种是料仓内壁设置可充气装置；另一种是压缩空气直接通入料仓与物料接触的空气喷吹装置。

3.3.2.1 可充气装置

此类装置本质相同：通过对充气装置充气和放气改变其外形，进而改变料仓内部形态，破坏架桥物料受力结构形式，形成破拱效果。此装置有自制的在漏斗壁上装气囊的方法，也有成品的破拱气碟。

破拱气碟是通过将压缩空气通入安装在罐体内侧的隔膜与罐壁板间，物料在被气体鼓吹膨胀变型的隔膜挤压下，向中心移动；当空气泄出后，隔膜收缩恢复初始状态，物料失去挤压力后下落，完成一个循环。在连续循环作用下，不断对物料进行破拱，辅助物料传输。

3.3.2.2 空气喷吹装置

此方式利用压缩空气的动力作用，借助其冲击力，使物料掘松，从而消除拱堆。常见装置有流化喷嘴、喷吹板以及空气炮。

空气炮，可看作使用压缩空气作为冲击炮弹，使一定压力的气体瞬间释放以产生强大冲击力作用于物料，将料拱破坏。公开年份为2010 年的CN201484959U 差动式空气炮清堵器，采用空气为介质的高低气压差动破拱清除堵仓的结垢与结块，气流出气口采用双管分流方式机构，两只气流出气管流量大，破拱结构面积大，破拱结构强度高，便于集中控制差动溢流，达到破拱的目的。空气炮则对料仓的材料有一定要求，适用于以混凝土、钢、塑料等为主要材料制成的料仓的清堵。

流化喷嘴，压缩空气通过伸进料仓的钢管进入，由喷嘴喷出，对易架桥位置进行定期喷吹，流化物料避免架桥。此种结构所需压缩空气的压力等级需求较高，一般要稳定在4～6 kg 之间，并且一般需要沿料仓圆周布置或分层多点位布置。喷吹装置结构简单、噪音低、便于维护，适用于不易吸潮、不与水反应的物料。

如果工厂或使用点附近没有压缩空气气源，那么此类设施无法使用。由于压缩空气直接被引入料仓内部接触物料，如果物料为食品等，则对压缩空气有质量要求。且气体会通过最容易的路线排出，或多或少会形成物料的穿流，压缩空气外排会带出粉尘，增加除尘装置压力。

4 总结

防架桥技术在国内外均已经非常成熟，同时取得了显著成果，总结了很多可供参考学习的经验方法。市面上各个设备厂家提供了很多不同设计的防架桥装置，但是基本的设计原理并没有突破以上三类。

对盐业而言，可以在不怕振动的原盐料仓等部位使用气锤等振动装置；不可以振动的小料仓如加碘缓冲料仓等，使用料仓内腔搅拌装置；对大型料仓可以使用气动拨叉等料仓出口搅拌装置；气动喷嘴等装置也可以安装在适用料仓中。总之，在实际应用中，可以结合现场实际情况，进行选型，甚至多种装置组合使用达到最好的破拱效果。