粉體大庫儲存與卸放的流動性分布與傳導(dǎo)力學(xué)分析

　　一、問題背景

　　粉體的物理流動性在實際儲存與卸放過程中，在多種因素影響下會呈現(xiàn)大跨度的變化。當(dāng)受空氣持續(xù)沖擊激發(fā)處于高含氣狀態(tài)時具有類似液體的高流動性和高壓力傳導(dǎo)性，結(jié)果容易導(dǎo)致暴沖失控現(xiàn)象；當(dāng)長期處于靜態(tài)沉積時又因粉內(nèi)氣體受壓自然向上逸出后又會形成固態(tài)的低流動性和高壓力阻隔性，結(jié)果又容易導(dǎo)致阻塞斷料失控現(xiàn)象； 正是因為粉體介質(zhì)在靜動態(tài)間具有巨大的傳導(dǎo)力學(xué)差異波動性，造成了粉體倉底定量給卸料的技術(shù)處理非常困難，直接影響到后續(xù)工藝產(chǎn)質(zhì)量的保證和提升，深入分析其流動性變化的內(nèi)在原因與相應(yīng)的傳導(dǎo)力學(xué)的變化規(guī)律就成為研究的焦點！

　　二、影響粉體的流動性的主要因素與特征

　　通過深入研究粉體的流動性，我們發(fā)現(xiàn)影響粉體流動性的因素具有如下特征：

　　含氣量越高，流動性越強。進料沖擊，架空料垮塌，料層內(nèi)吹入外加高壓空氣等均可造成氣粉沖擊交匯區(qū)域局部含氣量增加。

　　2、料位越深粉壓越高，粉內(nèi)氣體向上自然逸出速率越大。

　　3、細度越高，粉體流動性變化幅度越大。

　　4、任何粉體在空氣動態(tài)沖擊混合下，均會在氣粉交匯中心的一定空間區(qū)域內(nèi)激發(fā)震顫出飽和含氣量和高含氣量，但撤除沖擊震顫作用后僅能維持短暫時間（一般數(shù)秒鐘）就會退回常規(guī)半含氣狀態(tài)，此時間與粉體比重成反比。

　　5、任何粉體在靜態(tài)沉積條件下，均存在其含氣向上方自然逸析向固態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，從流態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的速率與粉體比重和料壓成正比；達到飽和固態(tài)的粉體已不可析氣壓縮，每種粉體的自然飽和固態(tài)料壓力（料位高度）不同。

　　6、當(dāng)空氣濕度大并滲入粉體時，其流動性隨水份含量高而降低；反之，空氣干燥則增加。動態(tài)收縮越快，粉料所受收縮壓越大，氣體擠出效應(yīng)越快，流動性轉(zhuǎn)變?yōu)楣绦栽娇?，尤其在倉底出口附近，大流量卸放必然引發(fā)的快速收縮度而容易形成拱圈阻塞。距庫底出口最短垂直路徑的中心通道因收縮小，其流動性最高。

　　8、庫底邊壁存在料重承壓固化效應(yīng)，位置越低料壓越高，固化性越大；而且邊壁還存在摩擦阻流效應(yīng)，一般在庫底錐及垂直壁夾角的自然堆積角區(qū)易形成飽和固態(tài)料。

　　9、粉體下落往往以動態(tài)拱垮式自然振顫方式進行，每層料拱將上部料壓力統(tǒng)一導(dǎo)向外庫壁支撐，待其下方落空失去支撐平衡而垮落再重新成拱，如此周而復(fù)始，流動性越低其拱垮幅度越大，下落振顫周期與幅度越大。

　　三、粉體性的量化標(biāo)準(zhǔn)與定義

　　不難發(fā)現(xiàn)，粉體的自然堆積角與其流動性上呈反比，從庫內(nèi)錐口卸放時體現(xiàn)為導(dǎo)流性的等幅變化，因此可定義其自然流動角為自然堆積角的余角：

　　α=90°-β或α+β=90°

　　其中:

　　α--自然流動角

　　β--自然堆積角

　　為了量化粉體的流動性，本文建立以粉體自然堆積角為標(biāo)準(zhǔn)的6級數(shù)學(xué)分度定義：

　　1、級別0----飽和密度固態(tài)，含氣量已到達下極限含量，稱鐵實料，自然堆積角最高。一般在料壓超過飽和壓力（不同粉體的飽和壓力不同，往往表現(xiàn)為不同的料位高度）后經(jīng)長時靜態(tài)沉積將料隙中空氣向上全部逸出后形成。例如礦粉：α≈25，β≈65，自重下移時必須從其下落方向前及其邊側(cè)撤除全部支撐與阻擋后才可行。

　　2、級別1----高密度固態(tài)，含氣量到達較小含量，稱硬實料，自然堆積角次高。一般靜態(tài)高壓沉積數(shù)十小時后就會逐漸逸出所含氣體降為0級流動性。例如礦粉：α≈35，β≈55，自重下移時必須從其下落方向前撤除正面支撐后才可行。

　　3、級別2----中密度固態(tài)，含氣量到達中低等含量，稱中硬料，自然堆積角中等。一般靜態(tài)高壓沉積數(shù)小時后就會逐漸逸出部分氣體降為1級流動性。例如礦粉：α≈50，β≈40，自重下移時只須從下落方向側(cè)前方撤除部分阻擋后就可向其饒行。

　　4、級別3----低密度半流態(tài)，含氣量處于中高含量，稱軟料，自然堆積角較低。一般靜態(tài)高壓沉積數(shù)十分鐘后就會逐步逸出部分氣體降為2級流動性。例如礦粉：α≈70，β≈20，自重下移時只須從下落方向側(cè)前方撤除少量阻擋后就足可向其饒行。

　　5、級別4----次低密度高流態(tài)，含氣量到達較高含量，稱半液化料，自然堆積角很低。此料一般由持續(xù)小幅震顫維持其狀態(tài)，一般撤除震顫影響后僅能維持?jǐn)?shù)分鐘就會迅速逸出部分氣體降為3級流動性。例如礦粉：α≈80，β≈10，自然下移時可直接擁向其下方任何低壓空間。

　　6、級別5----飽和全流態(tài)，含氣量到達上極限高含量，稱全液化料，自然堆積角幾乎為零，必須持續(xù)保持對粉體足夠的充氣和沖擊震顫激發(fā)才能產(chǎn)生，一般撤除沖擊激發(fā)后僅能維持?jǐn)?shù)秒就會迅速逸出部分氣體降為4級流動性。例如礦粉：α≈87，β≈3，自然下移時可直接竄向下方任何低壓區(qū)域方向。

　　所謂靜態(tài)指粉料的空間位置無移動的狀態(tài)；所謂動態(tài)則指粉料的空間位置有移動的狀態(tài)。

　　實際含氣量的變化是連續(xù)的，作以上6級分類主要用于分析庫內(nèi)基本的傳導(dǎo)力學(xué)的作用特性。

　　四、粉料的水平擴張壓力傳導(dǎo)數(shù)學(xué)關(guān)系

　　粉料中某點（處）的變向擴張壓力傳導(dǎo)性為：

　　P=p* sinα

　　其中

　　p為該處的上部料壓，一般與該處垂直料位深度成正比。

　　α為粉料的流動系數(shù)自然流動角，與含氣量（空氣或外加其他氣體）成正比。

　　顯然，流動性大者的變向擴張壓力自然上升，在飽和流態(tài)時等同于液態(tài)的全擴張?zhí)匦?，其繞流性極高，故易形成垂直方向重力增壓沖料失控。反之，在飽和固態(tài)時接近于固體的零擴張?zhí)匦?，其饒流性極低，對邊壁的拱架支撐率大幅提升，從而易形成垂直方向重力減壓滯料失控。

　　五、粉體的動態(tài)平衡關(guān)系

　　當(dāng)粉體下卸運行中，料的垂直下移速度與料內(nèi)含氣的上逸速度會形成以下3種情況：

　　1、料下移速大于其含氣上逸速

　　此情況下庫料流動性將日益增大，最終達到兩者相同的較高流動性，實現(xiàn)了新的動態(tài)平衡。結(jié)果表明粉料越動越軟。

　　2、料下移速小于其含氣上逸速

　　此情況下庫料流動性將日益減弱，最終達到最低流動性，結(jié)果表明粉料越不動越易變硬。

　　3、料下移速等于其含氣上逸速

　　此情況下實現(xiàn)了動態(tài)平衡，庫料流動性將保持不變，結(jié)果表明粉料平衡時穩(wěn)定性最好。

　　根據(jù)以上分析，顯然在料庫容積與流量的動態(tài)關(guān)系中存在一定的設(shè)計邊界，流量小者庫直徑與庫高度（庫容）不宜過大，否則庫底出口處的流動性變低易拱塞；流量大者則庫直徑與庫高度（庫容）不宜過小，否則庫底出口處的流動性變高易擴大其壓力波動性。所以在實際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)工藝的最佳流量設(shè)計選擇合理的料庫的尺寸容量，而不應(yīng)錯位選配。

　　六、粉庫滿倉靜態(tài)沉積隨時間的流動性分布與變化

　　基于上述粉體流動性形成與演變的規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)粉料新入滿庫后的靜態(tài)流動性會隨沉積時間的推移而產(chǎn)生變化，直至穩(wěn)定在一定庫位的穩(wěn)定平衡情況下。

　　其中，因不同深度與位置的含氣逐步向上逸出而發(fā)生分層沉積固態(tài)化增加，直至最后達成穩(wěn)定不變的平衡分布，稱為飽和沉積。

　　庫內(nèi)料重力分布依庫底流動性不同而不同，長期靜態(tài)沉積后形成硬性喇叭型分層固態(tài)過渡，總應(yīng)力為"V"型杯托支撐分布，總料重大部分由庫低環(huán)錐壁垂直支撐，而庫底壁水平外張力不高，出口壓力很低（一般僅在10kpa 以下）。

　　滿倉飽和沉積后的卸放，因庫底已形成流動性最低的飽和固態(tài)，極易產(chǎn)生拱架阻塞，出料量越大越易拱塞斷料。

　　中倉飽和沉積后的靜態(tài)卸放，因庫底已形成流動性較低的高密度固態(tài)，也易產(chǎn)生拱塞瓶頸限流或斷料。

　　低倉飽和沉積后的靜態(tài)卸放，因庫底壓力不大，其流動性尚達不到極低的飽和固態(tài)，卸放過程要平順些。

　　七、粉庫自然動態(tài)卸放時的流動性分布與力學(xué)傳導(dǎo)特征

　　當(dāng)粉體庫底卸出運行同時庫頂進料時，我們稱為動態(tài)運行。普通大庫的典型動態(tài)運行時的流動性分布如下圖 ：

　　動態(tài)運行中形成漏斗流則總應(yīng)力為"V"型分布，總料重大部分由庫垂直邊側(cè)環(huán)壁支撐，中心的細長部分"U"型瓶頸中料重力形成動態(tài)拱壁架支撐，只有出口上方少量料重由出口支撐，庫底出口壓力較低。

　　很明顯，在中高料位情況下，由于飽和固態(tài)料不會移動，高固態(tài)料的下移緩慢，兩者在底自然會形成了硬性喇叭漏斗，真正流動的半流態(tài)料實際形成了漏斗流，其細長的瓶頸會產(chǎn)生自然限流性，在喇叭收口處，卸出料流量越大，收縮性拱架力越強，瓶頸直徑將越縮細，從而限流性越強，直致全阻塞斷流。受動態(tài)拱的衰減作用，出口料壓很低，一般在10kpa 左右。

　　而在中低料位情況下，整體分布下移，同時進料沖擊動能加大，喇叭漏斗變軟，瓶頸變粗短，出口流量及流動性波動整體變大。

　　如此變化巨大的物理流動性與現(xiàn)代生產(chǎn)的穩(wěn)定大流量需求完全矛盾和沖突。

　　七、粉庫動態(tài)卸放時的流動性分布與力學(xué)傳導(dǎo)特征

　　當(dāng)粉體庫底卸出運行同時庫頂進料時，稱為動態(tài)運行。按進料量與卸出量間的大小關(guān)系會形成以下3種情況：

　　1、進量大于出量

　　此情況下庫中料位逐步增大，進出之差越大，變化越快，最終會達到滿倉，必須停止進料。此過程中庫底出口處粉料流動性必然隨料位增加而下降。

　　2、進量小于出量

　　此情況下庫中料位逐步降低，進出之差越大，變化越快，最終會放空全倉，出量減為進量，整個庫腔演變成通道。特別是隨料位降低，進料落差增加，進料的沖擊動能逐步加大，在較低庫位（一般3-6米）時必然使庫底存料全激發(fā)震顫穿透為最高流動性的飽和流態(tài)，使庫底出口處粉料壓力必然上升到最高，進而促使出料流量猛增而失控沖出。例如礦粉，此情況下倉口壓力高達料位高度的水柱壓力3米30kpa，5米50kpa。

　　動態(tài)運行中總料重 由庫底壁平均支撐，庫底出口壓力較高。

　　3、進量等于出量

　　此情況下實現(xiàn)了進出的動態(tài)平衡，庫料位與流動性將保持不變。高庫

　　位時，庫底流動性較低，中庫位時流動性居中，低庫位時則因高落差進料沖

　　擊易造成全激發(fā)為高壓全液化料，使庫底出口處粉料壓力必然上升到最高，

　　易導(dǎo)致出料流量猛增而失控沖出。

　　根據(jù)以上分析，為了獲得穩(wěn)定的流動性和控制特性，顯然，在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡可能選擇3，且保持庫位在中部，所以在實際連續(xù)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)工藝的最佳出料流量設(shè)計選擇稍大的進料量，而不是較大的冗余進量匹配。

　　八、粉庫運行的不同實際工作方式

　　1、同時連續(xù)進料和卸料方式

　　粉料從前道工序持續(xù)輸送來（如粉磨），經(jīng)提升機從頂部打入庫內(nèi)，而庫底保持定流量出料，如此形成了持續(xù)動態(tài)運行的情況。其中：進料與出料流量大體相等，宜保持在中倉位。

　　2、周期性快速進料和連續(xù)慢卸料方式

　　實際生產(chǎn)中常存在這樣的工況：粉料從遠處用罐車運送來，快速從頂部泵入庫內(nèi)，而庫底保持持續(xù)定流量出料；或者前道工序（如粉磨）匹配的供料量偏大， 庫滿后必然停止進料較長時間，此后時庫底保持靜態(tài)流量出料，等料空庫位較低時再進料，如此形成了周期性動態(tài)與靜態(tài)運行的交替情況。其中：

　　動態(tài)情況往往在料空庫位較低時進行，剛進料階段易處于最危險的全激發(fā)高壓狀態(tài)，極易對出料控制產(chǎn)生沖擊波動干擾；庫位升高到一定位置后才會使庫底流動性逐步下降穩(wěn)定，直到庫內(nèi)灌滿。靜態(tài)情況則只出不進，隨料位從高到低，庫底流動性從較低流動性逐步變?yōu)檩^高流動性；特別是最后接近庫底空倉時，因堆積角與邊壁存料固性高，易產(chǎn)生不規(guī)則掛壁拱架與垮塌，從而形成密度與流流量的大幅波動情況。

　　3、分別進料和卸料方式

　　實際生產(chǎn)中也存在這樣的工況：粉料從遠處用罐車運送來，快速從頂部泵入庫內(nèi)，入料時不卸料。而在不進料時庫底保持靜態(tài)流量出料，如此形成了周期性靜態(tài)進出運行的交替情況。其中：料空庫位較低時進料，由于不卸料，可避開動態(tài)產(chǎn)生沖擊波動干擾；滿倉后則只出不進，隨料位從高到低，庫底流動性從較低流動性逐步變?yōu)檩^高流動性；特別是最后接近庫底空倉時，因堆積角與邊壁存料固性高，易產(chǎn)生不規(guī)則掛壁拱架與垮塌，從而形成密度與料流量的大幅波動情況。此方式工作效率較低，一般只適合不需連續(xù)生產(chǎn)情況的工藝使用。

　　九、采用庫底氣動卸料時的流動性演變與力學(xué)傳導(dǎo)特征

　　由于自然卸料必然產(chǎn)生嚴(yán)重的拱塞欠斷料，現(xiàn)實中人們常采用庫底外加高壓空氣的方法來處理欠斷料問題，其中分三種方式：

　　1、簡單方式      僅在大錐度(如55度以上)庫出口內(nèi)上部1-2米高處外壁接入2-8根高壓氣管，工作時周期性短時控制吹入200-600千帕（0.2-0.6Mpa）的壓縮空氣。

　　此方式僅適用于小流量小庫容，底庫位中低料壓情況，形成周期性流動性脈動衰減變化；若用于大庫容高料位，則因庫口上方固性太高，高壓氣將在庫內(nèi)形成空洞穹拱阻塞后，空氣能量向下從卸料控制裝置中吹出卻不來料，一旦空洞垮塌又會引發(fā)高動能氣固混合沖擊。

　　2、普通方式       直接采用低錐度平底庫設(shè)計，在庫底鋪設(shè)環(huán)型空氣斜槽陣，采用蘿茨風(fēng)機持續(xù)強制吹入中壓(20-60千帕)的高壓空氣，常見分6或8組周期性循環(huán)切換出1路的掃描吹氣工作方式。

　　此方式適用于中庫容底庫位中低料壓情況，通過持續(xù)氣化將高固態(tài)料吹變?yōu)楦吡鲬B(tài)料，形成壓力相對大且穩(wěn)定的供料；若用于大庫高料位，則因庫口上方飽和固性層太厚，高壓氣只能將在氣口附近形成空洞穹拱，結(jié)果使空氣能量向下從卸料控制裝置中吹出卻不來料，一旦空洞垮塌又會引發(fā)高動能氣固混合沖擊。

　　3、復(fù)雜方式         在2的基礎(chǔ)增加了專用小型稱重緩沖倉設(shè)計，由大庫氣動閘閥控制向小稱重緩沖倉中卸料，通過倉重控制其料位穩(wěn)定在一定的合理范圍，再在該緩沖倉底鋪設(shè)環(huán)型空氣卸槽陣。采用蘿茨風(fēng)機持續(xù)強制吹入中壓(20-60千帕)的高壓空氣，使該小倉內(nèi)的粉料全部均化穩(wěn)定在一定的壓力與密度條件下，流動性保持在高流態(tài)或飽和流態(tài)上，再用組合閘閥加沖板流量計或密封皮帶稱計量控制卸放，通過對緩沖倉的容重料位檢測，實現(xiàn)對緩沖倉容重的動態(tài)穩(wěn)定平衡，從而使緩沖倉的壓力與密度保持穩(wěn)定，進而保障其出口的卸料控制裝置處于穩(wěn)定的工作條件下，可用于大庫容高庫位壓情況。理論上控制效果要比方式2好很多 ， 但此方式比2方式的建造與運行維護成本大幅提升，且僅適用于新建倉儲系統(tǒng)，對已建方式2的大庫根本無空間進行緩沖倉增加。

　　其中，2、3方式因庫內(nèi)底部存在大量管路，長期運行后空氣中水份在氣粉接合部會產(chǎn)生水凝結(jié)沉積板結(jié)，累積形成水硬性阻塞，最后必須徹底停產(chǎn)進行人工清除維護。另外，由于需持續(xù)通電吹氣以維持穩(wěn)定的流動性，卸料運行能耗很高。再者，2、3方式處于中高庫位工作時，其大庫底部料的流動性必然處于 級別5或4的高固態(tài)，強制吹入空氣后不易形成穩(wěn)定的飽和流態(tài)，且必然吹空庫底排氣口局部空間形成空洞群，最終在大庫底部內(nèi)必然形成不規(guī)則周期性空洞垮塌性下陷沖擊，進一步擴大出料波動性。

　　十、理想的動態(tài)下卸時流動性分布與力學(xué)傳導(dǎo)特征

　　根據(jù)上述分析，顯然理想的卸料系統(tǒng)的流動性特征目標(biāo)應(yīng)如下：

　　1、從進料到出料要全面合理的動態(tài)平衡料容(料位)位設(shè)計范圍，避免共用同一庫進行大范圍的供料流量切換。

　　2、流動性保持在2、3的中間級別時，即半流態(tài)和中流態(tài)時對后續(xù)控制有利，要有目的地防止流動性向過低(0、1級別)和過高(4、5級別)方向發(fā)展變化，如此使內(nèi)部有利于整體流的形成，從而對卸料裝置的穩(wěn)定控制特性有利。

　　3、應(yīng)根據(jù)工作流量和工作方式來設(shè)計合理的庫容尺寸，盡可能使生產(chǎn)時的庫位動態(tài)變化范圍處于有利的條件下。

　　當(dāng)庫內(nèi)實現(xiàn)整體流下卸時，若粉體流動性保持在級別2、3的半流動性平衡上，則庫內(nèi)力學(xué)分布呈動態(tài)拱連續(xù)小幅垮塌，全部料重力通過拱架傳遞到庫環(huán)壁上，最終落實在庫底外環(huán)錐的支撐上，而庫底出口中心料壓保持在較低水平，如15kpa以下。

　　十一、結(jié)論

　　通過上述分析與論述，發(fā)現(xiàn)粉體在卸料系統(tǒng)過程中的流動性分布是個極其復(fù)雜的動態(tài)變化平衡過程，含氣量是影響流動性的關(guān)鍵內(nèi)因，但實際生產(chǎn)過程中諸多要素（如運行方式、庫容尺寸、料位、進與出流量比關(guān)系等）的變化都會引發(fā)流動性的不同變化，又相互作用。如果不深刻認(rèn)識其演變的本質(zhì)原因和規(guī)律，就很難徹底從根本上解決其流量的穩(wěn)定控制問題。