破解粉体大库卸放供给的控制难题

作者:陈立明 时间:2017-09-07 13:28:13

一. 问题背景

   水泥工业是最大的粉体工业,生产流程三分之二以上都是粉体工艺环节,但在大量粉体库的卸放控制上,却普遍存在着严重的问题:断料、冲料、波动等现象此起彼伏。很多环节还不得不采用最原始的开环卸放模式,比如大量水泥库,居然依靠看提升机电流来控制卸放;而且由于极不合理的气动卸放技术方案的大量流行使用,常造成库内积流板结堵塞,特别是水泥库,在雨季空气水分偏高时期,吹入库内的含水空气极易在库内流窜通路上促成冷热性水凝板结,进而促成了停机清库的必要与困难;另外由于高库位料压增大导致出料困难,不少粉库不敢装料到较高库位运行,也大大降低了设计库容的有效利用率。

    总之,号称先进的的各型生产线,在大量粉体的卸放控制环节上,存在极其严重的技术缺陷。除了生料煤粉等关键工艺采用了复杂高成本技术方案勉强解决外,还有很多粉库工艺定量控制环节质量精度低,大量非工艺定量控制环节也低级粗糙效率差,明显导致输送提升匹配效率低下。严重时要么引发冲料堵死停产故障,要么发生断料停产损失,不但带来大量无效人工清理劳动量,还极易造成相关工序间的协调管理矛盾,最终变相大幅增加生产成本。这些技术缺陷事实上对相关工艺质量、工艺效率、工艺平衡造成了极大的影响和损害;而且,较为先进的分别粉磨配兑工艺也无法有效推广应用。

    显然,这已成为世界水泥工业普遍存在的瓶颈性技术难题,亟待获得广泛的彻底地解决。

二. 问题的成因分析

     经过认真研究分析与大量实验,我们发现工业粉体具有的特殊物理力学特性是导致问题复杂化的根源。首先是流动性变化,粉体含气量多少会呈现不同力学传导特性,含气量越高流动性越强,绕流扩张性越强,反之流动性越低,阻流支撑性越强,多数情况下粉体处于半流动性状态,呈现半绕流半支撑特性。随库位升高粉料受压上升,会加速料中含气的析出上逸而趋于固化。自然静态储存也会随料重沉积促使料中含气逐渐析出上逸,库位越深越易受压趋于固化,因此中下库位边壁易形成挂壁滞留效应,若长期不能移动下卸将形成半固化板结,并逐渐增长扩大直至有效库容收窄变小,最终完全失效。  

   

     还有,粉体在大库内的储存与卸放均会发生多种力学自然动态平衡作用,第1种是垂直方向上的重力拱架作用,通过逐级层叠效应将上方料重经过拱架外传到库下部库边壁;第2种是沿库边壁形成的环形合成料压力在库底折返库中的应力平衡拱作用,通过对向及侧向的自然挤压形成杠杆式应力平衡拱,一般产生在库底部分,形成对中上部粉料的重力支撑和料流阻隔;第3种是粉料在库底出口形成的动态收缩拱作用,由于出口上部粉料同时向同一方向汇聚,从而在环出口区域自动形成立体半球状拱结区,造成料流阻塞。

正是库内粉料受3种力学拱的动态作用交互影响,只要出口驱动卸料,内部各种成拱与垮塌交互作用必然造成了库内粉料不可能自然连续稳定地卸放出来。而且,由于各种拱在出库口中心汇聚,会自然产生从库口底部向上逐步扩大的环形低压力区,形成瓶颈性限流漏斗流,库内只有少量软性流动料可自然从其流出。

     实际生产时,粉料的流动性还受到库位、水分、比重、库型等等影响,最终都会表现为库内的供给性变化波动。综合各项因素,可见这是一个多变量多关联的复合性系统难题。  

三. 现状面临的困难局面

    现实情况是,人们在缺乏对粉体库内的物理特性足够充分研究了解的情况下,选择了较为局部的技术路径与手段来处理卸放控制需要。

一是直接采用空库,在库底用锥状出口吹入空气助卸,库口下接入各种给料设备进行卸放控制。常见有转子称,螺旋称,流量闸加冲量计等几种类型。

二是在库内设置减压锥,库底铺满充气箱阵及分区管路,通过大功率罗茨风机和循环分配器,对库内进行循环扫描式吹气卸料,再在库口下接入各种给料设备进行卸放控制,常见也是转子称,螺旋称,流量闸加冲量计等几种类型。

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三是采用更复杂的中分反锥型蛋壳库方式,在外环库壁内设置气动装置,实施6-8点多路气动闸控制的汇聚式卸放控制。

    事实上,无论采用哪种卸放工作方式,均不能获得持续稳定的控制效果,本质在于均不能有效消除库内动态应力拱和收缩拱造成的阻断与垮塌性冲击波动效应,根本无法在库内形成均匀的整体流,而往往自然产生不规则的各种漏斗流复合体,最终造成库内形成积结固化偏流结构,长期增长积累则导致库料硬化缩容乃至阻塞性限流断料。

    显然,上述各种实际工作方式的核心均是吹入空气排堵助卸,但事实表明气动处理具有巨大的后遗症,一是出料压力难以稳定控制;二是气化料高流动性对后续控制调节的机械装置密封要求极高;三是吹入空气所含水分窜入库内易产生冷凝水结露促成固化板结;四是无法形成真正理想的整体流均化卸放。

    可以说,现有一切技术手段均属治标不治本的无奈之举。

    如今在中国每年20亿吨以上的巨大产能背后,大量的水泥粉体生产卸放控制需求遇到了巨大的瓶颈性的技术障碍。

四. 粉流掣的突破路径

     粉流掣自立项起,就确定走非气动半流态控制的总路线,为此必须深入研究粉库内的持续稳定卸放的各种可能,针对此目标反复展开理论分析研究和大量各种单项物理特性实物实验;同时我们发现,行业严重缺乏对库内粉体工程学的全面深入理论分析与实践经验借鉴。为了实现自然半流动性整体流卸放的理想目标,我们展开了大量实验,并从中总结和汲取了逐渐清晰的粉体储存与运动的实际物理动力学模型,并通过有目的的专项实验反复加以验证核实。如此这般,经过长达3年的不断折腾和试用,终于全面攻克了粉库无动力整体流卸放控制的世界性难题。使得人类在工业粉体卸放控制领域取得了重大突破。

 

其中,太极锥的发明首先突破了粉体库自然整体流卸放的巨大难题。如图所示,我们根据易经的阴阳卦象匹配原理,在库出口上方设计了针对粉库底部复杂力学拱阻作用的破解结构,采用多级环形钢圈塔锥制成,因其外观暗和阴阳交错的爻卦之象,故称为太极锥。运行时,埋在粉库里的太极锥在垂直方向形成多级环形柱状多点进料通道,当出口外主动驱动料流后,太极锥内部将产生逐级衰减的下拉负压,锥外粉料则在足够库位料压的重力推挤下,自行按先低后高的自然排序实现粉料向锥内的交错汇聚运动,结果完成了底部各种拱结的自动破除,从而在锥上部导致了自平衡整体流的产生。

 五. 粉流掣的成果与意义

由于粉流掣是一套系统性全新技术组合整体解决方案,它兼顾了库内外各种工况的粉体物理特性解决手段和配套方案,特别针对了中国国情条件下较为复杂的具体运行条件,通过非常紧密相关的卸放,驱动,计量和控制四大部分形成了有机统一的系统合成,最终实现了粉体大库卸放的技术瓶颈突破。

经过近30套粉流掣在不同大小库容不同原料不同工况的多达2年以上的成功应用,充分证明具有下列重大效果与价值:

1. 真正实现无动力整体流卸放,较常见的带减压锥库底铺充气箱罗茨风送方式节电近90%,并大幅降低现场噪声分贝;

2. 自然整体流卸料不但大大提升均化效果,还能实现对环型库壁的全面自动清理除积,从本质上消除库内不均衡运动造成的淤积板结可能,而且彻底避免向库内吹入大量含水分空气引发的水凝板结,大大延长令人头疼的清库周期;

3. 基于太极锥工作原理,料库工作在中高库位条件下控制稳定精度更高,能大大提升库容的有效利用率和工艺调度自由度。

4. 对库容和库型的要求非常简单,安装空间也极紧凑,既易于改造老旧库,也易于快速建造新库应用。

5. 系统既有单机中控版,也有一主多从兼容中控的动态联锁自动配比跟踪版,可充分满足分别粉磨工艺的高精度高可靠配兑混合需要。

6. 整机系统既提供1%高精度的定量控制型,也提供5%普通精度的经济输送型,可充分满足水泥工艺不同应用需求。

7. 整机设计的通过性和可靠性极高,维护性也很高,基本能实现免维护长期无人干预运行。

8.  不但基本消除堵塞冲料等极端情况,特别是过冲引发的后续输送提升环节的过载堵塞停机故障,还可大大降低常见的大幅控制波动引发的工艺质量下降。

六. 应用面的扩展与开发

目前,粉流掣在水泥工业有3类应用已经非常成熟:一是粉煤灰的精确定量控制掺兑应用,已成为国内首项真正成功应用技术。二是大量水泥库底的经济型无气动定量卸放控制应用,是大幅改善水泥库淤积板结阻塞问题,并大幅降低卸放能耗的实用新技术。三是分别粉磨工艺急需的高精度主从式联锁跟踪多路配兑技术,可兼容中控实现双重配兑比例质量保险,是高效混兑水泥工艺的先进技术保障。

有关入窑生料与煤粉定量控制,以及水泥定量装车控制等几类应用也将尽快逐步分批进行开发,预计到2018年将完全覆盖水泥工业所有粉体应用领域。

对于原有各种已生产使用的大库,均可采用粉流掣技术进行彻底改造,也可根据工艺需要配套快速建造新库,实现目标粉料稳定精确的定量卸放控制,进而促进粉库卸放工艺之间实现高质量高效率的定量化动态平衡衔接,真正实现所有粉库生产的完全数字化自动控制与管理。


可以肯定,粉流掣技术的出现,为广大水泥生产企业打开粉库运行质量与效率大幅提升的新空间,让每个企业有机会在相关领域全面应用最终带来巨大的经济与社会效益。



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