如何实现水泥大库的整体流卸放

作者:陈立明 时间:2021-07-16 15:33:57

一、水泥库为何成为焦点

  随着环保错峰停产的持续调控,水泥生产连续性难以维系,水泥销售价格上涨,影响水泥库运转效率的大量问题开始引发企业的重点关注。究其根源,在于水泥库具有以下特点:

1.均采用大功率罗茨风机吹气卸放,偏库、死料现象严重,需要周期性进行清库作业。

2.受制于市场需求,经常满库停顿沉积。

3.简陋的开环气动闸阀控制,断料,冲料波动频繁。

  行业内外均习以为常的这些问题开始严重制约企业经营发展。以清库为例:6个库3年一清,一次清2个库,一个库清2月,每年近半年的时间都在进行极其危险的清库工作,仅清库一项就占用管理层及安全员过多的精力。但多年来,一直找不到有效的解决办法。我们发现全部问题的核心在于没有真正抓住:粉体的收缩拱

二、收缩拱

大量实践发现,粉体卸放运动中存在收缩拱阻力,并且由4大因素构成:

F拱=k*V*H*SKG

其中,k为粉体特征拱架系数,主要由料出口的空间布局结构决定。

V为粉体粘黏度值(Viscosity),主要由水分含量和水泥的胶黏性决定,正常粉体一般为1-1.5,较差的为2-3,最差的为4-5,吹入空气后会明显降低该值。

H为硬度值Hardness,一般由含气量决定,高库位沉积会造成含气量快速析出变硬,饱和软料硬度约为0.1,高软料硬度约为0.5,中软料硬度约为1,中硬料约为3,高硬料约为6,饱和硬料接近10。

SKG为粉体收缩度(Shrinkage),实验发现,无论采取下出口还是侧出口,大库粉体流动的收缩度均可分解为平面收缩度与正交面收缩度叠加复合而成。

 图1.粉体运动收缩度定义

大库出料的平面向心收缩度是必然的,可以隐含定义为1,而其正交收缩度才是影响最大的因素,存在10倍的杠杆挤压效应。

SKG=平面收缩度+正交收缩度=1+10Tan(β)

其中β为等效正交收缩角,显然β越大SKG越大,这才是大库粉体流动的基因性元凶。

三、传统减压锥水泥库料流分析

  传统经验技术是采用大功率罗茨风机将空气强制吹入大库底部,造成VH大幅下降而降低收缩拱阻出料,反而使人们严重忽略了结构k与收缩度SKG的影响,是典型的头疼医头的方法。一旦空气斜槽上方架空或斜槽堵塞破损,就会大幅降低出料效率。

  正是粉体的收缩拱构成复杂,而气动方式又能表面上快速消除拱阻卸放,就误导了人们长期陷入气动助流的巨大陷阱之中。


图2.传统带减压锥气动卸放的料路情况

  根据收缩度公式,可以明显看出传统减压锥设计的水泥库,其料路存在明显的三维立体收缩拱,特别是减压锥底部的开口和中心,通过向库底布设的大量空气斜槽吹气,可以使VH值大幅下降,比如将V从2降为0.5,H从饱和硬度10降为0.3,则F拱将大幅下降约130倍,造成料F重>F拱,自然能引发料流,而一旦停止吹气,其V值与H值将迅速恢复原值,F重<F拱,所以马上就会断料。

  以此收缩拱公式分析其它类型水泥库,均存在无解的共同基因性技术缺陷。

 

            图3.减压锥气动卸放极易形成死料偏库

  正是因为气动的作用明显,就引导人们严重忽视了k要素和SKG要素,长期以来,水泥工业就像吸海洛因一样,沾上了气动的毒瘾而不自知。

气动方式存在如下严重的后遗症:

1. 等压气源吹入库底,低密度的空气必然走软不走硬,结果自然向中上软料区汇聚发展,而不可能均匀渗透作用于边壁硬料区,造成料流速度的自然极化分离,最后必然在中部形成一个或多个漏斗流,而边壁硬料越走越慢,直至停顿变为死料,死料不断增长发展为偏库情况。

2. 罗茨风机吹入的空气必然含有水分,与库内温度不同粉料混合必然引发水分蒸发冷凝作用,部分物料发生水化,在走走停停之间对斜槽滤布产生阻塞和腐蚀破坏作用。长期运行必然进一步造成斜槽作用的不断衰减,直至完全失效。

四、粉流掣的整体流设计

  我们通过一系列粉体流动性实验,发现了收缩拱的存在,开始严重怀疑气动作用掩盖的其他深度拱阻因素,进而发现可以通过改变粉体料流的KSKG降低拱阻力。针对大库必然存在卸放收缩运动规律,我们把着眼点放在出料口的技术改造上,根据公式:

             F拱=K*V*H*SKG

  发明设计了一个多级钢锥笼,垂直架设在出口之上,因思路受启发于易经的阴阳太极概念,故叫作太极锥。将原来的单一水平面出口变换扩张为多个垂直面出口,从而实现多级分层360度水平向心进料汇合,钢笼的占空比尺寸保证了每个口的拱架系数K非常小,然后垂直重力叠加无阻力自然下行。

图4.太极锥形成的自然整体流及流量比

  有了太极锥,造成库料整体自然分环平行无收缩垂直下行,然后各自在对应层级受落差重力推动转向90度变为水平向心汇聚运动,大大降低了每个入口的3维立体收缩度SKG(实际仅为1.6左右),比传统自然立体收缩运动要减小20倍左右,而太极锥钢笼的水平与垂直占空比设计也确保其每级拱架系数K比单一出口方式要减少10倍左右,最终通过减少KSKG使太极锥的F拱值大大减少200倍左右。换言之,通过太极锥的安装,就能保证F拱大大变小,不用吹气改变VH,也可使料F重>F拱,获得出料运动。

  太极锥的结构与硬软料的自然分层形成逐级对应,保证底部硬料最优先进入,最外层硬料对应最底层入口,中心最软料被自然对应在最高层入口,运行时只要出料,太极锥内的料重产生下拉真空吸附力F吸(约有1-2吨重),与锥外的料位垂直重力叠加挤推力F重,里应外合共同作用,破除其收缩拱而产生持续进料流动:

(F重+F吸)>F拱 也可表达为:(F重+F吸)-F拱>0

  入太极锥的料流速度主要由料重F重决定,如此自然形成了外部硬料最快的落差力反馈平衡。实践运行发现,太极锥可自然引发库内料面平行整体流下行,实际出料由各级料面统一按比例汇聚而出,我们可通过计算各环级的料面积之比,获得非常精确的自然匹配等差级数比例分布,如下所示:

太极锥整体流分布

  太极锥产生的整体流特征非常明显:最外环部分硬度最高,垂直料重占比最大达23.4%,也是最先进入太极锥的最大流量23.4%,前4级的底部最硬料部分合计高达75%流量,后4级的中硬料合计仅占25%流量,最中心部分的软料只占1.6%,完全区别于气动卸放的中心漏斗软料优先方式,形成了典型的外快内慢等差流量分布,而外围硬料大料流自然形成了对库壁及底部的自动清理,根本没有死料偏库发生的机会。

  安装了太极锥后,受料位高度,含气量及使用情况的影响,料位下降到一定高度后,由于对应 F重变小,导致 (F重+F吸)<F拱,就会形成边壁部分料流流动变慢,而中部软料继续维持整体流,结构变成部分整体流,两者高差逐步扩大,逐步形成尾料。

 

图5. 较低库位出现部分整体流                             图6. 彻底放空呈现自然堆积尾料

     

图7.水泥库安装情况

五、粉流掣对大库硬度扰动的闭环控制

  粉流掣在水泥库的实际运行过程中,由于水泥库壁的冷凝结露及雨水渗漏加上停顿沉积等等不利因素积累影响,在库内中高部位有时会造成随机应力分布失衡,产生非均衡积料次生拱,随整体流移动会引发其拱垮冲击,造成局部粉料硬、软度不等的料流扰动,会导致料流的硬度分布发生变化,进而影响到太极锥入料收缩拱阻力的变化;当大量硬料接近太极锥时,有时会发生锥外拱塞欠料现象,必须通过计算机对比流量与驱动速度的关系进行实时检测计算,要及时自动进行锥底外加脉冲压缩空气积极干预吹入,通过短时强制气化排除硬料拱架进而恢复均衡的整体流运行,最终维持整体流的平稳持续运行。

图8.粉流掣扰动自动校正运行画面

  而较小的一般性硬软度波动,或者库位变化及停顿造成的硬度变化,粉流掣控制系统可以通过PID驱动转速调节完成定量自适应控制。

图9.粉流掣正常稳定控制运行画面

  由于构成了闭环系统,通过远程中控设定目标流量,使水泥库实现多库搭配均化的同时,还能保持与后续输送系统(如提升机)的最佳功率匹配。

六、结语

  粉流掣通过太极锥对收缩拱的破解,充分利用了料重作为原动力实现了对水泥大库自然整体流的卸放;简单方便地实现了无气无动力整体流闭环定量卸放控制;彻底实现了安全,绿色,智能的先进水泥卸放控制。为广大水泥库彻底摆脱传统原始落后的开环操控,避免周期性复杂危险的清库工作,提供了全新技术解决途径。


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