粉体大库储存与卸放的流动性分布与传导力学分析

  一、问题背景

        粉体的物理流动性在实际储存与卸放过程中，在多种因素影响下会呈现大跨度的变化。当受空气持续冲击激发处于高含气状态时具有类似液体的高流动性和高压力传导性，结果容易导致暴冲失控现象；当长期处于静态沉积时又因粉内气体受压自然向上逸出后又会形成固态的低流动性和高压力阻隔性，结果又容易导致阻塞断料失控现象； 正是因为粉体介质在静动态间具有巨大的传导力学差异波动性，造成了粉体仓底定量给卸料的技术处理非常困难，直接影响到后续工艺产质量的保证和提升，深入分析其流动性变化的内在原因与相应的传导力学的变化规律就成为研究的焦点！

    二、影响粉体的流动性的主要因素与特征

    通过深入研究粉体的流动性，我们发现影响粉体流动性的因素具有如下特征：

    1、含气量越高，流动性越强。进料冲击，架空料垮塌，料层内吹入外加高压空气等均可造成气粉冲击交汇区域局部含气量增加。

    2、料位越深粉压越高，粉内气体向上自然逸出速率越大。

    3、细度越高，粉体流动性变化幅度越大。
            
    4、任何粉体在空气动态冲击混合下，均会在气粉交汇中心的一定空间区域内激发震颤出饱和含气量和高含气量，但撤除冲击震颤作用后仅能维持短暂时间（一般数秒钟）就会退回常规半含气状态，此时间与粉体比重成反比。

    5、任何粉体在静态沉积条件下，均存在其含气向上方自然逸析向固态转化的趋势，从流态转为固态的速率与粉体比重和料压成正比；达到饱和固态的粉体已不可析气压缩，每种粉体的自然饱和固态料压力（料位高度）不同。

    6、当空气湿度大并渗入粉体时，其流动性随水份含量高而降低；反之，空气干燥则增加。

    7、动态收缩越快，粉料所受收缩压越大，气体挤出效应越快，流动性转变为固性越快，尤其在仓底出口附近，大流量卸放必然引发的快速收缩度而容易形成拱圈阻塞。距库底出口最短垂直路径的中心通道因收缩小，其流动性最高。

    8、库底边壁存在料重承压固化效应，位置越低料压越高，固化性越大；而且边壁还存在摩擦阻流效应，一般在库底锥及垂直壁夹角的自然堆积角区易形成饱和固态料。

    9、粉体下落往往以动态拱垮式自然振颤方式进行，每层料拱将上部料压力统一导向外库壁支撑，待其下方落空失去支撑平衡而垮落再重新成拱，如此周而复始，流动性越低其拱垮幅度越大，下落振颤周期与幅度越大。

    三、粉体性的量化标准与定义

    不难发现，粉体的自然堆积角与其流动性上呈反比，从库内锥口卸放时体现为导流性的等幅变化，因此可定义其自然流动角为自然堆积角的余角：

    α=90º-β或α+β=90º

    其中:

    α--自然流动角

    β--自然堆积角

    为了量化粉体的流动性，本文建立以粉体自然堆积角为标准的6级数学分度定义：

    1、级别0----饱和密度固态，含气量已到达下极限含量，称铁实料，自然堆积角最高。一般在料压超过饱和压力（不同粉体的饱和压力不同，往往表现为不同的料位高度）后经长时静态沉积将料隙中空气向上全部逸出后形成。例如矿粉：α≈25，β≈65，自重下移时必须从其下落方向前及其边侧撤除全部支撑与阻挡后才可行。

    2、级别1----高密度固态，含气量到达较小含量，称硬实料，自然堆积角次高。一般静态高压沉积数十小时后就会逐渐逸出所含气体降为0级流动性。例如矿粉：α≈35，β≈55，自重下移时必须从其下落方向前撤除正面支撑后才可行。

    3、级别2----中密度固态，含气量到达中低等含量，称中硬料，自然堆积角中等。一般静态高压沉积数小时后就会逐渐逸出部分气体降为1级流动性。例如矿粉：α≈50，β≈40，自重下移时只须从下落方向侧前方撤除部分阻挡后就可向其饶行。

    4、级别3----低密度半流态，含气量处于中高含量，称软料，自然堆积角较低。一般静态高压沉积数十分钟后就会逐步逸出部分气体降为2级流动 性。例如矿粉：α≈70，β≈20，自重下移时只须从下落方向侧前方撤除少量阻挡后就足可向其饶行。
 
    5、级别4----次低密度高流态，含气量到达较高含量，称半液化料，自然堆积角很低。此料一般由持续小幅震颤维持其状态，一般撤除震颤影响后仅能维持数分钟就会迅速逸出部分气体降为3级流动性。例如矿粉：

    α≈80，β≈10，自然下移时可直接拥向其下方任何低压空间。

    6、级别5----饱和全流态，含气量到达上极限高含量，称全液化料，自然堆积角几乎为零，必须持续保持对粉体足够的充气和冲击震颤激发才能产生，一般撤除冲击激发后仅能维持数秒就会迅速逸出部分气体降为4级流动性。例如矿粉：α≈87，β≈3，自然下移时可直接窜向下方任何低压区域方向。

    所谓静态指粉料的空间位置无移动的状态；所谓动态则指粉料的空间位置有移动的状态。

    实际含气量的变化是连续的，作以上6级分类主要用于分析库内基本的传导力学的作用特性。
    
    四、粉料的水平扩张压力传导数学关系

    粉料中某点（处）的变向扩张压力传导性为：

    P=p* sinα

    其中

    p为该处的上部料压，一般与该处垂直料位深度成正比。

    α为粉料的流动系数自然流动角，与含气量（空气或外加其他气体）成正比。

    显然，流动性大者的变向扩张压力自然上升，在饱和流态时等同于液态的全扩张特性，其绕流性极高，故易形成垂直方向重力增压冲料失控。反之，在饱和固态时接近于固体的零扩张特性，其饶流性极低，对边壁的拱架支撑率大幅提升，从而易形成垂直方向重力减压滞料失控。

    五、粉体的动态平衡关系

    当粉体下卸运行中，料的垂直下移速度与料内含气的上逸速度会形成以下3种情况：

    1、料下移速大于其含气上逸速

       此情况下库料流动性将日益增大，最终达到两者相同的较高流动性，实现了新的动态平衡。结果表明粉料越动越软。

    2、料下移速小于其含气上逸速

       此情况下库料流动性将日益减弱，最终达到最低流动性，结果表明粉料越不动越易变硬。

    3、料下移速等于其含气上逸速

       此情况下实现了动态平衡，库料流动性将保持不变，结果表明粉料平衡时稳定性最好。

    根据以上分析，显然在料库容积与流量的动态关系中存在一定的设计边界，流量小者库直径与库高度（库容）不宜过大，否则库底出口处的流动性变低易拱塞；流量大者则库直径与库高度（库容）不宜过小，否则库底出口处的流动性变高易扩大其压力波动性。所以在实际生产中应根据工艺的最佳流量设计选择合理的料库的尺寸容量，而不应错位选配。

    六、粉库满仓静态沉积随时间的流动性分布与变化

    基于上述粉体流动性形成与演变的规律，不难发现粉料新入满库后的静态流动性会随沉积时间的推移而产生变化，直至稳定在一定库位的稳定平衡情况下。
其中，因不同深度与位置的含气逐步向上逸出而发生分层沉积固态化增加，直至最后达成稳定不变的平衡分布，称为饱和沉积。

    库内料重力分布依库底流动性不同而不同，长期静态沉积后形成硬性喇叭型分层固态过渡，总应力为“V”型杯托支撑分布，总料重大部分由库低环锥壁垂直支撑，而库底壁水平外张力不高，出口压力很低（一般仅在10kpa 以下）。

        满仓饱和沉积后的卸放，因库底已形成流动性最低的饱和固态，极易产生拱架阻塞，出料量越大越易拱塞断料。

        中仓饱和沉积后的静态卸放，因库底已形成流动性较低的高密度固态，也易产生拱塞瓶颈限流或断料。

        低仓饱和沉积后的静态卸放，因库底压力不大，其流动性尚达不到极低的饱和固态，卸放过程要平顺些。

    七、粉库自然动态卸放时的流动性分布与力学传导特征

    当粉体库底卸出运行同时库顶进料时，我们称为动态运行。普通大库的典型动态运行时的流动性分布如下图 ：

    动态运行中形成漏斗流则总应力为“V”型分布，总料重大部分由库垂直边侧环壁支撑，中心的细长部分“U”型瓶颈中料重力形成动态拱壁架支撑，只有出口上方少量料重由出口支撑，库底出口压力较低。

    很明显，在中高料位情况下，由于饱和固态料不会移动，高固态料的下移缓慢，两者在底自然会形成了硬性喇叭漏斗，真正流动的半流态料实际形成了漏斗流，其细长的瓶颈会产生自然限流性，在喇叭收口处，卸出料流量越大，收缩性拱架力越强，瓶颈直径将越缩细，从而限流性越强，直致全阻塞断流。受动态拱的衰减作用，出口料压很低，一般在10kpa 左右。

    而在中低料位情况下，整体分布下移，同时进料冲击动能加大，喇叭漏斗变软，瓶颈变粗短，出口流量及流动性波动整体变大。

    如此变化巨大的物理流动性与现代生产的稳定大流量需求完全矛盾和冲突。
  
    八、粉库动态卸放时的流动性分布与力学传导特征

    当粉体库底卸出运行同时库顶进料时，称为动态运行。按进料量与卸出量间的大小关系会形成以下3种情况：
         
    1、进量大于出量
        
    此情况下库中料位逐步增大，进出之差越大，变化越快，最终会达到满仓，必须停止进料。此过程中库底出口处粉料流动性必然随料位增加而下降。
         
    2、进量小于出量

    此情况下库中料位逐步降低，进出之差越大，变化越快，最终会放空全仓，出量减为进量，整个库腔演变成通道。特别是随料位降低，进料落差增加，进料的冲击动能逐步加大，在较低库位（一般3-6米）时必然使库底存料全激发震颤穿透为最高流动性的饱和流态，使库底出口处粉料压力必然上升到最高，进而促使出料流量猛增而失控冲出。例如矿粉，此情况下仓口压力高达料位高度的水柱压力3米30kpa，5米50kpa。

    动态运行中总料重 由库底壁平均支撑，库底出口压力较高。

    3、进量等于出量

    此情况下实现了进出的动态平衡，库料位与流动性将保持不变。高库位时，库底流动性较低，中库位时流动性居中，低库位时则因高落差进料冲击易造成全激发为高压全液化料，使库底出口处粉料压力必然上升到最高，易导致出料流量猛增而失控冲出。

    根据以上分析，为了获得稳定的流动性和控制特性，显然，在生产过程中应尽可能选择3，且保持库位在中部，所以在实际连续生产中应根据工艺的最佳出料流量设计选择稍大的进料量，而不是较大的冗余进量匹配。

    九、粉库运行的不同实际工作方式

    1、同时连续进料和卸料方式

    粉料从前道工序持续输送来（如粉磨），经提升机从顶部打入库内，而库底保持定流量出料，如此形成了持续动态运行的情况。其中：进料与出料流量大体相等，宜保持在中仓位。

    2、周期性快速进料和连续慢卸料方式

    实际生产中常存在这样的工况：粉料从远处用罐车运送来，快速从顶部泵入库内，而库底保持持续定流量出料；或者前道工序（如粉磨）匹配的供料量偏大， 库满后必然停止进料较长时间，此后时库底保持静态流量出料，等料空库位较低时再进料，如此形成了周期性动态与静态运行的交替情况。其中：

    动态情况往往在料  空库位较低时进行，刚进料阶段易处于最危险的全激发高压状态，极易对出料控制产生冲击波动干扰；库位升高到一定位置后才会使库底流动性逐步下降稳定，直到库内灌满。

    静态情况则只出不进，随料位从高到低，库底流动性从较低流动性逐步变为较高  动性；特别是最后接近库底空仓时，因堆积角与边壁存料固性高，易产生不规则挂壁拱架与垮塌，从而形成密度与流流量的大幅波动情况。
         
    3、分别进料和卸料方式

    实际生产中也存在这样的工况：粉料从远处用罐车运送来，快速从顶部泵入库内，入料时不卸料。而在不进料时库底保持静态流量出料，如此形成了周期性静态进出运行的交替情况。其中：

    料空库位较低时进料，由于不卸料，可避开动态产生冲击波动干扰；满仓后则只出不进，随料位从高到低，库底流动性从较低流动性逐步变为较高流动性；特别是最后接近库底空仓时，因堆积角与边壁存料固性高，易产生不规则挂壁拱架与垮塌，从而形成密度与料流量的大幅波动情况。

    此方式工作效率较低，一般只适合不需连续生产情况的工艺使用。

    十、采用库底气动卸料时的流动性演变与力学传导特征

    由于自然卸料必然产生严重的拱塞欠断料，现实中人们常采用库底外加高压空气的方法来处理欠断料问题，其中分三种方式：

    1、简单方式

    仅在大锥度(如55度以上)库出口内上部1-2米高处外壁接入2-8根高压气管，工作时周期性短时控制吹入200-600千帕（0.2-0.6Mpa）的压缩空气。
此方式仅适用于小流量小库容，底库位中低料压情况，形成周期性流动性脉动衰减变化；若用于大库容高料位，则因库口上方固性太高，高压气将在库内形成空洞穹拱阻塞后，空气能量向下从卸料控制装置中吹出却不来料，一旦空洞垮塌又会引发高动能气固混合冲击。

    2、普通方式    
   
    直接采用低锥度平底库设计，在库底铺设环型空气斜槽阵，采用萝茨风机持续强制吹入中压(20-60千帕)的高压空气，常见分6或8组周期性循环切换出1路的扫描吹气工作方式。

    此方式适用于中库容底库位中低料压情况，通过持续气化将高固态料吹变为高流态料，形成压力相对大且稳定的供料；若用于大库高料位，则因库口上方饱和固性层太厚，高压气只能将在气口附近形成空洞穹拱，结果使空气能量向下从卸料控制装置中吹出却不来料，一旦空洞垮塌又会引发高动能气固混合冲击。

    3、复杂方式
         
    在2的基础增加了专用小型称重缓冲仓设计，由大库气动闸阀控制向小称重缓冲仓中卸料，通过仓重控制其料位稳定在一定的合理范围，再在该缓冲仓底铺设环型空气卸槽阵。采用萝茨风机持续强制吹入中压(20-60千帕)的高压空气，使该小仓内的粉料全部均化稳定在一定的压力与密度条件下，流动性保持在高流态或饱和流态上，再用组合闸阀加冲板流量计或密封皮带称计量控制卸放，通过对缓冲仓的容重料位检测，实现对缓冲仓容重的动态稳定平衡，从而使缓冲仓的压力与密度保持稳定，进而保障其出口的卸料控制装置处于稳定的工作条件下，可用于大库容高库位压情况。理论上控制效果要比方式2好很多 ， 但此方式比2方式的建造与运行维护成本大幅提升，且仅适用于新建仓储系统，对已建方式2的大库根本无空间进行缓冲仓增加。

    其中，2、3方式因库内底部存在大量管路，长期运行后空气中水份在气粉接合部会产生水凝结沉积板结，累积形成水硬性阻塞，最后必须彻底停产进行人工清除维护。另外，由于需持续通电吹气以维持稳定的流动性，卸料运行能耗很高。再者，2、3方式处于中高库位工作时，其大库底部料的流动性必然处于 级别5或4的高固态，强制吹入空气后不易形成稳定的饱和流态，且必然吹空库底排气口局部空间形成空洞群，最终在大库底部内必然形成不规则周期性空洞垮塌性下陷冲击，进一步扩大出料波动性。

    十一、理想的动态下卸时流动性分布与力学传导特征

    根据上述分析，显然理想的卸料系统的流动性特征目标应如下：

    1、从进料到出料要全面合理的动态平衡料容(料位)位设计范围，避免共用同一库进行大范围的供料流量切换。

    2、流动性保持在2、3的中间级别时，即半流态和中流态时对后续控制有利，要有目的地防止流动性向过低(0、1级别)和过高(4、5级别)方向发展变化，如此使内部有利于整体流的形成，从而对卸料装置的稳定控制特性有利。

    3、应根据工作流量和工作方式来设计合理的库容尺寸，尽可能使生产时的库位动态变化范围处于有利的条件下。

  
    当库内实现整体流下卸时，若粉体流动性保持在级别2、3的半流动性平衡上，则库内力学分布呈动态拱连续小幅垮塌，全部料重力通过拱架传递到库环壁上，最终落实在库底外环锥的支撑上，而库底出口中心料压保持在较低水平，如15kpa以下。

    十二、结论

    通过上述分析与论述，发现粉体在卸料系统过程中的流动性分布是个极其复杂的动态变化平衡过程，含气量是影响流动性的关键内因，但实际生产过程中诸多要素（如运行方式、库容尺寸、料位、进与出流量比关系等）的变化都会引发流动性的不同变化，又相互作用。如果不深刻认识其演变的本质原因和规律，就很难彻底从根本上解决其流量的稳定控制问题。