王永英，楊 石

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 10013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 10013)

0 前 言

在鍋爐、采礦、化工、電力、冶金等眾多工業(yè)領(lǐng)域，煤粉儲存是必不可少的工藝環(huán)節(jié)，其不僅具備儲放煤粉的功能，同時也使不同功能的工藝設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)貫通，形成統(tǒng)一的整體。然而在實際生產(chǎn)中，倉內(nèi)的煤粉經(jīng)常會出現(xiàn)下料不暢、堵塞等情況，影響正常的生產(chǎn)運行，甚至可能誘發(fā)安全生產(chǎn)事故。

為了提高倉內(nèi)煤粉的流動性、緩解下料不暢和堵塞的情況，早期采用人工敲擊、高壓水沖洗、人工進倉卸料等原始措施，其效果不佳，且存在嚴重的安全隱患[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，大量煤粉倉助流技術(shù)應(yīng)運而生，此技術(shù)大幅降低了倉內(nèi)助流、清堵工作的難度和工作量。但與此同時，各種不同工作原理、不同適用范圍的助流技術(shù)出現(xiàn)，也給用戶如何選擇適合的技術(shù)帶來困擾。

以下從倉內(nèi)煤粉宏觀流動行為的層面分析了煤粉流動差、下料不暢的原因，并梳理目前常見煤粉助流技術(shù)的工作原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，最后分析比較各種助流措施的技術(shù)特點，以期能為工業(yè)界處理倉內(nèi)煤粉流動不暢問題提供參考。

1 倉內(nèi)煤粉宏觀流動行為

由于粉體本身復(fù)雜的顆粒材料靜力學(xué)和動力學(xué)特性，倉內(nèi)煤粉并不像液體般流動，而是在重力和顆粒間凝聚、摩擦共同作用并在煤倉因素制約下進行團聚、碰撞、滾動、滑動及沉降。在各種內(nèi)外部條件的共同影響下，倉內(nèi)煤粉宏觀流動可能出現(xiàn)中心流和整體流該2種流動型態(tài)。中心流型態(tài)又可細分為漏斗流、管狀流，其處于整體流型態(tài)下，煤粉下料均勻，先入倉的煤粉率先流出;而處于中心流型態(tài)下僅部分煤粉流動，其余煤粉在邊壁滯留形成死角。邊壁流動死角內(nèi)的煤粉可能出現(xiàn)隨機塌縮、噴動的情況[2]，導(dǎo)致下料流率波動劇烈、間歇性下料等問題的發(fā)生。倉內(nèi)煤粉流動型態(tài)如圖1所示。

圖1 倉內(nèi)煤粉流動型態(tài)

隨倉中煤粉自中心流動型態(tài)進一步惡化，則會在倉內(nèi)煤粉倉下部出現(xiàn)堵塞結(jié)拱。按照生成機理，在煤粉倉下部堵塞結(jié)拱可以分為以下4種[3]:①倉內(nèi)壓力作用導(dǎo)致粉體固結(jié)強度增加而引起的壓縮拱;②粉體中不規(guī)則顆粒、大顆粒、團聚物互相咬合形成的楔形拱;③由于粉體顆粒間靜電力及吸水導(dǎo)致粉體黏附而形成的黏結(jié)黏附拱;④漏入煤倉的氣體與煤粉形成受力平衡而引起的氣壓平衡拱。實際生產(chǎn)中的結(jié)拱通常為上述4種結(jié)拱形式的混合體。一旦倉內(nèi)煤粉結(jié)拱、架橋，輕則出現(xiàn)下料流率波動嚴重、間歇性下料，重則出現(xiàn)完全斷料的情況。倉內(nèi)結(jié)拱類型如圖2所示。

圖2 倉內(nèi)結(jié)拱類型

由上述分析可知，倉內(nèi)煤粉宏觀流動行為可分為下料順暢的整體流型態(tài)、下料不暢的中心流型態(tài)以及難以下料的結(jié)拱堵塞狀態(tài)。煤粉倉下料不暢甚至斷料情況出現(xiàn)的原因，正是倉中煤粉流動處于中心流或者結(jié)拱堵塞狀態(tài)。因此，目前所有倉內(nèi)采取煤粉助流措施的出發(fā)點均集中在改善煤粉流動型態(tài)和清堵破拱2個方面。

2 提高粉體流動性措施

倉內(nèi)煤粉的宏觀流動行為是由煤粉物性、煤倉結(jié)構(gòu)等因素綜合作用的結(jié)果?？蓪F(xiàn)有煤粉助流措施分為三大類:

(1)通過調(diào)節(jié)煤粉物性，提高其自身流動性;

(2)通過優(yōu)化煤倉結(jié)構(gòu)、材質(zhì)，改善煤粉宏觀流動行為;

(3)通過施加外部激勵，促進煤粉流動。

第一類措施是通過改變煤粉流動的內(nèi)部決定性因素即粉體物性以改善其流動行為;第二類措施是通過改變煤粉流動的外部限制性因素以改善其流動行為;該兩類措施的主要目的均為改善煤粉流動的型態(tài)以實現(xiàn)助流目的。第三類措施是對倉、粉系統(tǒng)施加外部激勵，清堵破拱，從而實現(xiàn)助流目的。

2.1 調(diào)節(jié)煤粉物性

煤粉種類、粒度、含濕量、球形度等物性對煤粉流動性均有顯著影響。在實際生產(chǎn)中，煤粉種類是根據(jù)工藝要求選定，提高煤粉球形度的技術(shù)要求高。因此大多通過調(diào)節(jié)煤粉粒度和降低含濕量來提高煤粉流動性。

2.1.1煤粉粒度

隨著煤粉粒度的減小，顆粒間黏聚力與自身質(zhì)量的比值增大，煤粉流動性變差，顆粒團聚和結(jié)拱堵塞的幾率增大。Staniforth[4]和Seville[5]等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粒徑小于100 μm時，顆粒間的黏聚力與重力相當(dāng)，流動性開始變差。當(dāng)粒徑小于10 μm時，顆粒間的黏聚力足夠抵抗重力而難以流動。對于寬篩分煤粉，當(dāng)細顆粒質(zhì)量比在0～1%范圍內(nèi)變化，內(nèi)聚力隨細顆粒含量增加而快速下降，粉體流動性變好。當(dāng)細顆粒含量超過1%后，內(nèi)聚力隨細顆粒含量增加而呈線性增長并達到峰值，粉體流動性不斷變差[6,7]。部分國內(nèi)學(xué)者對不同煤種、不同粒徑下煤粉休止角的測量數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D3所示，以此分析粒徑對休止角的影響。

圖3 粒徑對休止角的影響

由圖3可知，在其它物性給定條件下，隨著平均粒徑增大，煤粉休止角快速減小，即整體流動性快速提高。當(dāng)平均粒徑增大到一臨界值R后，煤粉休止角逐漸趨于穩(wěn)定，可近似認為:此時煤粉流動性隨粒徑的增大，變化不明顯。根據(jù)圖3所列數(shù)據(jù)，不同物性煤粉臨界粒徑R不同，但主要集中在100 μm～200 μm。

2.1.2煤粉含濕量

影響煤粉流動性的水分是外水。外水在煤粉顆粒中主要有3種存在形式:表面吸附水、毛細管水以及薄膜水。吸附水能夠?qū)е旅悍垲w粒之間形成液橋，而毛細管水使粉體間形成負壓，二者的共同作用導(dǎo)致了煤粉顆粒的團聚，使煤粉的流動性變差。當(dāng)水分增大達到煤粉臨界水含量后，以薄膜水形式存在的外水又起到潤滑作用，使粉體的流動性變好。雖外水的存在有利于煤粉在煤倉壁面的滑動，且可消除靜電力，但從整體上看，含濕量增大，煤粉流動性變差[8,9]。外水對粉體流動性的影響如圖4所示。部分國內(nèi)學(xué)者對不同煤種、不同外水含量下，煤粉休止角的測量數(shù)據(jù)匯總于圖4，以此分析外水對休止角的影響。

圖4 外水對休止角的影響

由圖4可知，在其它物性給定條件下，隨著外水含量增大(均未達到臨界含水量)，大部分煤粉休止角均呈現(xiàn)增長趨勢，即整體流動性降低。

2.1.3添加助流劑

在煤粉中添加適量助流劑可顯著改善煤粉流動性能。適合添加在煤粉中的常見助流劑主要為滑石粉、硅膠粉等無機物。其作用機制是消除煤粉顆粒間靜電及吸附于粉體顆粒表面以降低顆粒表面的粗糙性，從而降低顆粒間摩擦力、改善粉體流動性能[10,11]。當(dāng)此類助流劑摻入量小于2%時，隨摻入量增加，煤粉休止角與崩潰角的減小趨勢顯著。當(dāng)摻入量大于3%后，煤粉休止角與崩潰角的變化趨勢不再明顯。

近年來，有學(xué)者研究了添加生物質(zhì)對改善煤粉流動性的影響。Guo[12]、郭志國[13]等發(fā)現(xiàn)由于“針狀顆粒效應(yīng)”的作用，向煤粉中添加生物質(zhì)粉(生物質(zhì)質(zhì)量比在25%以內(nèi))可顯著提高煤粉的流動性。Mohammad[15]發(fā)現(xiàn)煤粉和生物質(zhì)混合物的流動特性與所用生物質(zhì)的物理形成有很大關(guān)系。在煤粉中添加鋸末可以降低混合物的內(nèi)聚力，因此可降低粉體堵塞的發(fā)生幾率。而在煤粉中加入木片、稻草等生物質(zhì)，卻降低了煤粉的流動性。

除上述兩類助流劑外，也有在煤粉中加入特制泡沫狀化學(xué)藥劑，改善煤粉流動性的報道[14]。但文獻并未公開化學(xué)藥劑助流劑的配方。

采用添加助流劑的方式改善粉體的流動行為，需根據(jù)實際生產(chǎn)工藝以評估添加劑對后續(xù)工序的影響。比如在采礦行業(yè)中，不涉及燃燒或其它化學(xué)反應(yīng)，添加助流劑對后續(xù)工藝無不利影響。但對于電力行業(yè)中粉煤鍋爐，加入滑石粉、硅膠粉等助流劑會增加燃料的灰分、降低燃料熱值，即易降低鍋爐的效率及增加結(jié)渣風(fēng)險。而加入生物質(zhì)粉則可降低燃料的灰分及增加揮發(fā)分，促進煤粉燃燒，提高鍋爐效率。

根據(jù)上述分析可知，用戶可在滿足工藝要求的前提下通過適當(dāng)增大煤粉粒徑、控制含濕量、添加合適的助流劑等手段調(diào)節(jié)煤粉物性及提高其流動性。

2.2 優(yōu)化煤粉倉結(jié)構(gòu)、材質(zhì)

煤粉倉的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)是影響煤粉流動宏觀行為的外部條件，也是影響其流動行為的重要因素?？赏ㄟ^優(yōu)化粉倉結(jié)構(gòu)及選用適合材質(zhì)以實現(xiàn)改善煤粉宏觀流動行為的目的。

2.2.1煤粉倉結(jié)構(gòu)

(1)半頂角與卸料口尺寸。Jenike[16]的研究表明:其它條件給定，隨著半頂角的減小，粉體流動型態(tài)逐漸從中心流變化到整體流，流動行為得到改善。半頂角越小，煤粉下料流率越大。煤倉卸料口尺寸越小，煤倉底部結(jié)拱越嚴重。當(dāng)卸料口增大，倉內(nèi)煤粉流動型態(tài)有從中心流向整體流轉(zhuǎn)變的趨勢。設(shè)計人員確定煤倉半頂角與卸料口尺寸時，在符合設(shè)計規(guī)范、標準的前提下，可適當(dāng)縮小半頂角、增加卸料口尺寸以達改善煤粉宏觀流動行為的目的。

(2)雙曲線煤倉。傳統(tǒng)錐型煤倉下料不暢的重要原因之一為煤粉流通截面積收縮率沿下料方向急劇增大。若將煤粉倉建成雙曲線型的結(jié)構(gòu)，保證截面積收縮率為常值，可顯著改善粉體宏觀流動行為[17]。雙曲線煤倉的加工難度和制造成本明顯高于傳統(tǒng)煤倉。

(3)設(shè)置改流體。在煤粉倉內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置適當(dāng)形狀、尺寸的改流體，可改善煤粉的流動行為。常用的改流體形式包括水平擋板、垂直擋板、傾斜擋板、倒錐體、雙錐體等形式[18]，但目前尚缺乏改流體改變粉體流動及倉內(nèi)應(yīng)力場的成熟理論及模型，因此使用改流體幾乎完全依靠經(jīng)驗，使用改流體致使倉壁過載而發(fā)生事故的情況時有發(fā)生，從而限制改流體的廣泛應(yīng)用。此外，針對某種物性煤粉所設(shè)計的改流體，對其它煤粉未必起到助流作用，甚至?xí)蛊淞鲃訝顟B(tài)進一步惡化。設(shè)置改流體助流如圖5所示。

圖5 設(shè)置改流體助流

2.2.2煤粉倉材質(zhì)

如前所述，只有半頂角足夠小，才能使煤粉處于整體流型態(tài)。例如對于圓錐煤粉倉，整體流最大半頂角為:

(1)

式中，a為煤粉倉半頂角，φ為壁面摩擦角，δ為煤粉有效內(nèi)摩擦角。

由式(1)可見，煤粉倉能否處于整體流型，與煤粉壁面摩擦角有關(guān)。所以選用摩擦角小的材質(zhì)作為煤粉倉壁面材質(zhì)，可以改善煤粉的宏觀流動行為。在常見的煤粉倉材質(zhì)或內(nèi)襯中，煤粉與聚四氟乙烯(內(nèi)襯)及鋁合金的壁面摩擦角普遍要比與不銹鋼、碳鋼的壁面摩擦角小4～5[19]。當(dāng)然在選擇煤粉倉材質(zhì)時，還要根據(jù)材料強度、耐用性、材料成本、加工成本等因素綜合考量。

根據(jù)上述分析可知，合理的選擇煤倉結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，可有效地改善煤粉宏觀流動行為。用戶可根據(jù)自身工程和儲存煤粉的實際情況，通過優(yōu)化煤倉設(shè)計以達助流目的。料倉結(jié)構(gòu)對煤粉物性的適應(yīng)具有唯一性，因而針對某種物性煤粉所設(shè)計的料倉結(jié)構(gòu)，未必能有效改善其它物性煤粉的流動行為。因此，優(yōu)化料倉結(jié)構(gòu)的助流措施不一定適用于儲存不固定種類煤粉的煤倉。

2.3 施加外部激勵

2.3.1倉內(nèi)通氣

倉內(nèi)通氣助流包括局部通氣、空氣炮和平面通氣，如圖6所示。

(1)局部通氣。在有限規(guī)定空間內(nèi)向煤粉充氣，并不能流化整個空間內(nèi)的物料，因此局部通氣系統(tǒng)適用于煤粉快速運作和半頂角小的煤粉倉。在整個下料過程中氣體不停地供給，空氣只能在一定范圍內(nèi)流動，故通氣管一般都安裝在料倉出料口的附近。目前應(yīng)用較多的局部通氣技術(shù)中，將振動墊安裝在倉內(nèi)噴氣口上，在壓縮空氣作用下振動墊產(chǎn)生高頻振動。振動墊的振動與空氣噴吹共同對結(jié)拱產(chǎn)生破壞力。該技術(shù)適用于容積較小、快速卸料的煤倉。

(2)空氣炮?？諝馀谕ㄟ^脈沖推動向倉內(nèi)瞬時提供大量高壓、高速氣體，產(chǎn)生的沖擊力使結(jié)拱的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞?？諝馀诘臍怏w在煤粉中球狀擴散，范圍比局部通氣更廣。

圖6 倉內(nèi)通氣助流

空氣壓力一般為0.4 MPa～0.8 MPa。空氣炮助流技術(shù)若使用不當(dāng)，其瞬間釋放的高壓空氣會將倉內(nèi)煤粉壓實、增大結(jié)拱幾率，反而使煤粉流動行為惡化。

(3)平面通氣。平面通氣是將氣體通過多孔物質(zhì)送入煤粉倉，對通過其表面的煤粉進行流化。常見平面通氣的通氣區(qū)域設(shè)在煤粉倉錐部，占整個煤粉倉底部面積的20%～30%，可保證95%以上的煤粉順利下料[20]。平面通氣最大程度的對倉內(nèi)煤粉進行通氣，適用于大頂角和直徑超過3.5 m的煤粉倉。

2.3.2機械式助流

(1)振動助流。振動助流如圖7所示，其主要分為2種類型:倉外振動和倉內(nèi)振動。倉外振動是通過外部設(shè)備對倉壁施加非周期性激振，減小煤粉間的凝聚力和煤粉與倉壁間的黏附，促進流動。倉內(nèi)振動是在煤粉倉內(nèi)部設(shè)置振動裝置，通過振動破壞煤粉結(jié)拱結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)助流。振動助流安裝簡單、價格便宜。對于含濕量高的煤粉，非周期振動反而會將煤粉振實，使流動行為惡化，因而更適合于含濕量低的煤粉。

(2)攪拌、刮片助流。在煤粉倉內(nèi)安裝攪拌設(shè)備，可明顯改善煤粉宏觀流動行為。但攪拌設(shè)備與粉倉間的動密封一直未得到圓滿解決。宋國良[21]等基于磁超距耦合傳動原理，開發(fā)了1種新型密封攪拌裝置，實現(xiàn)了改善煤粉流動和粉體零泄漏的效果。陳立新等[22]設(shè)計了利用搖桿運動將煤粉結(jié)拱破壞的機構(gòu)。但攪拌、刮片技術(shù)還沒有工程實際的案例。

圖7 振動助流

2.3.3聲波助流

聲波助流的原理是使壓縮空氣流經(jīng)聲波發(fā)生組件，產(chǎn)生交變聲波，從而使倉內(nèi)煤粉同步振動，抵消煤粉顆粒間的黏聚力，達到破拱和助流的目的。聲波作用于煤粉，可使煤粉中部分水分釋放。該技術(shù)流安全可靠、作用范圍大[22]。

3 助流技術(shù)的比較

各助流技術(shù)措施的適用階段、適用范圍以及需注意的問題見表1。

表1 助流技術(shù)比較

由表1可見，現(xiàn)有的單項助流技術(shù)均具有一定的局限和適用范圍。因此很多廠家和用戶選擇2種或2種以上助流技術(shù)加以集成，形成了助流效果更好、適用范圍更廣的新型助流技術(shù)。倉內(nèi)通氣與機械破拱助流技術(shù)相結(jié)合，將改流體與倉內(nèi)通氣技術(shù)相結(jié)合，局部通氣與平面通氣相結(jié)合的集成技術(shù)比較常見。

4 結(jié) 論

以上介紹了改善倉內(nèi)煤粉流動行為的主要技術(shù)措施?，F(xiàn)有的技術(shù)措施按照工作機制可分為調(diào)節(jié)煤粉物性、優(yōu)化煤倉結(jié)構(gòu)與材質(zhì)、施加外部激勵3個大類。調(diào)節(jié)煤粉物性的措施主要應(yīng)用在煤粉加工、采購階段，優(yōu)化煤倉結(jié)構(gòu)與材質(zhì)主要應(yīng)用于煤倉設(shè)計階段，施加外部激勵主要應(yīng)用于煤倉設(shè)計和后期的升級改造階段。各種助流措施均有一定局限和適用范圍，因此將幾種助流技術(shù)集成，可產(chǎn)生更好的助流效果并擴大適用范圍。助流技術(shù)措施的實施可為用戶處理倉內(nèi)煤粉下料不暢、堵塞問題提供操作依據(jù);由于各項目的現(xiàn)場條件存在較大差異，因此用戶應(yīng)根據(jù)自身實際情況選擇適合的助流技術(shù)措施。