何 海 軍

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

近年，工業(yè)煤粉鍋爐逐漸被市場所認(rèn)可，煤粉多采用集中制備、遠(yuǎn)程運(yùn)輸?shù)姆绞?，通過罐車可滿足煤粉運(yùn)輸過程中的密閉清潔要求，但隨著運(yùn)輸距離增加，運(yùn)輸成本已逐漸成為影響工業(yè)煤粉鍋爐產(chǎn)業(yè)推廣的因素之一[1-3]。隨著噸袋拆包技術(shù)的發(fā)展與成熟，噸袋拆包裝置在石油、化工、塑料、碳黑、礦業(yè)、食品添加劑、水泥等行業(yè)中廣泛使用[4]。為提高運(yùn)行效益，降低燃料運(yùn)輸成本，解決用戶的實(shí)際燃料需求問題，噸袋拆包裝置將成為突破工業(yè)煤粉鍋爐發(fā)展瓶頸的重要技術(shù)措施之一。

噸袋拆包裝置是1種非標(biāo)設(shè)備，主要用于1 000 kg左右的大袋物料(也叫噸袋)拆包工作。噸袋拆包方式主要有人工拆袋、電熱熔融自動(dòng)拆包、十字刀自動(dòng)拆包和電動(dòng)刀盤自動(dòng)切割技術(shù)，噸袋起吊均通過電動(dòng)葫蘆實(shí)現(xiàn)，人工拆袋在露天條件下操作，揚(yáng)塵問題嚴(yán)重；而自動(dòng)拆包能夠在密閉空間完成，減少粉塵污染[5-8]。為了不破壞噸袋，實(shí)現(xiàn)其重復(fù)使用，張贊[9]設(shè)計(jì)了通過框架、上托盤、下托盤和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，將粉體傾倒于下料斗中的噸袋拆包裝置，但其僅適用于入料口為全敞口的普通噸袋，且拆包速度低。袁為新[10]對小型袋的拆包裝置和拆包過程作了詳細(xì)分析[10]，馬佳和封冰[11-12]通過電鋸主動(dòng)切割方式、三刀強(qiáng)振拆方式和模塊化方法小型拆包方式等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆包，但會殘留少量物料，且存在揚(yáng)塵問題[11-12]。為了解決揚(yáng)塵問題，拆包機(jī)采用四周密封和增設(shè)除塵裝置，配合螺旋輸送機(jī)輸送粉體[13-14]，通過輸送轉(zhuǎn)向裝置能夠提高噸包袋輸送線包裝定量值和包裝能力[15]，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆包和輸送。

基于以上學(xué)者對粉體拆包裝置的研究，針對煤粉長距離運(yùn)輸成本和安全問題，筆者提出了十字刀自動(dòng)拆包和全敞口自動(dòng)解袋2種煤粉噸袋自動(dòng)拆包工藝方案，并搭建了煤粉噸袋拆包裝置試驗(yàn)臺，分析對比了2種自動(dòng)拆包裝置的性能及技術(shù)特點(diǎn)。

1 煤粉噸袋拆包裝置工藝

1.1 噸袋結(jié)構(gòu)

噸袋分類多種多樣，根據(jù)形狀可分為圓形和方形2種；根據(jù)出料口可分為平底、小口和全敞口3種；根據(jù)起吊方式可分為側(cè)吊、角吊和兜底3種；此外還有平布、雙經(jīng)布、拉筋、涂膜、覆膜、單層袋、多層袋等，雖有國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 10454—2000)規(guī)定了噸袋結(jié)構(gòu)，但仍難以完全涵蓋噸袋的所有結(jié)構(gòu)，噸袋的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噸袋的具體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of ton bags

運(yùn)輸過程中，結(jié)合車輛尺寸和運(yùn)輸要求，煤粉噸袋采用長0.95 m×寬0.95 m×高1.5 m(圓形噸袋直徑0.95 m，方形噸袋邊長0.95 m)規(guī)格，能夠?qū)崿F(xiàn)單車運(yùn)送量最大，而該規(guī)格尺寸的噸袋在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用也較多。方形噸袋較圓形噸袋空間利用率更高；但圓形噸袋縫制難度略高于方形噸袋，導(dǎo)致其價(jià)格高于方形噸袋。

綜合上述因素，為增加車輛單次煤粉運(yùn)輸量并考慮噸袋采購成本，方形噸袋更加適合煤粉運(yùn)輸，較圓形噸袋更具優(yōu)勢。

1.2 噸袋形式

噸袋形式分為3種：普通噸袋、鍍膜噸袋和內(nèi)襯噸袋。普通噸袋不具備防潮和隔絕空氣能力，不適合裝載煤粉。內(nèi)襯噸袋是在普通噸袋的內(nèi)部新增圓形聚乙烯膜(直徑大于噸袋邊長)，內(nèi)膜厚度可以調(diào)節(jié)，其防潮和隔絕空氣性能最好，能夠有效防止煤粉在存儲和運(yùn)輸過程中發(fā)生自燃。鍍膜噸袋材質(zhì)通過熱壓工藝在噸袋表面鍍一層聚乙烯膜，厚度小于內(nèi)襯噸袋內(nèi)膜，其防潮和隔絕空氣性能介于普通噸袋和內(nèi)襯噸袋之間。

長距離運(yùn)輸和長時(shí)間存儲過程中，煤粉極易發(fā)生自燃，必須絕對隔絕空氣，基于此，內(nèi)襯噸袋是煤粉運(yùn)輸和存儲的首要選擇。

1.3 拆包方案

針對煤粉細(xì)度低、流動(dòng)性相對較差、休止角較高、易燃易爆等特性，可通過機(jī)械方式將噸袋內(nèi)粉體全部卸出，但該方式必須解決揚(yáng)塵、拆包速率和運(yùn)行穩(wěn)定等問題，筆者提出了2種拆包方案：分別為十字刀自動(dòng)拆包和全敞口自動(dòng)解袋，并進(jìn)行拆包裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，對比分析2種拆包方案的特點(diǎn)。

根據(jù)十字刀自動(dòng)拆包和全敞口自動(dòng)解袋2種拆包方案，煤粉噸袋到廠后，將煤粉送至煤粉塔內(nèi)的工藝流程如圖2和圖3所示。

圖2 十字刀自動(dòng)拆包工藝流程Fig.2 Flow chart of automatic unpacking process of cross knife

圖3 全敞口自動(dòng)解袋工藝流程Fig.3 Process flow chart of fully open automatic bag unpacking

十字刀自動(dòng)拆包過程中掛袋和收集噸袋工藝需由人工完成，其他工藝全部由機(jī)械實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化程度高；而全敞口自動(dòng)解袋過程中，除掛袋和收集噸袋需人工完成外，夾繩工藝也需人工，自動(dòng)化程度略低于十字刀自動(dòng)拆包，但其拆包速率高于十字刀自動(dòng)拆包。

2 煤粉噸袋拆包裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

噸袋拆包裝置整體尺寸長2 m×寬2 m×高9 m，選擇倉泵式正壓輸送系統(tǒng)。噸袋拆包裝置整體布置如圖4所示。

圖4 噸袋拆包裝置整體布置Fig.4 Overall layout of the ton bag unpacking device

工作過程中，煤粉噸袋由電動(dòng)葫蘆吊起后，送到拆包裝置箱體內(nèi)，在全密閉環(huán)境下完成粉體卸料，且箱體內(nèi)增設(shè)除塵器，解決粉塵外溢問題。同時(shí)拆包裝置設(shè)置有自動(dòng)拍打裝置，減少噸袋外表面附著的粉塵。整個(gè)過程均為自動(dòng)化和一鍵式操作(除掛袋、夾繩和取袋)，通過光電感應(yīng)開關(guān)和代碼編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2 拆包方式

2.2.1十字刀自動(dòng)拆包

在噸袋拆包裝置箱體內(nèi)裝設(shè)十字刀具，噸袋選用方形平底內(nèi)襯袋，拆包過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，平底袋結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 平底袋結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure diagram of flat bottom bag

十字刀具選用合金鋼材質(zhì)，能夠克服十字刀具的磨損和斷裂問題，針對拆包裝置和噸袋尺寸，提出3種十字刀具，如圖6所示。

圖6 3種尺寸十字刀具平面Fig.6 Plan view of three sizes of cross cutters

2.2.2全敞口自動(dòng)解袋

噸袋采用方形全敞口內(nèi)襯袋，解袋由機(jī)器手自動(dòng)完成。噸袋卸料無死角，煤粉可全部快速落下，拆包過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)操作穩(wěn)定，全敞口袋結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 全敞口袋結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure diagram of full open pocket

噸袋經(jīng)電動(dòng)葫蘆吊起后即開啟橫向移動(dòng)，到達(dá)拆包裝置前門時(shí)采取人工夾繩，使噸袋進(jìn)入拆包裝置箱體后，拆包裝置前門自動(dòng)關(guān)閉，啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，快速解開尼龍繩，煤粉全部下落，卷揚(yáng)機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械手原位，拆包結(jié)束。全敞口自動(dòng)解袋流程如圖8所示。

圖8 全敞口自動(dòng)解袋流程Fig.8 Flowchart of automatic unpacking with full opening

3 噸袋拆包裝置試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過調(diào)整噸袋拆包裝置的拆包結(jié)構(gòu)，完成十字刀自動(dòng)拆包裝置和全敞口自動(dòng)解袋裝置的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，噸袋拆包裝置樣機(jī)如圖9所示。

圖9 噸袋拆包裝置樣機(jī)外觀Fig.9 Appearance of the prototype of the ton bag unpacking device

3.1 十字刀自動(dòng)拆包試驗(yàn)

十字刀自動(dòng)拆包試驗(yàn)全部采用方形平底內(nèi)襯袋結(jié)構(gòu)形式，尺寸：長為0.95 m×寬0.95 m×高1.5 m，平底袋實(shí)物如圖10所示。

圖10 平底袋實(shí)物Fig.10 Physical map of flat bottom bag

為實(shí)際模擬拆包情況，試驗(yàn)現(xiàn)場采購煤粉3 t，煤粉重復(fù)循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)共拆平底袋200條，平底袋參數(shù)見表1。

表1 平底袋噸袋參數(shù)表Table 1 Parameter table of flat bottom bag ton bag

通過現(xiàn)場十字刀自動(dòng)拆包試驗(yàn)，對比不同厚度的平底袋基布和內(nèi)膜使用情況，分析十字刀自動(dòng)拆包試驗(yàn)效果，得到結(jié)果如下:

(1)十字刀自動(dòng)拆包工藝可行，基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，現(xiàn)場環(huán)境良好。

(2)平底袋基布選用145 g/m2、150 g/m2和170 g/m2均可達(dá)到十字刀自動(dòng)拆包的強(qiáng)度要求，未出現(xiàn)基布破損情況。

(3)煤粉下落過程中，對噸袋四周產(chǎn)生摩擦力，易損壞內(nèi)膜。內(nèi)膜厚度為0.045 mm時(shí)破損情況較多；而內(nèi)膜厚度為0.05 mm和0.055 mm時(shí)基本未發(fā)生內(nèi)膜破損情況，因而建議內(nèi)膜厚度不小于0.05 mm。

(4)煤粉中易出現(xiàn)基布和內(nèi)膜碎屑，需增設(shè)過濾器。

(5)刀具選用寬度70 cm，高度75 cm，頂角角度50°，其拆包效果最佳。

3.2 全敞口自動(dòng)解袋試驗(yàn)

噸袋設(shè)計(jì)成全敞口形式(噸袋卸料口與入料口大小相當(dāng))，底部出料口通過尼龍繩綁扎實(shí)現(xiàn)扎口，卸料時(shí)拉拽尼龍繩，噸袋內(nèi)物料無死角下落，避免割袋和破袋，實(shí)現(xiàn)噸袋重復(fù)利用，全敞口袋實(shí)物如圖11所示。

圖11 全敞口袋實(shí)物圖Fig.11 Physical map of the full open pocket

全敞口自動(dòng)解袋試驗(yàn)拆袋350條，尺寸為長0.95 m×寬0.95 m×高1.5 m，全敞口袋參數(shù)詳見表2。

表2 全敞口袋參數(shù)表Table 2 Full open bag parameter table

通過全敞口自動(dòng)解袋試驗(yàn)，對比不同厚度的全敞口袋基布和內(nèi)膜使用情況，分析全敞口自動(dòng)解袋試驗(yàn)效果，得到結(jié)果如下：

(1)全敞口自動(dòng)解袋試驗(yàn)工藝可行，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)拆包，拆包效率高，速度快，現(xiàn)場環(huán)境良好。

(2)全敞口袋內(nèi)膜厚度為0.045 mm、0.05 mm和0.07 mm時(shí)，內(nèi)膜發(fā)生破損，甚至出現(xiàn)整個(gè)內(nèi)膜掉落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響拆包速度；而內(nèi)膜厚度為0.08 mm和0.1 mm時(shí)，內(nèi)膜基本未發(fā)生破損。

(3)全敞口袋基布要求較高，基布為145 g/m2和150 g/m2時(shí)，底部基布偶爾發(fā)生破損；而基布為170 g/m2、180 g/m2和195 g/m2時(shí)，底部基布基本未發(fā)生破損。

(4)全敞口袋內(nèi)膜如采用再生料，脆性變大，韌性減小，易發(fā)生內(nèi)膜破損情況。

3.3 2種拆包方案結(jié)果對比分析

通過十字刀自動(dòng)拆包和全敞口自動(dòng)解袋試驗(yàn)，以上2種方案均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆包，且拆包效率高，拆包速度快，現(xiàn)場環(huán)境良好。

(1)十字刀自動(dòng)拆包和全敞口自動(dòng)解袋對噸袋基布和內(nèi)膜的強(qiáng)度要求不同，平底袋底部基布屬于整體結(jié)構(gòu)，而全敞口袋底部是由方形基布沿對角線分為4塊，再通過尼龍繩捆扎，對基布強(qiáng)度要求比平底袋高；十字刀自動(dòng)拆包平底袋底部開口小，對內(nèi)膜的摩擦力小，而全敞口袋底部瞬間打開，對內(nèi)膜強(qiáng)度要求高于平底袋。

(2)全敞口自動(dòng)解袋下料更加快速，且揚(yáng)塵較小，但是需要人工夾繩，增加人工勞動(dòng)力；而十字刀自動(dòng)拆包開口小，粉體下落緩慢，揚(yáng)塵較大，卸料和控制揚(yáng)塵所需時(shí)間較長。

(3)全敞口自動(dòng)解袋無碎屑，而十字刀自動(dòng)拆包，煤粉中易出現(xiàn)碎屑。

(4)全敞口自動(dòng)解袋無需破包，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用；而十字刀自動(dòng)拆包，噸袋理論上無法重復(fù)使用。

(5)全敞口袋對運(yùn)輸要求相對較高，必須確保卸料口尼龍繩在裝卸、運(yùn)輸和倒運(yùn)過程中無松開現(xiàn)象，需額外增加鎖扣，否則會出現(xiàn)噸袋煤粉突然卸料。

4 結(jié) 論

(1)十字刀自動(dòng)拆包和全敞口自動(dòng)解袋在工藝上均可行，拆包效果良好，通過增設(shè)除塵器和拍打裝置，解決了揚(yáng)塵問題和噸袋基布外部附著粉體的問題，現(xiàn)場環(huán)境良好，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

(2)十字刀自動(dòng)拆包無需人工夾繩，操作更加便捷，但十字刀拆包卸料和控制揚(yáng)塵時(shí)間較長，拆包速度約14 t/h；全敞口自動(dòng)解袋需要人工夾繩，增加人工勞動(dòng)力和操作時(shí)間，但全敞口自動(dòng)解袋卸料和控制揚(yáng)塵時(shí)間短，拆包速度約16 t/h，十字刀自動(dòng)拆包的拆包速度比全敞口自動(dòng)解袋低12.5%。

(3)十字刀自動(dòng)拆包的十字刀具寬度70 cm，高度75 cm，頂角角度50°，拆包效果最佳。

(4)為確保噸袋拆包安全穩(wěn)定運(yùn)行，平底袋基布≥145 g/m2，內(nèi)膜厚度≥0.05 mm；而全敞口袋基布≥170 g/m2，內(nèi)膜厚度≥0.08 mm，平底袋對基布和內(nèi)膜強(qiáng)度要求低于全敞口袋。

(5)全敞口自動(dòng)解袋對比于十字刀自動(dòng)拆包，全敞口袋可實(shí)現(xiàn)噸袋的重復(fù)使用，綜合采購成本低，卸料快，揚(yáng)塵少，無碎屑，但對于裝卸、運(yùn)輸和倒運(yùn)的要求較高，因而全敞口自動(dòng)解袋更需嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。