水泥库出料难出空难原因分析及解决方案

水泥库出料难出空难原因分析及解决方案

湖北驰中机械装备有限公司   朱清明 朱 选

一、粉体物料筒仓储存概况

现代化工业大生产过程中，水泥及其他粉料加工企业生产规模越来越大，为了稳定生产、控制质量、调节销售，在生产中间过程及产品储存中均大量使用到大型筒仓，筒仓直径从几米~60 米以上，储量从几百吨~10万吨以上，水泥生产企业在利用筒仓储存水泥、粉煤灰、矿粉时出料难、出空难最为突出，经常出现架空不出料、漏斗流出料等现象（见图一、图二、图三、图四），同时卸空率普遍仅有50~70%，严重影响企业生产管理及产能发挥。

    图一 漏斗流出料                                图二 仓底架空不出料

图三 多孔仓出料现场                            图四 漏斗流出料现场

研究结果表明大型筒仓在储存水泥、粉煤灰、矿粉等粉体物料时，不同品种的粉体物料对固结的影响差别较小，因此为便于表述，故对水泥、粉煤灰、矿粉等粉体物料，下文统称粉体，对水泥库、粉煤灰库、矿粉库等统称为筒仓。

二、粉体流动特性及水泥厂原料和产品颗粒组成概况

粉体是固体颗粒的集合体，工业生产将各种矿物加工成粉体其目的是为计量、输送、混合及化学反应等提供更好的条件，随着追求化学反应效果等目的，粉体颗粒加工越来越细，导致粉体储存物性发生变化。粉体力学研究表明颗粒大小对粉体可压缩性和流动性产生较大影响，不同粒径对流动性影响如下。

粒径大于200μm   粉体的流动性--------很好；

粒径100~200μm   粉体的流动性--------一般；

粒径小于100μm   粉体的流动性--------较差；

粒径小于50μm   粉体的流动性--------很差；

粒径小于25μm   粉体的流动性--------极差。

三、水泥生产企业筒仓储存粉体影响卸空率的共性问题

笔者通过多年现场调研发现，水泥生产中不同品种的粉体物料，采用不同规格筒仓储存，由于储存时间长短和出料方式不同，会造成筒仓内积存的粉体数量出现较大变化，影响卸空率，现简介如下：

3.1粉体品种对卸空率的影响：

3.1.1、水泥储存时：42.5水泥及有特种要求生产的水泥，不易出库，内部积存固结料多；

3.1.2、粉煤灰储存时：I级灰及质量较好的原灰不易出库，内部积存固结料多；

3.1.3、矿粉储存时：不易出库，内部积存固结料多；

3.1.4、生料储存时：易出库，内部积存固结料较少，出现堵料几率较低。

通过对上述储存在筒仓中不同品种的粉体进行分析对比发现，颗粒越细出料越难，与前文中颗粒粒径与流动性的关系相符，与粉体品种关联不大。

3.2储存时间对卸空率的影响

大部分现场发现，相同品种的粉体，相同的储存条件，筒仓内静态储存时间越长，粉体越不易卸出，越易堵出料口，卸空率越低，越易出现偏库现象。

3.3出料方式对卸空率的影响

间断出料的筒仓易出现堵出料口、易偏库、且积存固结料多、卸空率低；连续生产、连续出料的筒仓不易堵出料口，筒仓内积存固结料量也较少。

3.4筒仓规格对卸空率的影响

筒仓直径及储料高度的影响：直径小于18m，储料高度25m以下的筒仓无法出空的料量为30%左右；直径大于18m，储料高度25m以上的筒仓无法出空的料量达30~50%；直径20m以上，储料高度25m以上的大型筒仓，如果有间断出料加冬储，无法出空的料量可达50~70%。

四、筒仓内粉体物料固结形成机理简析

粉体存在固体、液体、气体三种物态，粉体进入筒仓大多为液态、气态的混合状态，流动性好。筒仓直径较小时，储料高度较低，储料量也较少，连续生产粉体快进快出，粉体内部原有气体保留充分，粉体活性好，粉体不易固结，处于整体流状态出料，筒仓内积存固结料量也较少；筒仓直径加大后，储料高度加高，储料量增加，粉体不再快进快出，往往是入料量大于出料量或采取间断出料模式，储存在筒仓内的粉体滞留时间延长，粉体颗粒因粉体颗粒间存在间隙，颗粒出现受力不平衡发生运动，颗粒在重力的相互作用和颗粒间的粘附力、摩擦力、静电力作用下，粉体的物性发生改变，颗粒间气体不断排出，颗粒间距离缩小，颗粒出现重新排列、填充，颗粒发生变形啮合，粉体被压缩；温度变化又使粉体收缩，随着储存时间延长粉体不断发生叠层固结，固结强度不断增加，休止角发生改变，最终形成漏斗流出料（见图五）。例如冬储水泥的筒仓第二年出料时往往堵出料口，出料口清通后，上部又架空，架空解决后常常又出现漏斗流，漏斗流形成的流料休止角常常大于60°，仓壁处固结料位高度达15m，严重的达20m以上（见图五、图六）。大部分粉体筒仓一般3~5年（部分1~2年）底部便形成高强度的固结粉体（需要借助风镐清理），中部形成一定强度的固结粉体（需要借助铁锹清理），上部形成低活性固结料（强度不高仍需借助工具清理）。如果冬储+三年以上不清仓，卸空率往往只能达到50~70%。

五、现行针对粉体筒仓出料难、出空难采取的措施办法

为了解决筒仓储存粉体易固结、出料难、出空难的行业难题，目前采取的方法主要有：

5.1安装整体流设备：目的是使粉体出料时保持整体流状态，具备破除底部结拱能力，当筒仓较小、出料量大、连续出料时有一定效果，如果出料量小、间断出料，卸空率则会很低，对大直径筒仓效果较差。

5.2安装流化设备（充气箱、流化棒、充气板等）：安装有流化设备的粉体筒仓，底部粉体未固结时，流化气体对粉体的助流效果明显，当底部粉体固结后，往往气体走软不走硬，直接跑气，流化设备开启后气体大部分都浪费掉。

5.3 设计多廊道、多出料孔：筒仓直径加大后，为了提高卸空率，设计成多廊道、多出料口，存在的问题首先是造价提高了；二是廊道增加、输送通道延长、能耗增加；三是设备数量增加、系统复杂、故障率提高，四是出料循环周期加长，往往第一孔和最后一个孔出料相差多日，易出现出料口内部粉体固结，出料口堵塞，即便出料也是漏斗状出料，严重时多个出料口堵塞，导致大面积无法出料，有些大型筒仓二十几个下料口的卸空率就低于十几孔的卸空率（见图六）。

5.4 从5.1~5.3可知，筒仓设计、使用单位试图从筒仓结构及设备的角度解决这一难题，实际应用效果不好。为了解决出料难题又在清理上找办法，目前针对清理采取的措施主要有：

5.4.1、从仓顶伸入机械装置对仓壁、仓底固结料进行清理，但每次清理需要安装设备，需要人员入库配合清理，否则清理效果不好，设备安装难度大、清理耗时长。

5.4.2、从仓顶伸入气动打散装置对仓壁、仓底固结料进行清理，由于该设备在仓内为柔性调节，清理时对仓壁及堆高料有效果，对底部固结料效果很差，难以实现彻底清仓。

5.4.3、从仓顶伸入震动装置对仓壁、内部堆积料进行清理，该方法有一定的效果，但对底部固结料效果很差。

5.4.4、在仓壁安装空气炮，该方法对仓壁处不厚的堆积料有效果，但对下部厚料层及大仓中心料无效果，使用时振动负载对仓壁有影响，尤其是钢板仓。

5.5.5、仓壁（仓顶）开孔机械+人工入库清理，该方法可彻底清理筒仓，但清理耗时长、费用高、安全风险高。

图五 筒仓内部粉体叠加固结              图六多孔仓下料口堵塞

六、CZ-3高效清仓出料系统-长期有效解决出库难、出空难的技术方案

通过对粉体物性的研究分析，对比工程应用效果，笔者认为大型筒仓储存粉体物料，由于生产管理需要及市场因素的影响，大多数筒仓是需要间断出料和进行季节性储存的，粉体物料固有的物性使粉体在筒仓内出现固结是无法避免的，已经固结的粉体采用现有技术实现二次流化由固态转变为流态，自行流出筒仓的是难以实现的。CZ-3高效清仓出料系统的开发设计是针对筒仓实际使用的现状，通过对粉体及储存过程的深入研究，对现有技术措施及设备功效的对比分析，对工艺的深入了解开发设计的出料设备，该套设备原理简洁清晰，操作简单方便，通过彻底有效的清仓，缩短储存固结周期，改善粉体的流动性，安装后可长期有效解决粉体筒仓出库难、出空难的难题，该系统基本结构原理如下：

CZ-3高效清仓出料系统设计有流化出料系统和清仓出料系统各一套，流化出料系统由扇形布置的多条充气箱、罗茨风机、供气管道及配气系统、中心流化装置等组成，日常出料时启动罗茨风机通过供气管道及配气系统向充气箱供气，被流化的粉体物料流向中心流化装置，进行均化搅拌后从出料口流出，完成正常出料，该流化系统电耗为国内现有大型粉体筒仓出料电耗的50%左右。清仓出料系统由清仓螺旋轴、公转导向轨道、公转驱动系统、主驱动系统、支撑系统、密封装置、控制系统等组成，当出料量达到90%左右时，启动清仓机绕中心运行1~2周，约10~48小时（小仓短、大仓长）即可完成清仓任务，卸空率可以达到98%，且不需要人工入仓辅助。CZ-3高效清仓出料系统操作既可自动也可手动，CZ-3高效清仓出料系统原理见图七，应用现场及效果见图八、图九。

图七 CZ-3高效清仓出料系统原理

图八 CZ-3高效清仓出料系统安装调试中

图九CZ-高效清仓出料系统清仓进行中

CZ-3高效清仓出料系统目前已投入使用的筒仓有20m、28m、30m、45m等多种规格，对比现有粉体筒仓中采用的设备改造技术和清仓技术，实际应用效果优势明显：首先是清仓完全不需要人工辅助即可实现98%以上的高卸空率，做到了真正的安全高效；其二清仓能力强，底层的固结粉体，清仓机可直接搅散再流化，能避免堵塞出料口，清仓过程仅需10~48小时就可完成，可以灵活选择时间进行清仓，有利于生产管理，做到了真正的能力强、时间短；其三由于清仓时间短、方便、安全，每年可根据现场情况进行一次或多次清仓，筒仓底部无高强度固结粉体形成，仓内粉体活性好，具备更好的料流活性，易实现整体流出料，出料能耗更低；其四CZ-3高效清仓出料系统设计的高效流化出料系统，配合CZ-3高效清仓出料系统的定期清仓，可保证出料实现长期低能耗无故障稳定运行、水泥品质更稳定。