如何从底层破解水泥库偏库清库难题

作者:陈立明 时间:2019-05-09 13:49:30

   如今水泥行业的错峰停产停窑,造成市场供需平衡转变为难得的高价行情。但水泥库却常常被偏库运行干扰,同时2018年水泥业多次发生清库作业重大安全事故,造成了多人死伤惨剧,令各级领导谈清库色变;可见水泥库的偏库清库问题,严重制约了企业高效益市场机会的捕捉,进而逼迫我们设法解决这一瓶颈难题。

一. 为什么总会发生死料堆积与增长

目前中国水泥早已进入大规模旋窑生产阶段,对应的匹配水泥粉体大库的存储卸放,却因直径与空高的增加引发了日益严重的偏库清库困扰。

长期的经验与惯性思维,使人们总是忙于检讨自己的技术细节与管理流程,从不质疑源于国外的粉体存储卸放技术理论,更没人去深入研究形成这些问题的根源与真相。

形势逼迫我们不得不问:为什么会偏库?为什么要清库?

   只要一深入思考就不难发现,问题出在死料的产生与生长;而更底层的原因,在于整个行业就没搞清楚粉体大库内的力学传导与密度分布特征,都简单采用库底充气箱阵吹气驱动模式,全然不顾头重脚轻的力学发散匹配关系;结果只要直径超过10米的大库,总会导致中部气路自然汇聚抽心式漏斗偏流卸放,而边壁及库底硬固料越走越慢,最后停滞不动变成死料,且都是因偏流导致死料不断累积生长形成偏库。由于偏库的存在,实际运行就更不敢将库装满,以防料重增高导致偏流区出料路受压堵死。事实上,各种形式的粉库都是带病低效率偏流运行,特别是碰上雨季空气水分偏高、水泥滞销等情况下,就会很快发展到彻底堵死的地步,然后只好启动清库流程,再重新进入又一个低级轮回。

   究其本质,是全行业粉体动力学理论的模糊不清,压根就没发现粉体重力拱、收缩拱、反射拱的客观存在与力学作用特征,错误认为大库粉体是均密度等压分布;同时受到吹气排堵技术局部效果快速的诱惑,严重忽视了气动技术的自然力学缺陷和严重后遗症,导致全行业底层驱动力学设计采用了轻重倒置的错误匹配。特别是多数企业的减压锥的设计,不仅严重导致偏流和偏库,而且清库时形成了无法避免的高危排料障碍,事实证明是极其错误的工艺设计。

二. 如何根本消除死料形成

   经过我们大量研究实验发现,粉体在库中因重力压迫横向膨胀,会形成平行多层弱稳定拱架,也称为重力拱。它在环库壁的重力垂直叠加作用下,产生了类似电流在导体上的集肤效应,使环库壁粉料受较大挤压变硬,最后形成环库壁垂直支撑平衡;而中部粉料密度较低,料压也较低;却远非我们想象的均匀重力分布作用,因而边壁易产生硬固性挂壁滞留效应。粉料在底部出口会因同时向心收缩形成环球型收缩拱阻塞,只有出口上方中垂线等径区域的非收缩区会形成一瓶颈性通道,并随上行收缩度降低而逐步扩张形成漏斗软料区,自然形成中心瓶颈性漏斗限流的局面,而处于边壁的支撑硬固料区将被环形收缩拱阻塞逐步成为死料。

   实验发现,如果库底采用大锥度收口设计,必然引发自然粉体下卸运动水平收缩,产生收缩拱阻架构;同时环锥内壁的高位料重力还会产生收缩性反射平衡拱阻,最终形成严重的混合自锁性拱阻。所以从成拱力学作用考虑,粉体库应彻底避免锥型收口设计,一般应采用15度以下收锥或直接平底库设计。

   显然,只有让环边壁硬固料全部同步下行运动形成整体流,全面消除偏流,才能彻底消除死料存在的温床,并阻断其增长。而这需要在库底出料口消除一切收缩拱,并优先保证库底硬料整体平衡卸放,引导库壁硬料自动递补跟进。

 

三. 基于底层的动力学分析与研究设计

   根据上述力学分析,可以明确收缩拱是整个粉体卸放的核心障碍,只要全面有效破解收缩拱,就可能实现料重力的自然推动卸放。            

先看传统气动减压锥改流的设计,由于采用多个环底部进口,必然引发收缩拱的存在;虽然吹气可消除部分收缩拱,但空气走软不走硬的自然特性,必然会导致气路上逸,形成中上部流动性较高的软料优先挤入出口,而底层硬料的向心收缩拱阻依然存在,最后必然形成多股上扩式中心漏斗流卸放。无论库底部如何铺设气槽阵列,均不可能用气动方式全面破解库底收缩拱,无法促使库壁硬料全面先行卸放,也就不可能形成全库整体流活化下卸。下图一、图二为常见中空减压锥库的偏流发展到偏库示意图。

           

图一                                                                             图二

   显然,在库底硬料密闭重压环境下,采用任何其他有动力方式(电动或液压动)来破除收缩拱更不可行。

我们从无动力方向思考,发明设计出无动力太极锥装置。采用立式多级环形鼠笼结构设计,充分利用库内粉体料重高位势能为外部原动力,而太极锥内下卸产生的真空负压产生内吸拉力,形成太极锥内拉外推的粉体入料驱动作用,与封闭区外向阻挡力形成了自然剪切力破解收缩拱机制;而且使受重力推动最大的底层硬固料排在最前,所以自然形成了硬料优先机制,最终实现了无动力无死区自然整体流卸料。由于其力学分布作用与库壁密度分布正好形成自动纠偏的平衡反馈机制,最终达到大库边运行卸放边自我清理库壁的理想作用(如图三)。

图三

   其中,太极锥的任务就是通过固定导流钢结构,将通常从库底出口的半球型向心大流量单点收缩进料,变换为环形多级多点(6级锥为24点)水平小流量慢进料,通过加长垂直段形成的进口段上延扩升,大幅降低每个单口收缩度,从而大大弱化减小每个收缩拱阻力,最后在锥内自然汇聚成垂直性大流量的单向等径非收缩性出料流,真正借力打力实现无动力自适应卸放,所以谓之太极锥。如图四,各级钢圈的阻挡使其在太极锥外产生了水平间隔性静态相对硬固缓冲区(颜色偏深部分),自然逼使粉料水平汇聚进入太极锥,不但最底层硬料优先进入,最顶部软料也被逼从侧向最后绕入,从而产生了大辐射化均化性极好的自然平衡性整体流。

图四

   在太极锥的每个进口水平截面上,也同理被四根垂直支撑角钢完成了对水平收缩拱的交错破解。由于硬料在底部靠前,自然形成了硬料优先的自适应填入方式,低流速的硬料自然占据最外围部分,次硬级随后,高位进入的软料因流动性好会被自动吸附到填充相对中心部位。下图是出口锥内各种密度料自然排序汇聚而成的正常分布情况(如图五)。

图五

四. 粉流掣的实际应用释疑

1、 担心粉料运行下卸会严重摩擦太极锥,持续磨损会造成太极锥工作寿命缩短。

实际上锥壳的外部静态阻挡区形成了完好的自然覆盖防护和粉体绕流引导,锥壳根本不会与粉体产生直接摩擦作用。而其内壁受力很小,且其表面与粉体间会产生多层附着膜自然防护,所以根本不存在想象中的直接摩擦磨损。用户运行中曾专门放空库检查,发现其油漆都完好无痕,运行维护成本几乎为零。

2、 怀疑粉流掣只是部分整体流卸放,认为不能放空自然堆积尾料中存在一定的死料,并担心死料会不断增长最终导致堵塞运行失效。

人们多会直觉认为沉积库底的粉料,特别是边壁部分,在上部巨大料重压力作用下,必然会形成硬固性死料堆积,并不断增长以致埋压太极锥。然而长期实际运行表明,无论如何运行,太极锥都完全可以放空到顶部进料口露出一至二级,等于用事实逻辑反证了无死料整体流的存在,只不过其移动速度会因库底硬料的水分含量不同导致阻力差异有快有慢而已。

3、 当雨季长期高水分满库重压存储积淀变硬后,怀疑会形成不可化解修复的堵死。

经过万吨水泥库雨季实际满库长期存储后首次卸放表明,库壁会形成高位较厚的硬固圈尾料,而中部软料会形成整体直筒式卸放,充分证明了重力拱的集肤硬固支撑效应。由于该沉积料只有相对硬固性,只需再次入库少量新料,利用中空部分的高落差入料大动能冲击,就可轻易在库底部通过新料水平溅射产生的冲击,迅速从底部击垮其支撑体,造成环库壁整体垮塌陷落;在垮塌陷落过程完成全部硬料的空气混合冲击软化,形成新软料存储。所以不存在全库硬化板结堵死的可能性。

4、 担心库内细微渗漏形成的库壁板结硬块,会下卸运动到库底太极锥处形成堆积阻塞积累,最终导致料路完全阻断失效。

太极锥的力学设计,保证了边壁板结硬块必然会顺整体流料路从底部向太极锥底层汇聚运动,而太极锥的孔口设计,保证了硬块在入口被自然挤压破碎为小块进入锥内随料下卸。实际运行表明,库内因雨水渗漏沉积产生的硬固块体,均能被强大的整体流正常全部卸放出库,不会在库内阻塞积累,反而是卸出的大量硬块料会常常引发库下空气输送斜槽的堵塞。

5、当水泥库放空到太极锥露出顶部进口后,担心库壁自然堆积的边高尾料成为死料,特别对长期储存变硬的沉积料卸空后形成较高耸堆积的尾料不满意。

粉流掣的整体流力学运行规律表明,只要料面覆盖太极锥顶,就能保证出口有料卸出,但当料面到最高级孔口露出于空气中后,太极锥内就失去较大的自然下卸真空吸附力,此时入料仅靠料压推动,而库壁料压已经大幅降低,实际底部粉料已停止运动卸放,仅仅靠中部粉料的流动性的自然流动入料,已经没有整体流,当达到自然堆积角后将停止流入。这种工况是粉流掣的自然力学下限,一般不建议放空到如此低位。反之,建议运行在中高库位,反而会形成整体流卸放。而放空后自然形成的堆积尾料不会成为死料,只要重新补满新料,将被环库壁整体流循环挤出。

6、担心大库高库位储存运行,造成料重高压力挤压库底拱死。

粉流掣的运行规律是环库壁硬料支撑料重,所以库位越高边壁料的重力推动越大,越有利于强力挤压底部向心出料运动形成稳定的整体流,而低库位反而容易使底部硬料推动力不足减缓甚至停顿硬料卸放,只产生中部半整体流;特别当太极锥顶露空后将使去锥内下行真空吸附力作用,仅靠部分软料的不稳定垮边陷落冲击入料,出料密度与流量将大幅波动。所以运行在中高库位才是最佳工艺效果的技术状态。

五. 结论

   粉流掣多个水泥库应用表明,整体流是从底层根治偏库清库的关键。采用太极锥技术能自然破除收缩拱,充分利用重力拱形成的强大推力引导环库壁硬料获得优先卸放,并与库位料压形成自适应动平衡运动下卸,进而形成全库整体流卸放,真正彻底摆脱偏库清库困扰。