一種生物質(zhì)防架橋進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

黃燦軍

【摘? 要】為解決生物質(zhì)加工應(yīng)用過程中進(jìn)料機(jī)構(gòu)內(nèi)物料的架橋與掛壁問題，一般采用改進(jìn)料斗、料倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及采用振動(dòng)、氣體噴吹、機(jī)械攪動(dòng)等輔助裝置防架橋技術(shù)，但都未能徹底消除料倉的側(cè)壁對(duì)物料流動(dòng)的阻礙作用。論文提出了一種長(zhǎng)方形錐型或正方形錐型的活動(dòng)壁料倉的設(shè)計(jì)，通過在料倉壁的內(nèi)側(cè)安裝由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳送帶，徹底改變物料僅依靠自身重力進(jìn)行下落的進(jìn)料方式，并且傳送帶速度不一致對(duì)物料整體產(chǎn)生剪切效果，從而有效防止物料的掛壁與架橋現(xiàn)象。

【Abstract】In order to solve the problems of material bridging and wall hanging in the feed mechanism in the process of biomass processing， the improved structure design of hopper and silo and the anti-bridging technology of auxiliary devices such as vibration， gas injection and mechanical agitation are generally adopted， but the side wall of silo can not completely eliminate the blocking effect of material flow. This paper presents a design of rectangular cone or square cone type movable wall silo. Through the installation of the motor driven conveyor belt in the inner side of the silo wall， completely change the feeding mode that material only rely on its own gravity to fall. The speed of the conveyor belt is inconsistent to produce a shear effect on the whole material， so as to effectively prevent the material wall hanging and bridging phenomenon.

【關(guān)鍵詞】防架橋;生物質(zhì);進(jìn)料機(jī)構(gòu)

【Keywords】anti-bridging; biomass; feed mechanism

【中圖分類號(hào)】TS210.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）10-0179-03

1 引言

木質(zhì)纖維素在地球上分布廣、含量多，每年大約有1000億噸的生成，是一種來源廣泛、價(jià)格低廉的可再生資源。利用廢棄木材、竹子、農(nóng)業(yè)秸稈等天然生物質(zhì)材料進(jìn)行造紙制漿、發(fā)酵生產(chǎn)酒精、制備復(fù)合木塑材料、生產(chǎn)生物質(zhì)燃料等已形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。在生物質(zhì)材料的再加工和循環(huán)利用過程中，由于物料的形狀不規(guī)則、密度小，物料容易吸收水分而膨脹、壓實(shí)，物料間發(fā)生纏繞、拉扯，物料與倉壁間發(fā)生黏連等現(xiàn)象，導(dǎo)致其流動(dòng)性差，經(jīng)常在料倉中產(chǎn)生架橋或掛壁等現(xiàn)象，使加料不均勻或不連續(xù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響加工機(jī)械的性能。因此，防架橋與破拱技術(shù)成為生物質(zhì)利用技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。在防架橋技術(shù)專利方面，中國(guó)在2007年開始相關(guān)技術(shù)專利申請(qǐng)量快速上升，2013年達(dá)到高峰，目前中國(guó)防架橋?qū)＠暾?qǐng)量為世界的前二位，申請(qǐng)量超過了1000件[1]。

物料之間以及物料與倉壁之間的摩擦力與物料的濕度和密度密切相關(guān)，在料倉開始卸料時(shí)，由于物料較松散，摩擦力較小，物料在重力作用下可以持續(xù)下落。隨著物料下落局部的物料密度逐漸增加，當(dāng)這部分物料自身的重力不足以克服物料之間以及物料與倉壁之間的摩擦力時(shí)，物料無法在料倉內(nèi)下落而產(chǎn)生掛壁和架橋現(xiàn)象?，F(xiàn)有防架橋技術(shù)雖然形式不一樣，但其原理基本一致，均是通過破壞物料的摩擦力與重力的平衡來實(shí)現(xiàn)破拱。

2 料斗防架橋技術(shù)

料斗是進(jìn)料裝置必不可少的關(guān)鍵部件，通常與生物質(zhì)加工機(jī)械的進(jìn)料口相連，為了方便進(jìn)料，料斗大多采用上寬下窄的漏斗狀設(shè)計(jì)，這種料斗中以傾斜面出現(xiàn)的倉壁是物料發(fā)生架橋的主要原因。由于傾斜面對(duì)物料的支撐作用，增加了物料與倉壁之間的摩擦力，同時(shí)上寬下窄的漏斗狀也使物料在下降過程中增加了擠壓，促使架橋現(xiàn)象的發(fā)生。一些文獻(xiàn)提出了增加垂直面[2]、出口偏心設(shè)置的料斗[3，4]（見圖1），使垂直面對(duì)物料的支撐作用減弱，降低料拱的形成。

3 料倉防架橋技術(shù)

在生物質(zhì)材料用于制漿、燃料等場(chǎng)合時(shí)，其每次使用量大，而且要求連續(xù)均勻進(jìn)料，因此需要較大料倉用以儲(chǔ)存。此時(shí)由于大量的物料堆積，高度較大，更易造成架橋。通常采用垂直倉壁或上小下大的倒錐形設(shè)計(jì)[5，6]，以降低倉壁對(duì)物料的支撐作用，減小物料之間、物料與倉壁之間的摩擦力，提升物料流動(dòng)性。大型料倉的設(shè)計(jì)對(duì)高徑比有一定要求，當(dāng)高徑比過大，料倉底部的出料機(jī)構(gòu)對(duì)上層物料的擾動(dòng)作用減弱，亦會(huì)產(chǎn)生架橋現(xiàn)象。料倉通常設(shè)計(jì)成圓形、方形、圓形倒錐、方形倒錐、圓方組合、單面傾斜方形料倉等。結(jié)合料倉形狀以及料倉的高徑比進(jìn)一步在倉內(nèi)設(shè)置卸壓錐，保證物料壓力始終穩(wěn)定在臨界壓力下。常見的卸壓錐布置有雙曲線布置、指數(shù)曲線布置、環(huán)形布置等[7]。

一些研究者進(jìn)一步對(duì)倉壁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善傾斜倉壁對(duì)物料下落的阻礙作用。專利CN201721197438.9“一種防架橋粉體喂料機(jī)”采用一種具有柔性喂料通道內(nèi)壁或者喂料通道內(nèi)固定有柔性內(nèi)層的設(shè)計(jì)，通過柔性壁消除粉體由于重力產(chǎn)生的向外張力與喂料通道內(nèi)壁擠壓而形成的分子間作用力，從而防止架橋[8]。專利CN201320506645.3“改進(jìn)的回轉(zhuǎn)式防堵物料倉”采用兩端固定倉、中間旋轉(zhuǎn)倉的三段式料倉設(shè)計(jì)，有效解決出料時(shí)物料堵塞等問題[9]。專利CN201821746997.5“一種防架橋木片料斗”采用在內(nèi)壁上依次加裝數(shù)塊減壓板，使物料與倉壁形成間隙，以達(dá)到消除架橋故障的目的[10]。

4 輔助裝置防架橋技術(shù)

4.1 振動(dòng)敲打技術(shù)

通過振動(dòng)使物料內(nèi)摩擦系數(shù)減小，抗剪強(qiáng)度降低，從而實(shí)現(xiàn)物料的破拱。常見的振動(dòng)設(shè)備有空氣錘、空氣振動(dòng)器、振動(dòng)馬達(dá)以及振動(dòng)料斗等，空氣錘對(duì)易吸潮掛壁類物料破拱效果好，滾珠式振動(dòng)器適合沙子、種子等顆粒料，振動(dòng)馬達(dá)對(duì)顆粒狀、流動(dòng)性好的物料作用效果較佳[11]。該類設(shè)備主要安裝在料倉外壁，設(shè)備的維修維護(hù)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，但由于振動(dòng)作用范圍有限，該裝置適用于小容積的料倉。

4.2 氣體噴吹技術(shù)

通過壓縮空氣的沖擊力，使物料掘松，起到破拱作用。常見的有流化噴嘴、噴吹板以及空氣炮等。流化噴嘴是將壓縮空氣通過噴嘴直接對(duì)物料進(jìn)行噴吹，空氣炮則是使一定壓力的氣體瞬間釋放以產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力作用于物料，將料拱破壞。噴吹裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音低、便于維護(hù)，適用于不易吸潮、不與水反應(yīng)的物料。而空氣炮則對(duì)料倉的材料有一定要求，適用于以混凝土、鋼、塑料等為主要材料制成的料倉的清堵[12]。

4.3 機(jī)械攪動(dòng)技術(shù)

通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)破壞料倉內(nèi)的物料平衡狀態(tài)，使某一部分發(fā)生塌陷，達(dá)到破拱效果。按照機(jī)械裝置作用的部位，一般可分為料倉內(nèi)腔、料倉出口、料倉底部3種防架橋裝置。

料倉內(nèi)腔防架橋裝置主要是通過垂直安裝于料倉中心位置的螺旋軸+槳葉式松動(dòng)器、螺帶、彈性桿、攪拌臂等，對(duì)料倉內(nèi)的整體物料進(jìn)行攪動(dòng)破拱。該類裝置對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)物料的作用范圍廣，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，初期投入較大，不利于維修維護(hù)，適合應(yīng)用于對(duì)出料流量大的場(chǎng)合。

料倉出口防架橋裝置主要通過安裝于出料口的做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)、垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)的撥叉，對(duì)出料口處的物料進(jìn)行攪動(dòng)而實(shí)現(xiàn)破拱。該類裝置的作用范圍有限，適用于流動(dòng)性較好的物料。

料倉底部防架橋裝置主要針對(duì)大型的儲(chǔ)料式料倉，該型料倉需要在底部設(shè)置特殊的出料裝置以實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻出料，出料裝置同時(shí)還起到對(duì)上層物料進(jìn)行擾動(dòng)的作用，達(dá)到“破橋”目的。常見的出料裝置有活底液壓推桿、旋轉(zhuǎn)螺旋、液壓撥叉、液壓滑塊、并聯(lián)螺旋等出料裝置，其中的活底液壓推桿和旋轉(zhuǎn)螺旋出料裝置適用于大中型料倉，液壓撥叉、液壓滑塊和并聯(lián)螺旋出料裝置則適用于小型料倉。

5 一種生物質(zhì)防架橋進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

倉壁對(duì)物料的支撐使二者之間的摩擦力增加是導(dǎo)致架橋的重要原因之一，傳統(tǒng)的上寬下窄甚至垂直倉壁的料倉均未能很好解決這一問題。上窄下寬的倒錐型料倉又不能滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。本文采用了一種活動(dòng)壁防架橋進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖2所示，采用長(zhǎng)方形錐型結(jié)構(gòu)，兩側(cè)面為斜面，前后面為垂直面，底部采用雙螺旋出料。在斜面的內(nèi)側(cè)裝有傳送帶，利用單獨(dú)電機(jī)或底部雙螺旋電機(jī)通過皮帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，類似于“活動(dòng)壁”，兩側(cè)的傳送帶與物料接觸一面的運(yùn)動(dòng)方向均向下，使物料在傳送帶的摩擦力和自身重力的共同作用下向下運(yùn)動(dòng)，改變傳統(tǒng)的料倉倉壁僅對(duì)物料靜止支撐的狀態(tài)，有效解決物料的掛壁現(xiàn)象。進(jìn)一步通過設(shè)置不同的傳動(dòng)比使兩側(cè)傳送帶運(yùn)動(dòng)的速度不一致，相當(dāng)于對(duì)物料整體起到剪切作用，增加破橋效果。

如圖3所示，對(duì)于條狀、塊狀等流動(dòng)性差的物料，在傳送帶上進(jìn)一步增加橫向隔條，增加傳送帶對(duì)物料的摩擦力。

對(duì)于一些輕質(zhì)纏繞性的物料，在傳送帶上設(shè)置一定間距、成排安裝的銷釘裝置以增加傳送帶對(duì)物料下行的作用，如圖4所示。同時(shí)，為了避免銷釘將物料帶入傳送帶上行側(cè)與倉壁的間隙中，造成傳送帶的卡死，銷釘裝置設(shè)計(jì)成可伸縮的形式，如圖5所示。在傳送帶下行階段，通過安裝在傳送帶下方的襯板使彈簧壓縮，銷釘被強(qiáng)制推出，對(duì)物料產(chǎn)生作用。當(dāng)銷釘下行到最下端即將轉(zhuǎn)為上行時(shí)，此時(shí)已到襯板的末端，襯板失去作用而彈簧恢復(fù)原狀推動(dòng)銷釘收縮到傳送帶下方，有效避免銷釘將物料帶進(jìn)上行區(qū)間。

對(duì)于傳統(tǒng)的正方形錐型料斗，采用在4個(gè)側(cè)面增加傳送帶的設(shè)計(jì)，如圖6所示，相對(duì)的2個(gè)側(cè)面安裝長(zhǎng)而窄的傳送帶，另2個(gè)相鄰側(cè)面安裝短而寬的傳送帶。

對(duì)于垂直倉壁的方形大型料倉，在4個(gè)側(cè)面增加傳送帶，并采用不同的向下運(yùn)動(dòng)速度，改變了物料下落的驅(qū)動(dòng)方式以及物料在垂直方向的壓力梯度，破壞了物料掛壁和架橋的條件，使料倉可采用更大高徑比的設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

料倉是生物質(zhì)材料加工與應(yīng)用過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，長(zhǎng)期以來，料倉內(nèi)物料的架橋現(xiàn)象嚴(yán)重影響實(shí)際生產(chǎn)，受到相關(guān)領(lǐng)域眾多的工程技術(shù)人員和研究者的關(guān)注，提出了形式多樣的解決方案。本文采用了一種活動(dòng)壁的設(shè)計(jì)，通過在料倉壁的內(nèi)側(cè)安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳送帶，使倉壁對(duì)物料的摩擦力由阻礙物料下落變成驅(qū)動(dòng)物料下落，實(shí)現(xiàn)物料在傳送帶的摩擦力與自身重力的雙重作用下落料，并且傳送帶的運(yùn)動(dòng)速度不一致，進(jìn)一步對(duì)料倉內(nèi)的物料整體產(chǎn)生剪切效果，打破物料的平衡狀態(tài)，有效防止掛壁與架橋現(xiàn)象的產(chǎn)生。該進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、節(jié)約成本、滿足連續(xù)進(jìn)料的工藝需要。

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