石英尾砂料倉及其氣力助流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何曉華

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

石英礦是一種以SiO2為主要成分的的硅酸鹽礦物[1]，具有硬度高、耐磨耐腐蝕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在非金屬礦產(chǎn)資源中具有重要地位。以石英礦為原料，經(jīng)過破碎、粉磨、洗滌、烘干、篩分、除雜提純等工藝生產(chǎn)的石英砂在玻璃、陶瓷及耐火材料、鑄造、冶金、建材及化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，純度達(dá)到99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的高純石英砂[2]更是電子通訊、光伏發(fā)電、航空等高端領(lǐng)域不可或缺的重要原料。

石英尾砂是在石英砂提純過程中產(chǎn)生的尾砂和泥砂。近年來隨著我國石英礦石加工產(chǎn)量的逐年提高，每年尾砂排放量達(dá)1 000萬t以上[3]，石英尾砂排放對(duì)周邊的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尾砂回收及資源化利用越來越受到關(guān)注。門秦生等[4]提出采用石英尾砂、粉煤灰取代黏土配料生產(chǎn)水泥，石英尾砂摻和率控制在6%～8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，配料穩(wěn)定；宋杰光等[5]用SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.21%的石英尾砂加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的黏土生產(chǎn)出高性能的石英砂燒結(jié)磚，抗壓強(qiáng)度達(dá)35.05 MPa；余志偉[6]用SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%～99%的石英尾砂經(jīng)研磨、除雜、環(huán)氧樹脂處理等工藝生產(chǎn)出理想的電工專用填料。

物料性質(zhì)和料倉結(jié)構(gòu)對(duì)物料的流動(dòng)性能影響明顯，設(shè)計(jì)料倉時(shí)需著重考慮。惠順利等[7]基于Jenike理論，較好地表征了粉粒料的流動(dòng)性，得到了一種干混砂漿自動(dòng)包裝機(jī)料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)；魯磊明等[8]將測(cè)定的3種超細(xì)粉體物料流動(dòng)參數(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)料倉的計(jì)算中，得到了料倉最大半頂角和出料口口徑。江蘇某石英加工企業(yè)新建一條尾砂輸送、儲(chǔ)存生產(chǎn)線，將排放的石英尾砂收集后用于符合要求的建材生產(chǎn)，以提高石英礦的資源化利用效率，增加石英礦的開采經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)環(huán)境效益。文中以該企業(yè)石英尾砂為研究對(duì)象，分析石英尾砂物料性質(zhì)及四棱錐料倉結(jié)構(gòu)對(duì)重力流卸料的影響，設(shè)計(jì)石英尾砂卸料的料倉，同時(shí)設(shè)計(jì)一套輔助氣力助流系統(tǒng)裝備，以保障石英尾砂料倉裝卸料過程的順利。

1 石英尾砂的物料性質(zhì)

石英尾砂的化學(xué)成分以SiO2為主，另含少量的Al2O3、雜質(zhì)鐵、云母、長石等[9]。對(duì)江蘇某石英加工企業(yè)生產(chǎn)的尾砂進(jìn)行取樣檢測(cè)，樣品含水率在10%～13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，其成分組成和粒徑分布分別如表1，2。由表1，2可看出:該石英尾砂中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)96.32%，雜質(zhì)含量較低；粒徑在100 μm以下的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)92.21%，粒徑較細(xì)小。

表1 石英尾砂的化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical composition of quartz tailings,w/%

表2 某石英尾砂粒徑分布Tab.2 Particle size distribution of quartz tailing

2 重力流卸料的影響因素

重力流卸料是讓物料依靠自身的重力在料倉內(nèi)部實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)、滾動(dòng)和自下而上的均勻沉降，但受物料性質(zhì)、料倉結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)儲(chǔ)存時(shí)間等多因素的影響，其流動(dòng)形式往往呈現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的不規(guī)則流動(dòng)狀態(tài)，難以像液體那樣在容器里均勻、規(guī)則的流動(dòng)。根據(jù)物料在料倉內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)，重力流可大致分為整體流和局部中心流兩種方式。物料在料倉內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自下而上的均勻沉降流動(dòng)，稱為整體流，如圖1(a)；物料在料倉內(nèi)部發(fā)生堵塞、棚料等狀況，只能沿卸料口中心產(chǎn)生局部流動(dòng)，稱為局部中心流，如圖1(b)。

整體流是理想的物料流動(dòng)形式，絕多數(shù)物料在料倉內(nèi)部的流動(dòng)形式為局部中心流，這和物料之間的相互黏聚力、物料與料倉內(nèi)壁的壁面摩擦力、料倉的結(jié)構(gòu)型式等因素密切相關(guān)。

圖1 料倉重力流卸料流型Fig.1 Gravity discharge flow pattern of silo

2.1 物料的安息角

散體物料的安息角(休止角)又稱內(nèi)摩擦角[10]，是反映松散物料內(nèi)部摩擦性質(zhì)的重要參數(shù)。粉體物料相互間的黏聚力可用安息角來衡量，剪切強(qiáng)度符合摩擦定律，剪應(yīng)力與正應(yīng)力呈線性關(guān)系[11]，即式中:tanφ 為物料內(nèi)摩擦系數(shù)；φ 為物料安息角；C為物料的黏聚力。一定程度上，φ 越大，物料的摩擦性越好，顆粒之間越難發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。安息角可用直剪儀測(cè)量[12]，試驗(yàn)過程如圖2，通過測(cè)量不同正應(yīng)力下試樣被剪切破壞對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力，再畫出τ 與σ關(guān)系圖即可算出物料安息角。

圖2 直剪試驗(yàn)過程Fig.2 Test process of direct shear

通常物料的內(nèi)摩擦角是動(dòng)態(tài)變化的，其和物料的含水率、粒徑組成密切相關(guān)?；贘enike 剪切理論[13]，利用直剪儀測(cè)得的石英尾砂在不同含水率和不同粒徑情況下的內(nèi)摩擦角，結(jié)果如圖3，4。由圖3，4可看出:一定范圍內(nèi)，物料的內(nèi)摩擦角隨物料含水率的增大而明顯增大，含水率達(dá)14%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到極限，隨后內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈減小趨勢(shì)；物料的內(nèi)摩擦角隨物料粒徑的增大呈減小趨勢(shì)，當(dāng)物料粒徑增大到150 μm后內(nèi)摩擦角的變化趨于平緩。

圖3 含水率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響Fig.3 Effect of water content on internal friction angle

圖4 粒徑對(duì)內(nèi)摩擦角的影響Fig.4 Effect of particle size on internal friction angle

2.2 料倉的結(jié)構(gòu)型式

通常情況下，儲(chǔ)料倉的上半部設(shè)計(jì)成立方體或圓柱體結(jié)構(gòu)，以儲(chǔ)存規(guī)定數(shù)量的物料；底部呈截面收縮的矩錐形或圓錐形結(jié)構(gòu)，以保證物料良好的卸料流動(dòng)狀態(tài)。Jasmina等[14]、Lu等[15]研究發(fā)現(xiàn)，料倉內(nèi)物料的流動(dòng)狀態(tài)主要受卸料口尺寸和斜錐角的影響，料倉高度、倉筒直線段的尺寸對(duì)卸料流率影響較小，文中不考慮較小因素的影響。

2.2.1 卸料口尺寸

卸料口尺寸影響物料的卸料流量，是料倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的重要因素。合理的卸料口結(jié)構(gòu)應(yīng)保證發(fā)揮兩方面功能:保持卸料口通暢，防止物料結(jié)拱；保證適量的物料排放，滿足生產(chǎn)要求。防止物料結(jié)拱的卸料口最小尺寸計(jì)算公式[16]為

式中:B 為卸料口寬度(卸料口長度大于2.5 B)，m；f 為無側(cè)限臨界屈服強(qiáng)度，Pa；γ 為物料松散密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；d 為物料平均粒徑，m；L 為卸料口長度，m。如果B 表示直徑，其計(jì)算公式為

2.2.2 料倉斜錐角

料倉斜錐角對(duì)重力流的流動(dòng)方式影響明顯，通常來說，料倉斜錐角越大，物料的流動(dòng)性越好，越易得到整體流流型。以江蘇某石英加工企業(yè)的四棱錐形石英尾砂料倉為對(duì)象，其料倉結(jié)構(gòu)示意如圖5，推導(dǎo)料倉斜錐角的計(jì)算公式。設(shè)料倉長邊為a，短邊為b，棱錐高為h，則有:

可得α=arctan( a2+b2b)tanβ，其為料倉斜面的最小傾角。用物料的自然安息角φ 代替β，可得料倉最小斜錐角的計(jì)算公式為

圖5 四棱錐料倉結(jié)構(gòu)Fig.5 Silo structure of four prism

3 石英尾砂料倉及氣力助流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

影響重力流卸料的因素主要為物料自身性質(zhì)及料倉結(jié)構(gòu)型式。文中所述的石英尾砂粒徑極小，棒磨后的尾砂粒徑大多在100 μm以下，含水率長期維持在10%～13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間，這樣的物料極易引起物料在料倉內(nèi)部產(chǎn)生粘壁、棚料、架橋等堵塞現(xiàn)象，影響料倉正常卸料。物料性質(zhì)難以改變，為使卸料方式向整體流方向靠近，主要從料倉結(jié)構(gòu)著手設(shè)計(jì)石英尾砂料倉。但物料在料倉內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)過程很難控制，因此增設(shè)必要的氣力助流系統(tǒng)裝備以增強(qiáng)物料的流動(dòng)能力。

3.1 石英尾砂料倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)式(2)～(7)，結(jié)合文中石英尾砂的物料性質(zhì)、存儲(chǔ)容積和預(yù)留空間，將石英礦石的平均自然安息角35°代入上述公式可得石英尾砂料倉的最小斜錐角、卸料口尺寸。根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)量和儲(chǔ)存要求可得料倉高度和容積。石英尾砂料倉結(jié)構(gòu)相關(guān)的計(jì)算和設(shè)計(jì)參數(shù)如表3，設(shè)計(jì)的石英尾砂料倉倉體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6。

表3 石英尾砂料倉設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design parameters of quartz tailings silo

圖6 石英尾砂料倉倉體結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.6 Structure of quartz tailings silo(unit：mm)

3.2 氣力助流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 氣力助流系統(tǒng)的工作原理

氣力助流法的工作原理是通過管道和噴射機(jī)構(gòu)將壓縮空氣壓射到料倉內(nèi)壁，使倉內(nèi)物料與料倉內(nèi)壁面形成瞬時(shí)的氣流間隙，消除或減小物料同料倉內(nèi)壁之間的壁面摩擦力，促使物料沿著倉壁滑動(dòng)、滾動(dòng)，預(yù)防物料粘壁、板結(jié)引起的堵塞，實(shí)現(xiàn)料倉內(nèi)部物料流動(dòng)正常，保證正常的卸料狀態(tài)。石英尾砂料倉借助氣力助流法實(shí)現(xiàn)料倉清除堵塞的基本流程是:利用氣力助流的基本原理，在尾砂料倉的錐體部分外壁面分層、分段鋪設(shè)助流風(fēng)管和噴嘴，利用壓縮空氣的瞬時(shí)爆破力解決石英尾砂料倉的堵塞問題，促進(jìn)物料在料倉內(nèi)部的重力流卸料。

3.2.2 氣力助流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣力助流系統(tǒng)是通過分層、分段對(duì)料倉內(nèi)壁的壁附料、粘結(jié)料進(jìn)行瞬時(shí)高強(qiáng)度的吹射。氣力助流系統(tǒng)一般由氣源系統(tǒng)、主管道系統(tǒng)、控制管道系統(tǒng)、助流管道系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等子部件構(gòu)成。其中:氣源系統(tǒng)包括壓縮空氣的生產(chǎn)和存儲(chǔ)設(shè)備，氣源設(shè)備的選型視助流系統(tǒng)的用氣量大小而定；主管道系統(tǒng)主要將助流儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣輸送到每層助流管道；控制管道系統(tǒng)將控制儲(chǔ)氣罐中的壓縮空氣輸送到各氣動(dòng)閥門用氣點(diǎn)，用于各氣動(dòng)閥門的執(zhí)行器控制用氣；助流管道系統(tǒng)包括每層助流管道、助流噴嘴及快速通斷閥；電氣控制系統(tǒng)具備手動(dòng)模式和自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)料位監(jiān)測(cè)—信號(hào)反饋—決策執(zhí)行的閉環(huán)控制。快速通斷閥的閥門瞬時(shí)開啟時(shí)間可控制在0.5 s以內(nèi)，在開啟瞬間形成強(qiáng)有力的風(fēng)力保證瞬時(shí)爆破力，促使氣力助流效果發(fā)揮到最佳。石英尾砂料倉的氣力助流系統(tǒng)組成如圖7。

圖7 石英尾砂料倉氣力助流系統(tǒng)組成(單位：mm)Fig.7 Composition of pneumatic flow assisting system of quartz tailings silo(unit：mm)

根據(jù)石英尾砂料倉內(nèi)物料易發(fā)生堵塞的部位和高度，設(shè)計(jì)石英尾砂料倉氣力助流系統(tǒng)。以料斗底部卸料口作為基準(zhǔn)，沿高度方向分為3 層，第Ⅰ層距離基準(zhǔn)面1 m，第Ⅱ?qū)泳嚯x基準(zhǔn)面2 m，第Ⅲ層距離基準(zhǔn)面3 m。平面布置上，石英尾砂料倉按2個(gè)料斗分2套子系統(tǒng)，每個(gè)料斗的噴嘴布置完全相同，如圖8。

圖8 石英尾砂料倉氣力助流系統(tǒng)平面布置Fig.8 Layout plan of pneumatic flow assisting system of quartz tailings silo

隨著高度的增加，料倉截面尺寸逐漸變大，因此倉壁面噴嘴的布置形式也有差異?？紤]到清倉系統(tǒng)操作時(shí)瞬時(shí)物料流量和精準(zhǔn)的堵塞定位，將每層助流管道分成兩段。以1#料斗為例，第Ⅰ層沿西北和東南兩個(gè)方位布置，每個(gè)方位合計(jì)7套噴嘴；第Ⅱ?qū)友匚鞅焙蜄|南兩個(gè)方位布置，每個(gè)方位合計(jì)10套噴嘴；第Ⅲ層沿西北和東南兩個(gè)方位布置，每個(gè)方位合計(jì)13套噴嘴。這樣1#料斗合計(jì)60套噴嘴，整個(gè)石英尾砂料倉總計(jì)120套噴嘴。每個(gè)方位對(duì)應(yīng)的助流管道由一個(gè)快速通斷閥控制通斷，一個(gè)料斗合計(jì)6套，整個(gè)尾砂料倉總計(jì)12套快速通斷閥。每個(gè)料斗在高度方向上有2根主管道引上料倉，每根主管道上安裝1套電控氣動(dòng)主閥，用于控制助流管道中氣流的通斷，整個(gè)石英尾砂料倉總計(jì)4套電控氣動(dòng)主閥。

4 應(yīng)用效果

將設(shè)計(jì)的石英尾砂料倉及氣力助流系統(tǒng)在江蘇某石英加工企業(yè)安裝試運(yùn)行，安裝效果圖如圖9，1 個(gè)月后的部分運(yùn)行數(shù)據(jù)如表4。運(yùn)行結(jié)果及表4數(shù)據(jù)表明:設(shè)計(jì)的石英尾砂料倉料流比較穩(wěn)定，卸料基本保持正常，料倉的有效存料容積達(dá)到設(shè)計(jì)容積的75%以上；卸料過程中即使出現(xiàn)堵倉情況，氣力助流系統(tǒng)也能保持料倉繼續(xù)正常卸料，滿倉裝車卸料時(shí)間控制在12 min 以內(nèi)，裝車效率高；氣力助流系統(tǒng)安裝前，自然卸料的帶料率為70%～75%，安裝后料倉卸料的帶料率達(dá)到98.5%以上，基本實(shí)現(xiàn)了料倉的卸空，卸料率高，料倉有效儲(chǔ)料能力突出。

圖9 石英尾砂料倉及氣力助流系統(tǒng)的安裝現(xiàn)場Fig.9 Installation site of quartz tailings silo and pneumatic flow aid system

表4 部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)Tab.4 Partial production data

江蘇某石英加工企業(yè)年產(chǎn)石英尾砂2萬t，原現(xiàn)場裝料方式為:采用自卸車等侯在陶瓷過濾機(jī)的帶式輸送機(jī)下，待裝滿車后運(yùn)輸?shù)轿采岸褕?，平均裝車量為6車/d；堆場的尾砂通過裝載機(jī)裝到半掛運(yùn)輸車外運(yùn)，人工和機(jī)械維護(hù)成本較高。安裝設(shè)計(jì)的石英尾砂料倉及其氣力助流系統(tǒng)后，陶瓷過濾機(jī)產(chǎn)生的尾砂直接通過帶式輸送機(jī)輸送到尾砂料倉，尾砂料倉裝滿倉后通過半掛運(yùn)輸車外運(yùn)。石英尾砂料倉及其氣力助流系統(tǒng)每年可為企業(yè)節(jié)省的勞動(dòng)費(fèi)、燃料費(fèi)和維護(hù)費(fèi)等近200萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。同時(shí)減少了尾砂堆場對(duì)周邊環(huán)境的危害，提高了資源的利用效率和附加值，社會(huì)環(huán)境效益顯著。

5 結(jié) 論

1)物料的內(nèi)摩擦角與物料的含水率和粒徑密切相關(guān)，石英尾砂的含水率在14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以內(nèi)時(shí)，其內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈增大趨勢(shì)，并在14%時(shí)達(dá)到極限值，后隨含水率的增加呈減小趨勢(shì)；石英尾砂粒徑越小，其內(nèi)摩擦角越大，內(nèi)摩擦角隨粒徑的增大呈減小趨勢(shì)，當(dāng)粒徑增大到150 μm后趨于平緩。

2)考慮卸料口尺寸和料倉斜錐角對(duì)物料在料倉內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的影響，結(jié)合石英尾砂的物料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)場場地空間，設(shè)計(jì)石英尾砂料倉及其氣力助流系統(tǒng)。工程應(yīng)用實(shí)踐表明:設(shè)計(jì)的石英尾砂料倉較好地實(shí)現(xiàn)了重力流卸料，料倉有效存料容積達(dá)到設(shè)計(jì)容積的75%以上；且可保證較高的卸料裝車效率，石英尾砂的卸料帶料率由70%增加到98.5%以上，滿倉卸料時(shí)間縮短至12 min以內(nèi)。

3)合理的料倉結(jié)構(gòu)、再輔以氣力助流系統(tǒng)對(duì)石英尾砂運(yùn)轉(zhuǎn)的中間儲(chǔ)存、卸料作用明顯，可為年產(chǎn)2 萬t石英尾砂企業(yè)節(jié)省近200 萬元的成本，同時(shí)減少了尾砂堆積和排放對(duì)環(huán)境的危害，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)環(huán)境效益顯著。