料倉內煤粉卸料過程應力特性研究

侍一夫，梁 財

(東南大學 能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

料倉作為粉體物料的存儲及輸送控制裝置被廣泛應用于工農業(yè)領域[1]。在燃煤發(fā)電和煤化工行業(yè)，料倉是煤粉處理和輸運的關鍵設備，倉內煤粉的卸料特性對整個生產系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要[2]。粉體應力顯著影響著粉體的流動特性[3]。因此，對于料倉內煤粉卸料過程的應力特性研究十分重要。

筒倉內物料應力特性的研究由來已久[4]。19世紀末，Janssen[5]發(fā)現(xiàn)對于裝有顆粒物料的筒倉，壁面法向應力隨深度增加趨于一個穩(wěn)定值，與液體靜壓變化特性存在較大區(qū)別。其認為顆粒與壁面間的摩擦承擔了部分物料的重量，并基于物料微元切片的受力分析給出了著名的Janssen公式[6]。其后，眾多學者對倉內顆粒物料的卸料特性和應力特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)卸料狀態(tài)下物料應力分布會發(fā)生改變[7]。若卸料狀態(tài)下存在漸縮流道，則流道內粉體應力由朗肯主動態(tài)變?yōu)槔士媳粍討B(tài)[8]。在流動方向發(fā)生轉變的位置，如帶錐型料斗料倉的筒錐結合處，壁面法向應力急劇增大，形成動態(tài)超壓[9]。Jenike[10]在大量實驗研究的基礎上給出了剪切特性與流動特性的關聯(lián)關系，并將倉內粉體流動分為整體流和中心流(也即倉內存在粉體靜止區(qū))，同時建立了料倉設計標準，被廣泛應用于各國的料倉設計準則[11]。然而，上述顆粒料倉的設計方法并不完全適用于粉體料倉。對于由微米級顆粒構成的粉體，顆粒間的內聚力相對較強[3]，依據(jù)常規(guī)準則設計的料倉在粉體卸料過程中經常發(fā)生堵塞、脈動、鼠洞等問題[12]，導致流動惡化。目前，針對粉體卸料過程應力特性的研究較少，粉體卸料特性與應力特性間關聯(lián)關系尚不明晰。

本文利用有機玻璃料倉進行了煤粉卸料實驗。實驗料倉由圓筒及圓錐型料斗組成。通過料倉側壁縱向布置的微型應力傳感器和筒段耳式支座下方布置的稱重傳感器分別獲取了三種不同粒徑煤粉卸料時壁面法向應力及出料質量流率。研究倉內煤粉的卸料特性及應力特性，揭示粉體卸料特性與應力特性間關聯(lián)機制，為粉體料倉的優(yōu)化設計提供理論基礎。

1 實驗系統(tǒng)以及實驗物料

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗裝置如圖1所示，料倉由厚度為5 mm的有機玻璃制成，上部為圓柱型筒體，高500 mm，內徑為390 mm；下部為圓錐型料斗，筒體與料斗之間由法蘭連接，料斗錐角為45°，出料口直徑為20 mm。出料口與球閥相連接，通過球閥控制卸料的啟停。料倉側壁鉆孔并布置微型應力傳感器，使應力傳感器感壓面與料倉內壁齊平，傳感器量程為20 kPa。應力傳感器編號沿縱向由上至下為1～10號，其中1～4號傳感器位于筒段，以筒錐結合處為原點，高度分別為34 cm、26 cm、19 cm和12 cm；5到10號傳感器位于錐段，高度分別為-3 cm、-9 cm、-17 cm、-24 cm、-32 cm以及-37 cm。應力數(shù)據(jù)由YBY-2001型應變測試分析儀采集，采樣頻率為2 Hz。筒段耳式支座下方放置稱重傳感器，總量程240 kg，稱重數(shù)據(jù)由Adam數(shù)據(jù)采集模塊采集，采樣頻率為1 Hz。所有傳感器均在實驗前完成校準，數(shù)據(jù)通過線纜傳輸并存儲于筆記本電腦。在填料過程中，為提高實驗數(shù)據(jù)的可重復性，采用落雨法填料[13]。填料高度為筒錐結合面上方50 cm處，達到填料高度后啟動數(shù)據(jù)采集，3 min后開啟球閥進行卸料實驗。

圖1 實驗系統(tǒng)圖1-料倉；2-YBY-2001型應變測試分析儀；3-數(shù)據(jù)采集模塊；4-計算機；5-球閥；6-應力傳感器；7-稱重傳感器

1.2 粉體物性

本次實驗物料為平均粒徑590 μm、230 μm及21 μm的無煙煤粉體，真實密度為1 700 kg/m3，堆積密度分別為1 570 kg/m3、1 427 kg/m3及987 kg/m3。采用Shear Trac-II直剪儀對煤粉物料進行了剪切實驗，預剪切正壓力設置為10 kPa。剪切特性如表1所示，隨著粒徑減小，粘聚力和內摩擦角逐漸增加，相應地流動函數(shù)下降，整體流動性能變差。

表1 粉體剪切實驗數(shù)據(jù)

2 實驗結果及討論

2.1 壁面應力波動特性

料倉卸料過程壁面法向應力變化趨勢如圖2所示。可以看出，筒段的應力呈逐步減小趨勢；錐段頂部(即5號和6號傳感器)的應力在卸料初期較為穩(wěn)定，其后發(fā)生劇烈的大幅值波動；錐段下部的應力則更多地呈現(xiàn)小幅值振蕩特性，尤其是經歷大幅值波動后，小幅振蕩更加明顯。本實驗卸料初期整體呈現(xiàn)出中心流的特性，倉內存在粉體靜止區(qū)。靜止區(qū)最初由料倉底部延伸至粉體床層上表面，但隨著卸料的持續(xù)進行，靜止區(qū)與壁面的下交點逐漸上移，最后倉內粉體全部發(fā)生移動，呈現(xiàn)整體流的特性。根據(jù)Tüzün[14]的研究，顆粒與壁面間的粘滑運動是壁面應力小幅高頻振蕩的主要原因。貼近壁面的粉體靜止區(qū)抑制了粘滑運動導致的應力振蕩。因此，筒段的壁面應力沒有小幅振蕩，而只呈現(xiàn)因料位下降導致的應力減小。同時，從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，錐段下部的應力大波動隨著卸料時間的推移不斷向上發(fā)展，可能是由錐段壁面上的靜止區(qū)從底部連續(xù)滑落導致，滑落后下方變?yōu)檎w流區(qū)域，顆粒與壁面發(fā)生粘滑運動產生壁面應力振蕩。錐段頂部(也即筒錐結合面下方)因存在明顯流道拐角，易形成較大的靜止區(qū)[3]，在卸料初期由于糧倉效應[15]使得其應力值在卸料前期保持平穩(wěn)值。其后，大范圍靜止區(qū)移動導致的粉體加速和減速過程造成了大幅度的壁面應力波動。

圖2 料倉卸料過程壁面法向應力變化圖(粒徑590 μm)

2.2 壁面應力分布特性

圖3為卸料初始階段壁面法向應力分布圖，可以看出應力分布峰值出現(xiàn)在錐段頂部，并且卸料啟動后錐段下部的應力由下至上逐漸減小，而錐段頂部至筒段的應力變化較小。卸料閥開啟后，料斗底部的煤粉受重力作用從閥門排出，使得錐段下部的粉體密度變小，空隙率增加，形成局部稀疏區(qū)[3]。由于空隙率的增大，顆粒間接觸不再緊實，傳遞至壁面的應力減小，使得該區(qū)應力明顯減小。并且稀疏區(qū)逐漸由底部向上擴展，由于筒段的煤粉能夠不斷下移填充，使得稀疏區(qū)上邊界最終穩(wěn)定在距筒錐結合面下方20 cm附近，這一過程導致了卸料初期錐段下部的應力由下至上逐漸減小，而錐段頂部和筒段的應力則較為穩(wěn)定。

圖3 初始階段壁面法向應力分布(590 μm)

對于粒徑為590 μm的煤粉，出料質量流率經歷初始排料階段短暫波動后保持恒定，整個排料過程大約持續(xù)1 400 s，但壁面法向應力分布在穩(wěn)定卸料階段具有較大的變化，如圖4所示。為消除應力振蕩的影響，取不同時刻1 min內的應力均值進行分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，卸料前期(即60～310 s)料倉壁面法向應力分布存在兩個局部峰值。上峰值由流道改變產生的應力狀態(tài)轉換造成，下峰值則是由靜止區(qū)滑落而導致的應力波動。其中，上峰值位于筒錐結合面下方10 cm附近。由于筒段煤粉初始密度較低，在到達其自身的屈服點以前，始終在進行等壓剪切[16]。同時，在到達筒錐結合處時，尚未達到最大應力。隨著界面收縮率的增大，粉體變形加劇，因此在結合面以下位置形成了上峰值。隨著卸料的進行，下部的應力峰值會逐漸向上部靠攏，最終匯聚形成大應力峰值。如圖4中510～1 080 s時間段，錐體壁面上只存在一個應力峰值，其值隨時間先增加后減小。

2.3 粒徑對于應力波動和應力值的影響

圖5(a)對不同粒徑煤粉卸料狀態(tài)下出口壁面法向應力進行了對比。結果表明，粒徑為590 μm與230 μm的煤粉在卸料的前幾秒均有明顯的降壓，隨后維持在低應力水平并伴隨著高頻振蕩，呈現(xiàn)動態(tài)平衡狀態(tài)。而粒徑為21 μm的煤粉出口處應力波動則展現(xiàn)出一種不規(guī)則的狀態(tài)。根據(jù)圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，較大粒徑的煤粉始終保持穩(wěn)定的質量流率，而小粒徑煤粉則在大約前400 s內一直處于近乎停滯的狀態(tài)。這是因為靠近出口位置的截面過小，小粒徑顆粒之間距離減小，更易發(fā)生聚團，使得出口上方發(fā)生流動惡化，形成動態(tài)拱，進而造成了出口處間歇式不規(guī)則的應力波動。在人為破拱后，質量流率急劇增加，形成不受控洪流，同時，出口處壁面法向應力隨之減小，但依舊呈現(xiàn)不規(guī)則波動。

圖4 卸料過程不同時刻壁面法向應力分布(590 μm)

圖5 不同粒徑條件下應力和卸料質量

圖6展示了不同粒徑煤粉卸料前三秒的壁面法向應力分布特性。較大粒徑的煤粉均存在明顯的應力變化，21 μm煤粉則表現(xiàn)出與靜置狀態(tài)相似的應力分布。530 μm、230 μm及21 μm的無煙煤粉在靜置下的最大應力值分別為2.64 kPa，4.64 kPa及3.83 kPa，較小的粒徑存在較大的應力峰值。

圖6 卸料前3 s不同粒徑壁面法向應力分布

粒徑為590 μm與230 μm的煤粉顆粒具有較好的流動性，如表1所示。其能夠在開啟閥門后順利卸料，令錐段下部形成稀疏流動區(qū)，使錐段下部應力相較靜置時減小。隨著粒徑的減小，應力峰值的位置不斷上移，逐漸靠近筒錐結合處。這是因為大顆粒之間空隙率較大，需要一個更長的匯聚流動來保證壓實。此外，230 μm煤粉的應力變化最快。筒錐結合處壁面法向應力在1 s內從4.64 kPa上升至7.02 kPa。由于壁面應力發(fā)生變化的根源是因為粉體發(fā)生了流動[1]，從動態(tài)響應的速度上看，相比590 μm的煤粉，230 μm煤粉表現(xiàn)出更好的流動性。

3 結論

本文利用有機玻璃實驗料倉對粒徑分別為21 μm、230 μm及590 μm的煤粉物料進行了卸料實驗。使用料倉側壁布置的微型應力傳感器獲得了壁面法向應力特性；通過在料倉耳式支座下布置稱重傳感器得到了卸料質量流率特性。對卸料狀態(tài)下壁面法向應力動態(tài)變化特性和分布特性進行了分析，并通過不同粒徑的煤粉卸料實驗討論了卸料特性與出口壁面應力的關聯(lián)機制。結論如下：

(1)對于粒徑為590 μm的煤粉，卸料過程中筒段壁面法向應力逐漸減??；錐段頂部應力先保持恒定后發(fā)生劇烈波動；錐段下部應力在經歷大幅值波動后，呈現(xiàn)穩(wěn)定的小幅振蕩。卸料初期料倉壁面附近存在粉體靜止區(qū)，消除了因顆粒-壁面粘滑運動導致的應力振蕩。靜止區(qū)從料倉底部連續(xù)滑落導致錐段下部應力的大幅度波動，其后錐段下部變?yōu)檎w流流動區(qū)，壁面應力出現(xiàn)應力振蕩。

(2)初始卸料階段，錐段底部出現(xiàn)粉體稀疏區(qū)，導致底部壁面法向應力迅速下降。其后，壁面法向應力沿縱向出現(xiàn)兩個局部峰值。上峰值由流道改變產生的應力狀態(tài)轉換造成，下峰值則由靜止區(qū)滑落而導致的應力波動引起。隨著卸料的持續(xù)進行，下部的應力峰值會逐漸向上部靠攏，最終匯聚形成大應力峰值，且此峰值隨卸料逐漸減小。

(3)較大粒徑的煤粉(590 μm和230 μm煤粉)在卸料的前幾秒出口處壁面法向應力均有明顯的降壓，隨后應力出現(xiàn)高頻振蕩，呈現(xiàn)動態(tài)平衡狀態(tài)，且卸料質量流率穩(wěn)定。而粒徑為21 μm煤粉的出口應力則展現(xiàn)出一種不規(guī)則的波動狀態(tài)，且初始卸料階段應力分布與靜置狀態(tài)下的分布相同。小粒徑煤粉內聚力較大，在出口處形成動態(tài)拱，進而造成了出口處間歇式不規(guī)則的應力波動，且破拱后易形成不受控洪流。根據(jù)出料質量流率和應力動態(tài)響應的速度，230 μm煤粉表現(xiàn)出更好的流動性。