侍一夫，梁 財(cái)

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

料倉(cāng)作為粉體物料的存儲(chǔ)及輸送控制裝置被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[1]。在燃煤發(fā)電和煤化工行業(yè)，料倉(cāng)是煤粉處理和輸運(yùn)的關(guān)鍵設(shè)備，倉(cāng)內(nèi)煤粉的卸料特性對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[2]。粉體應(yīng)力顯著影響著粉體的流動(dòng)特性[3]。因此，對(duì)于料倉(cāng)內(nèi)煤粉卸料過程的應(yīng)力特性研究十分重要。

筒倉(cāng)內(nèi)物料應(yīng)力特性的研究由來已久[4]。19世紀(jì)末，Janssen[5]發(fā)現(xiàn)對(duì)于裝有顆粒物料的筒倉(cāng)，壁面法向應(yīng)力隨深度增加趨于一個(gè)穩(wěn)定值，與液體靜壓變化特性存在較大區(qū)別。其認(rèn)為顆粒與壁面間的摩擦承擔(dān)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(xué)者對(duì)倉(cāng)內(nèi)顆粒物料的卸料特性和應(yīng)力特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)卸料狀態(tài)下物料應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生改變[7]。若卸料狀態(tài)下存在漸縮流道，則流道內(nèi)粉體應(yīng)力由朗肯主動(dòng)態(tài)變?yōu)槔士媳粍?dòng)態(tài)[8]。在流動(dòng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變的位置，如帶錐型料斗料倉(cāng)的筒錐結(jié)合處，壁面法向應(yīng)力急劇增大，形成動(dòng)態(tài)超壓[9]。Jenike[10]在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上給出了剪切特性與流動(dòng)特性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將倉(cāng)內(nèi)粉體流動(dòng)分為整體流和中心流(也即倉(cāng)內(nèi)存在粉體靜止區(qū))，同時(shí)建立了料倉(cāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于各國(guó)的料倉(cāng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[11]。然而，上述顆粒料倉(cāng)的設(shè)計(jì)方法并不完全適用于粉體料倉(cāng)。對(duì)于由微米級(jí)顆粒構(gòu)成的粉體，顆粒間的內(nèi)聚力相對(duì)較強(qiáng)[3]，依據(jù)常規(guī)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的料倉(cāng)在粉體卸料過程中經(jīng)常發(fā)生堵塞、脈動(dòng)、鼠洞等問題[12]，導(dǎo)致流動(dòng)惡化。目前，針對(duì)粉體卸料過程應(yīng)力特性的研究較少，粉體卸料特性與應(yīng)力特性間關(guān)聯(lián)關(guān)系尚不明晰。

本文利用有機(jī)玻璃料倉(cāng)進(jìn)行了煤粉卸料實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)料倉(cāng)由圓筒及圓錐型料斗組成。通過料倉(cāng)側(cè)壁縱向布置的微型應(yīng)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(shí)壁面法向應(yīng)力及出料質(zhì)量流率。研究倉(cāng)內(nèi)煤粉的卸料特性及應(yīng)力特性，揭示粉體卸料特性與應(yīng)力特性間關(guān)聯(lián)機(jī)制，為粉體料倉(cāng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)物料

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，料倉(cāng)由厚度為5 mm的有機(jī)玻璃制成，上部為圓柱型筒體，高500 mm，內(nèi)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(cāng)側(cè)壁鉆孔并布置微型應(yīng)力傳感器，使應(yīng)力傳感器感壓面與料倉(cāng)內(nèi)壁齊平，傳感器量程為20 kPa。應(yīng)力傳感器編號(hào)沿縱向由上至下為1～10號(hào)，其中1～4號(hào)傳感器位于筒段，以筒錐結(jié)合處為原點(diǎn)，高度分別為34 cm、26 cm、19 cm和12 cm；5到10號(hào)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(yīng)力數(shù)據(jù)由YBY-2001型應(yīng)變測(cè)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?cái)?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(shí)驗(yàn)前完成校準(zhǔn)，數(shù)據(jù)通過線纜傳輸并存儲(chǔ)于筆記本電腦。在填料過程中，為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，采用落雨法填料[13]。填料高度為筒錐結(jié)合面上方50 cm處，達(dá)到填料高度后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，3 min后開啟球閥進(jìn)行卸料實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖1-料倉(cāng)；2-YBY-2001型應(yīng)變測(cè)試分析儀；3-數(shù)據(jù)采集模塊；4-計(jì)算機(jī)；5-球閥；6-應(yīng)力傳感器；7-稱重傳感器

1.2 粉體物性

本次實(shí)驗(yàn)物料為平均粒徑590 μm、230 μm及21 μm的無(wú)煙煤粉體，真實(shí)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(duì)煤粉物料進(jìn)行了剪切實(shí)驗(yàn)，預(yù)剪切正壓力設(shè)置為10 kPa。剪切特性如表1所示，隨著粒徑減小，粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增加，相應(yīng)地流動(dòng)函數(shù)下降，整體流動(dòng)性能變差。

表1 粉體剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 壁面應(yīng)力波動(dòng)特性

料倉(cāng)卸料過程壁面法向應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖2所示?？梢钥闯?，筒段的應(yīng)力呈逐步減小趨勢(shì)；錐段頂部(即5號(hào)和6號(hào)傳感器)的應(yīng)力在卸料初期較為穩(wěn)定，其后發(fā)生劇烈的大幅值波動(dòng)；錐段下部的應(yīng)力則更多地呈現(xiàn)小幅值振蕩特性，尤其是經(jīng)歷大幅值波動(dòng)后，小幅振蕩更加明顯。本實(shí)驗(yàn)卸料初期整體呈現(xiàn)出中心流的特性，倉(cāng)內(nèi)存在粉體靜止區(qū)。靜止區(qū)最初由料倉(cāng)底部延伸至粉體床層上表面，但隨著卸料的持續(xù)進(jìn)行，靜止區(qū)與壁面的下交點(diǎn)逐漸上移，最后倉(cāng)內(nèi)粉體全部發(fā)生移動(dòng)，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(yùn)動(dòng)是壁面應(yīng)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)力振蕩。因此，筒段的壁面應(yīng)力沒有小幅振蕩，而只呈現(xiàn)因料位下降導(dǎo)致的應(yīng)力減小。同時(shí)，從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，錐段下部的應(yīng)力大波動(dòng)隨著卸料時(shí)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壁面應(yīng)力振蕩。錐段頂部(也即筒錐結(jié)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(cāng)效應(yīng)[15]使得其應(yīng)力值在卸料前期保持平穩(wěn)值。其后，大范圍靜止區(qū)移動(dòng)導(dǎo)致的粉體加速和減速過程造成了大幅度的壁面應(yīng)力波動(dòng)。

圖2 料倉(cāng)卸料過程壁面法向應(yīng)力變化圖(粒徑590 μm)

2.2 壁面應(yīng)力分布特性

圖3為卸料初始階段壁面法向應(yīng)力分布圖，可以看出應(yīng)力分布峰值出現(xiàn)在錐段頂部，并且卸料啟動(dòng)后錐段下部的應(yīng)力由下至上逐漸減小，而錐段頂部至筒段的應(yīng)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(shí)，傳遞至壁面的應(yīng)力減小，使得該區(qū)應(yīng)力明顯減小。并且稀疏區(qū)逐漸由底部向上擴(kuò)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(jié)合面下方20 cm附近，這一過程導(dǎo)致了卸料初期錐段下部的應(yīng)力由下至上逐漸減小，而錐段頂部和筒段的應(yīng)力則較為穩(wěn)定。

圖3 初始階段壁面法向應(yīng)力分布(590 μm)

對(duì)于粒徑為590 μm的煤粉，出料質(zhì)量流率經(jīng)歷初始排料階段短暫波動(dòng)后保持恒定，整個(gè)排料過程大約持續(xù)1 400 s，但壁面法向應(yīng)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(yīng)力振蕩的影響，取不同時(shí)刻1 min內(nèi)的應(yīng)力均值進(jìn)行分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，卸料前期(即60～310 s)料倉(cāng)壁面法向應(yīng)力分布存在兩個(gè)局部峰值。上峰值由流道改變產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換造成，下峰值則是由靜止區(qū)滑落而導(dǎo)致的應(yīng)力波動(dòng)。其中，上峰值位于筒錐結(jié)合面下方10 cm附近。由于筒段煤粉初始密度較低，在到達(dá)其自身的屈服點(diǎn)以前，始終在進(jìn)行等壓剪切[16]。同時(shí)，在到達(dá)筒錐結(jié)合處時(shí)，尚未達(dá)到最大應(yīng)力。隨著界面收縮率的增大，粉體變形加劇，因此在結(jié)合面以下位置形成了上峰值。隨著卸料的進(jìn)行，下部的應(yīng)力峰值會(huì)逐漸向上部靠攏，最終匯聚形成大應(yīng)力峰值。如圖4中510～1 080 s時(shí)間段，錐體壁面上只存在一個(gè)應(yīng)力峰值，其值隨時(shí)間先增加后減小。

2.3 粒徑對(duì)于應(yīng)力波動(dòng)和應(yīng)力值的影響

圖5(a)對(duì)不同粒徑煤粉卸料狀態(tài)下出口壁面法向應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)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(yīng)力水平并伴隨著高頻振蕩，呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。而粒徑為21 μm的煤粉出口處應(yīng)力波動(dòng)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(zhì)量流率，而小粒徑煤粉則在大約前400 s內(nèi)一直處于近乎停滯的狀態(tài)。這是因?yàn)榭拷隹谖恢玫慕孛孢^小，小粒徑顆粒之間距離減小，更易發(fā)生聚團(tuán)，使得出口上方發(fā)生流動(dòng)惡化，形成動(dòng)態(tài)拱，進(jìn)而造成了出口處間歇式不規(guī)則的應(yīng)力波動(dòng)。在人為破拱后，質(zhì)量流率急劇增加，形成不受控洪流，同時(shí)，出口處壁面法向應(yīng)力隨之減小，但依舊呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)。

圖4 卸料過程不同時(shí)刻壁面法向應(yīng)力分布(590 μm)

圖5 不同粒徑條件下應(yīng)力和卸料質(zhì)量

圖6展示了不同粒徑煤粉卸料前三秒的壁面法向應(yīng)力分布特性。較大粒徑的煤粉均存在明顯的應(yīng)力變化，21 μm煤粉則表現(xiàn)出與靜置狀態(tài)相似的應(yīng)力分布。530 μm、230 μm及21 μm的無(wú)煙煤粉在靜置下的最大應(yīng)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(yīng)力峰值。

圖6 卸料前3 s不同粒徑壁面法向應(yīng)力分布

粒徑為590 μm與230 μm的煤粉顆粒具有較好的流動(dòng)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(dòng)區(qū)，使錐段下部應(yīng)力相較靜置時(shí)減小。隨著粒徑的減小，應(yīng)力峰值的位置不斷上移，逐漸靠近筒錐結(jié)合處。這是因?yàn)榇箢w粒之間空隙率較大，需要一個(gè)更長(zhǎng)的匯聚流動(dòng)來保證壓實(shí)。此外，230 μm煤粉的應(yīng)力變化最快。筒錐結(jié)合處壁面法向應(yīng)力在1 s內(nèi)從4.64 kPa上升至7.02 kPa。由于壁面應(yīng)力發(fā)生變化的根源是因?yàn)榉垠w發(fā)生了流動(dòng)[1]，從動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dòng)性。

3 結(jié)論

本文利用有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)料倉(cāng)對(duì)粒徑分別為21 μm、230 μm及590 μm的煤粉物料進(jìn)行了卸料實(shí)驗(yàn)。使用料倉(cāng)側(cè)壁布置的微型應(yīng)力傳感器獲得了壁面法向應(yīng)力特性；通過在料倉(cāng)耳式支座下布置稱重傳感器得到了卸料質(zhì)量流率特性。對(duì)卸料狀態(tài)下壁面法向應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化特性和分布特性進(jìn)行了分析，并通過不同粒徑的煤粉卸料實(shí)驗(yàn)討論了卸料特性與出口壁面應(yīng)力的關(guān)聯(lián)機(jī)制。結(jié)論如下：

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

(2)初始卸料階段，錐段底部出現(xiàn)粉體稀疏區(qū)，導(dǎo)致底部壁面法向應(yīng)力迅速下降。其后，壁面法向應(yīng)力沿縱向出現(xiàn)兩個(gè)局部峰值。上峰值由流道改變產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換造成，下峰值則由靜止區(qū)滑落而導(dǎo)致的應(yīng)力波動(dòng)引起。隨著卸料的持續(xù)進(jìn)行，下部的應(yīng)力峰值會(huì)逐漸向上部靠攏，最終匯聚形成大應(yīng)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(yīng)力均有明顯的降壓，隨后應(yīng)力出現(xiàn)高頻振蕩，呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，且卸料質(zhì)量流率穩(wěn)定。而粒徑為21 μm煤粉的出口應(yīng)力則展現(xiàn)出一種不規(guī)則的波動(dòng)狀態(tài)，且初始卸料階段應(yīng)力分布與靜置狀態(tài)下的分布相同。小粒徑煤粉內(nèi)聚力較大，在出口處形成動(dòng)態(tài)拱，進(jìn)而造成了出口處間歇式不規(guī)則的應(yīng)力波動(dòng)，且破拱后易形成不受控洪流。根據(jù)出料質(zhì)量流率和應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，230 μm煤粉表現(xiàn)出更好的流動(dòng)性。