步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備的研究及應(yīng)用

常燕青 胡 軍

1.維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司 常州 213125 2.常州金源機(jī)械設(shè)備有限公司 常州 213126

3.江蘇省固體廢棄物處理環(huán)保裝備工程技術(shù)研究中心 常州 213126

0 引言

均勻輸送是秸稈、果蔬、城鄉(xiāng)垃圾處理中的必要工序，同時(shí)在秸稈處理項(xiàng)目中處理量大，進(jìn)料卸料時(shí)間短的情況下，還需輸送設(shè)備具有存儲緩存的功能。步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備作為一種新形式的輸送設(shè)備，在滿足輸送、存儲、承載等高要求的情況下，展現(xiàn)了很多優(yōu)于類似產(chǎn)品設(shè)備的性能。本文依托衡水混合原料10萬m2生物天然氣項(xiàng)目和隆安2 MW混合原料沼氣發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)例，對步進(jìn)料倉式設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹，并結(jié)合設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)分析，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算校核，為步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化和推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程項(xiàng)目簡介

1.1 衡水項(xiàng)目工程概況

衡水混合原料10萬m2生物天然氣項(xiàng)目垃圾類型及處理量為果蔬120 t/d、秸稈460 t/d、牛糞460 t/d、酒糟500 t/d；沼氣產(chǎn)量為180 000 m3/d；生物天然氣產(chǎn)量為100 000 m3/d；每年減少排放72萬t CO2當(dāng)量的溫室氣體。秸稈輸送系統(tǒng)一期工程步進(jìn)料倉輸送處理量為20 t/h，料倉存儲有效容積為210 m3。秸稈通過自卸式卡車卸到步進(jìn)料倉內(nèi)，由步進(jìn)料倉輸送到皮帶輸送機(jī)上，再到細(xì)破碎機(jī)上，最后由皮帶機(jī)輸送到水解池，酸化后進(jìn)入?yún)捬豕捱M(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼。

1.2 隆安項(xiàng)目工程概況

隆安2 MW混合原料沼氣發(fā)電項(xiàng)目垃圾類型及處理量為牛草100 t/d、甘蔗渣20 t/d、香蕉皮60 t/d、甘蔗青頭70 t/d；沼氣產(chǎn)量為20 830 m3/d；生物天然氣產(chǎn)量為11 600 m3/d；每年減少排放8萬t CO2當(dāng)量的溫室氣體?；旌显陷斔拖到y(tǒng)中步進(jìn)料倉輸最大送能力為20 t/h，料倉有效存儲容積為90 m3。2條處理線：混合原料通過裝載機(jī)進(jìn)入到步進(jìn)料倉，經(jīng)螺旋輸送機(jī)直接輸送到厭氧罐發(fā)酵產(chǎn)沼。

2 步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備介紹

2.1 步進(jìn)料倉的結(jié)構(gòu)

步進(jìn)料倉主要由：出料滾筒、前后端板、側(cè)板殼體、步進(jìn)地板、導(dǎo)向限位塊、地板蓋板、支撐框架、支腿、尾部防護(hù)等機(jī)械部分和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。

2.2 步進(jìn)料倉的工作原理

通過液壓缸驅(qū)動(dòng)，物料隨著所有步進(jìn)地板整體同時(shí)前進(jìn)；走完液壓缸行程后，地板開始后退，后退時(shí)地板單塊逐個(gè)后退；地板數(shù)量按照3的倍數(shù)進(jìn)行布置。以3塊地板為例，單個(gè)地板運(yùn)動(dòng)其上物料產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力小于2塊地板上物料產(chǎn)生的靜摩擦力，按照地板每次全部同時(shí)前進(jìn)然后單塊逐個(gè)后退到初始位置再循環(huán)往復(fù)的方式，物料每個(gè)周期都能向出料方向前進(jìn)一個(gè)液壓缸行程的距離；物料前進(jìn)到出料滾筒處被滾筒均料打散進(jìn)入出料口輸送至下一道工藝流程。圖1為9根地板間歇式出料運(yùn)行的原理示意圖。

圖1 9根地板間歇式出料運(yùn)行示意圖

2.3 步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備的特點(diǎn)

步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備實(shí)現(xiàn)了大容積物料的輸送，料倉貯存量大、承載能力強(qiáng)、封閉性好、設(shè)備一體化和輸送效率高，運(yùn)行時(shí)喂料方便，自動(dòng)化程度高且避免了帶載啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力穩(wěn)定性更高，出料時(shí)出料口有傾斜布置的勻料滾筒，既能起到勻料限制出料高度的作用又能將積壓的塊狀物料打散，方便后續(xù)工藝流程的處理。

3 步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備參數(shù)分析

3.1 衡水項(xiàng)目運(yùn)行分析

衡水項(xiàng)目物料特性為黃儲秸稈，物料密度為0.5 t/m3；料倉處理量為 20 t/h；料倉存儲容量為210 m3；接料倉的出料設(shè)備為U1 200，帶速為1 m/s。

3.1.1 步進(jìn)料倉輸送設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

料倉有效容積為18 m×3.6 m×3.4 m（長×寬×高），地板數(shù)量為9根，液壓站電機(jī)功率為30 kW，工作壓力20 MPa，液壓缸行程300 mm。

3.1.2 衡水項(xiàng)目步進(jìn)料倉實(shí)際運(yùn)行情況

衡水項(xiàng)目料倉進(jìn)料方式為自卸卡車側(cè)面和尾部卸料兩種方式，秸稈在步進(jìn)料倉內(nèi)平均堆高為2 m左右，運(yùn)行時(shí)步進(jìn)料倉按照間歇式模式進(jìn)行出料。

液壓缸驅(qū)動(dòng)地板運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)時(shí)9根地板同步前進(jìn)，后退時(shí)單根逐個(gè)后退；根據(jù)后續(xù)工藝設(shè)備處理要求進(jìn)行地板運(yùn)行速度的調(diào)整，前進(jìn)時(shí)地板前進(jìn)液壓缸行程300 mm，用時(shí)約100 s，后退時(shí)從滿行程300 mm位置退到初始位置用時(shí)5 s；同時(shí)9根液壓缸運(yùn)行時(shí)存在同步性差異，在前進(jìn)和后退位置均設(shè)置了停留時(shí)間以保證9根液壓缸均能走完最大300 mm行程，前進(jìn)位置設(shè)置停留時(shí)間10 s，后退位置設(shè)置停留時(shí)間2 s。

正常2 m物料高度運(yùn)行時(shí)，地板前進(jìn)液壓站壓力約為10 MPa，地板后退液壓站壓力約為15 MPa。在基本滿倉3 m物料高度運(yùn)行時(shí)，地板前進(jìn)液壓站壓力約為12 MPa，地板后退液壓站壓力約為18 MPa。

3.1.3 步進(jìn)料倉運(yùn)行參數(shù)計(jì)算核對

按步進(jìn)料倉實(shí)際運(yùn)行情況對料倉輸送處理量進(jìn)行核對。地板循環(huán)間歇式運(yùn)行，相當(dāng)于料倉在周期性將物料向前推進(jìn)，每運(yùn)行1個(gè)周期秸稈前進(jìn)300 mm；每個(gè)運(yùn)行周期的時(shí)間T為

式中：t1為地板前進(jìn)時(shí)間，t2為地板后退時(shí)間，t3為地板停留時(shí)間。

每運(yùn)行一個(gè)周期，能輸送的秸稈體積V1為

式中：W為物料堆積寬度，H為物料堆積高度，S為物料前進(jìn)距離。

每小時(shí)地板循環(huán)運(yùn)行的次數(shù)N=3 600/T=21，T為每個(gè)循環(huán)的運(yùn)行周期。步進(jìn)料倉每小時(shí)的輸送量Q=N·V1=42 m3/h。結(jié)合秸稈堆積密度，按此方式運(yùn)行的步進(jìn)料倉處理量可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1.4 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

通過步進(jìn)料倉實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與理論設(shè)計(jì)參數(shù)對比分析，可知由于秸稈在料倉內(nèi)堆積截面很大，物料前進(jìn)速度必須很慢才能保證輸送的物料量不超出后續(xù)設(shè)備的處理量。料倉需足夠的緩存體積，從液壓系統(tǒng)上進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，以保證截面尺寸。

結(jié)合料倉地板的運(yùn)行速度可計(jì)算出液壓缸所需流量，對比發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中所選柱塞泵排量偏大，選更小型號的柱塞泵即可滿足要求。液壓站電機(jī)功率為

式中：W為液壓站電機(jī)功率，Q為系統(tǒng)流量，P為液壓系統(tǒng)壓力，K為標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)。

由此可知液壓站電機(jī)功率與系統(tǒng)流量Q成正比，在保證系統(tǒng)壓力P的條件下，減小液壓系統(tǒng)中柱塞泵排量的同時(shí)還能夠降低液壓站電機(jī)所需功率。

3.1.5 衡水項(xiàng)目運(yùn)行總結(jié)

衡水項(xiàng)目的步進(jìn)料倉截面較大，其存儲和輸送能力能夠保證，且處理量可調(diào)范圍較大，只是后續(xù)工藝設(shè)備的處理能力對其運(yùn)行進(jìn)行了限制。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況可作為后續(xù)設(shè)計(jì)的參考，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，滿足使用要求的同時(shí)降低生產(chǎn)成本和運(yùn)營成本。

3.2 隆安項(xiàng)目運(yùn)行分析

隆安項(xiàng)目物料特性為混合草料，物料密度為0.6 t/m3；料倉處理量為 5～40 m3/h；料倉存儲容量為80 m3；接料倉的出料設(shè)備為U500螺旋輸送機(jī)。

3.2.1 步進(jìn)料倉輸送設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)

料倉有效容積為12 m×3 m×2.4 m（長×寬×高），地板數(shù)量為7根，液壓站電機(jī)功率為15 kW，工作壓力18 MPa，液壓缸行程200 mm。

3.2.2 隆安項(xiàng)目步進(jìn)料倉實(shí)際運(yùn)行情況

隆安項(xiàng)目料倉進(jìn)料料方式為裝載機(jī)上料，秸稈在步進(jìn)料倉內(nèi)平均堆高2 m左右，運(yùn)行時(shí)步進(jìn)料倉按照間歇式模式進(jìn)行出料。

液壓缸驅(qū)動(dòng)地板運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)時(shí)7根地板同步前進(jìn)，后退時(shí)單根逐個(gè)后退；根據(jù)后續(xù)工藝設(shè)備處理要求進(jìn)行地板運(yùn)行速度的調(diào)整，前進(jìn)時(shí)地板前進(jìn)液壓缸行程200 mm，用時(shí)約65 s，后退時(shí)從滿行程200 mm位置退到初始位置用時(shí)6 s；同時(shí)7根液壓缸運(yùn)行時(shí)存在同步性差異，在前進(jìn)和后退位置均設(shè)置了停留時(shí)間保證7根液壓缸均能走完最大200 mm行程，前進(jìn)位置設(shè)置停留時(shí)間5 s，后退位置設(shè)置停留時(shí)間2 s。

正常2 m物料高度運(yùn)行時(shí)，地板前進(jìn)液壓站壓力10 MPa左右，地板后退液壓站壓力15 MPa左右。

3.2.3 隆安步進(jìn)料倉運(yùn)行參數(shù)計(jì)算核對

根據(jù)隆安項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行參數(shù)結(jié)合衡水項(xiàng)目的計(jì)算方法，隆安步進(jìn)料倉每小時(shí)的輸送量為36 m3/h。結(jié)合后續(xù)螺旋輸送機(jī)處理量，按此方式運(yùn)行的步進(jìn)料倉處理量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2.4 隆安項(xiàng)目運(yùn)行分析

在衡水項(xiàng)目運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對隆安項(xiàng)目的液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)通過理論計(jì)算與實(shí)際測試獲得的應(yīng)用結(jié)果，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

4 步進(jìn)料倉式輸送設(shè)備運(yùn)行及設(shè)計(jì)優(yōu)化

衡水和隆安兩個(gè)項(xiàng)目的步進(jìn)料倉均是按間歇式運(yùn)行，在地板間歇式運(yùn)行的周期中，地板前進(jìn)過程是實(shí)際出料的有用功時(shí)間，地板后退和轉(zhuǎn)換的停留時(shí)間為出料的無用功時(shí)間，按照間歇式出料方式運(yùn)行實(shí)際降低了設(shè)備的運(yùn)行效率，增加了能耗，提高了運(yùn)行成本，故對步進(jìn)料倉應(yīng)按照由間歇式出料模式向連續(xù)出料模式的方向進(jìn)行優(yōu)化。

通過增加位移傳感器和液壓精確調(diào)速閥，嚴(yán)格控制液壓缸的前進(jìn)和后退速度，始終保證在地板動(dòng)作過程中，其中一個(gè)地板在后退，其余地板都在前進(jìn)，即能將物料持續(xù)向出料方向推進(jìn)。雖然步進(jìn)料倉的連續(xù)運(yùn)行模式有周期性，但是物料在連續(xù)前進(jìn)，即在整個(gè)周期內(nèi)全是物料輸送的有用功時(shí)間，無用功時(shí)間為0。具體如圖2～圖4所示。不同數(shù)量地板在連續(xù)運(yùn)行過程中保證有1根地板在后退，其余地板都在前進(jìn)。單根地板后退速度是前進(jìn)的2倍（見圖2），單根地板后退速度是前進(jìn)的5倍（見圖3），單根地板后退速度是前進(jìn)的8倍（見圖4）。

圖3 6根地板連續(xù)運(yùn)行模式

圖4 9根地板連續(xù)運(yùn)行模式

步進(jìn)式料倉設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行模式相對于間歇式運(yùn)行更加高效，但對控制要求較高，要考慮PLC控制程序編程的難度、液壓系統(tǒng)配置的標(biāo)準(zhǔn)、位移傳感器的精度等。步進(jìn)料倉輸送系統(tǒng)可配置稱重系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示物料重量和輸送量，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)軟件可通過遠(yuǎn)程控制和設(shè)定運(yùn)行模式。

5 結(jié)語

步進(jìn)料倉的處理量范圍可調(diào)性較高，具有較高的靈活性，同時(shí)在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上適應(yīng)性非常強(qiáng)。作為一款穩(wěn)定高效的輸送設(shè)備，步進(jìn)料倉兼具了接收、存儲、輸送的優(yōu)良性能，通過在秸稈、果蔬垃圾等混合原料處理項(xiàng)目上的應(yīng)用，可將其推廣到其他類型環(huán)保項(xiàng)目進(jìn)行使用，特別是生活垃圾、廚余垃圾等相關(guān)處理項(xiàng)目。