污泥机械化堆肥工程中料仓与贮存系统
慧聪水工业网摘要：堆肥是以多种固体物料混和物为介质的生物反应过程，并且物料来源非连续，甚至部分物料来源存在季节性，因此合理设置贮存系统，可以保障整个工艺系统运行的稳定性，并且可以降低运行成本。传统堆肥工程对于贮存系统的考虑较为粗放，常采用堆场、堆棚等设施。在机械化堆肥系统中，贮存系统主要指用来存放散状物料的料仓系统。以污泥为目标介质，阐述了料仓分类、料仓的流动性及影响因素、料仓的设计与选型、起拱现象的防范措施，最后给出在污泥机械化堆肥系统中应用料仓系统应注意的六个问题。
0．前言
完全意义上的机械化堆肥工程要求全部工艺过程由机械设备自主完成，这对于臭气污染控制和操作人员的职业健康安全十分重要。实现上述目标需要三道工序和八个目的不同但相互关联的机械子系统配合完成，工序包括：受料、混料、好氧发酵；子系统包括：混料系统、翻堆与转仓系统、进出仓系统、曝气系统、除臭系统、物料输送系统、计量系统、贮存系统。上述工序与子系统关系如下图所示。
图0.1全机械化堆肥流程子系统与工序对应关系图
贮存系统是除好氧发酵工序外，物料堆置储存设备、设施的统称。堆肥是以多种固体物料混和物为介质的生物反应过程，并且物料来源非连续，甚至部分物料来源存在季节性，因此合理设置贮存系统，可以保障整个工艺系统运行的稳定性，并且可以降低运行成本。
传统堆肥工程对于贮存系统的考虑较为粗放，常采用堆场、堆棚等设施，且必须以装载机等工程机械与车辆配合方能实现物料的进出；也有部分项目采用封闭车间作为贮存设施，但总体上无法摆脱有人操作和作业环境恶劣的窘境，并且存在爆燃隐患。
1．机械化堆肥工程贮存系统概述
在机械化堆肥系统中，贮存系统主要指用来存放散状物料的料仓系统，在生产线中主要起中转储存、缓冲处理量和均衡作业等作用。以污泥堆肥项目为例：上述散料一般指脱水污泥（含水率75%～85%）、熟料（堆肥产物，含水率30%～50%）、干料（秸秆、花生壳或蘑菇渣等，含水率10%～30%）以及由它们按比例搅拌形成的待发酵混合物（含水率50%～60%）等；根据承载物料不同，料仓一般可分为污泥料仓、熟料料仓、干料料仓等；根据工序位置不同，料仓可分为受料料仓、配料料仓、贮存料仓；需要指出的是，在生产线外，对于季节性物料（如秸秆、稻壳等）和特殊物料（如事故污泥等），传统堆场、堆棚在机械化堆肥项目中仍有应用空间，相对于贮存料仓具有经济、灵活、贮存量大等优势。
图1.1污泥机械化堆肥系统贮存子系统流程示意图
2．料仓分类
机械化堆肥系统生产线包括受料、混（配）料、布料、好氧发酵、出料等连续运行的直接生产系统，若想实现生产线全机械化，贮存系统目前的最佳选择就是料仓。料仓一般包括由壳体、进料、卸料、控制、计量、分配和除尘等设备组成，存放容易起拱的物料时还需要破拱装置，存放易燃物料的则需要防火防爆装置。
机械化堆肥系统中的料仓基本都属于固体料仓（注：污泥属于半固体，性质介于固液之间。），固体料仓是储存固体松散物料的容器，它区别于储存气体、液体的容器：气体充满于容器内，以自身压力对整个容器壁产生均匀作用力；液体盛装在容器里，液柱静压对液面以下不同高度的壁面产生不同的作用力。松散的固体物料盛装在容器里，对物料面以下的容器壁，产生垂直压力、水平压力、在物料流动的情况下对壁面还产生摩擦力。所以设计固体料仓时除要考虑容器的共性外还要考虑到它的特殊性。
料仓按平面形状可分为矩形仓（包括方仓）、圆仓等；这些不同平面形状的料仓即可独立布置，又可或组合成单列仓和多列群仓。按其结构计算方法可分浅仓与深仓两大类，当仓壁计算高度与圆形筒仓内径或矩形筒仓短边之比大于或等于1.5时为深仓，小于1.5时未浅仓；深仓多用于贮存物料（如脱水污泥、干料等），浅仓一般用于卸料、受料、配料与给料等中间工序。按壳体材料可分为钢筋混凝土仓、金属仓与砌体仓。料仓按照底部形式可分为锥底料仓和平底料仓。传统料仓一般为锥底料仓，随着卸料滑架技术的产生和发展，平底料仓的使用越来越多。
上左图：烟台莱山污水厂污泥堆肥项目干料料仓（钢质圆形锥底）
上右图：郑州八岗污泥处理厂熟料/辅料料仓（钢质矩形锥底）与污泥料仓（混凝土矩形锥底）
下左图：沈阳城市污泥处理项目料仓组（钢质矩形平底带滑架）
下右图：唐山城市污泥处理项目料仓组（钢质矩形锥底/平底带滑架）
图2.1国内污泥堆肥代表项目料仓应用现场图
3．料仓的流动性及影响因素
正常情况下物料在料仓内部靠自重从卸料口卸出，但堆肥物料性状复杂，在料仓中经常遇到物料流动不稳定的问题。实践中发现，部分料仓排料不畅，易出现起拱堵塞现象；有的形成管斗，料仓中大部分料无法排出，致使有效容积降低。根据散装固体物料在料仓内的流动特性，可将料仓内的物流流态分为三种类型：
（1）漏斗流
漏斗流料仓卸料时，沿仓壁有部分物料静止不流动，其特点是：①先进后出的流动顺序。因为仓壁附近的物料在摩擦力的作用下不易流动，所以先进仓的物料有可能后出来。②可能产生管斗。由于出现漏斗流，如果物料有足够的黏性，仓壁附近的物料可能无法依靠自身重力自主流出，形成所谓管斗，要到停产时人工清仓方能清除。③不均衡流动。漏斗流料仓中，四周的物料是靠超过物体本身的休止角而塌落下来的，因此卸料不均衡，此外塌落料的冲击力会进一步压实料仓出料口的物料并产生起拱现象。④涌流。如果所储存的物料粒度极小，塌落时会气化，其流动性能接近流体，从料仓出口涌出。⑤分层。由于漏斗流料仓卸料时中部和四周物料不规则分层交替流出，此时投料将使上述分层问题加剧。
（2）整体流
整体流料仓卸料时，料仓中所有物料同时流动。其特点是：①料仓壁陡且光滑。②先进先出的流动顺序。先卸出的物料是先放入料仓的物料。③卸料时，物料从侧壁和中部一道卸出，使物料再混合，可使料仓投料时产生的分层现象得到减轻。④由于物料流经料仓时所受到的压实程度相同，所以出口处物料的容重和流动速率几乎恒定。
（3）扩散流
扩散流料仓是将整体流料仓的一些优点和漏斗流料仓的经济性结合在一起。在底部是整体流料仓，将整体流扩展到上部漏斗流区域中，以克服漏斗流料仓形成管斗的趋势。
影响料仓流动性的主要因素有：
（1）散装固体物料的性质是影响料仓流动性的最主要因素，具体包括：
①稳定流动时物料内部的摩擦力大小。通常黏性大的物料就容易形成起拱、管斗，例如在相同粒径条件下蘑菇渣的黏性大于稻壳。
②散状固体物料开始滑动时的内部摩擦情况。
③散状固体与仓壁材料的摩擦系数。
④压实性，与料仓内储存物料的高度有关。
⑤透气性，如果物料颗粒很细时，物料透气性变差，物料在仓内形成负压，在料仓出口处易产生起拱现象。
（2）锥斗的影响
①锥斗的倾角的影响。锥斗的倾角较大时，料流的速度较快，流动的形态主要是整体流或整体流与漏斗流的混合状态。锥斗的倾角较小时，料仓流出的速度也较慢，尤其是靠近仓壁处速度可能为零，形成漏斗流。
②锥斗出料口的影响。出料口越小，料仓下部接近料斗处起拱越严重，料仓的流速也越小，并有可能产生起拱现象。
③锥斗出口的形状的影响。锥斗出口的形状也是影响物料流动性的一个因素，圆形的出口比长方形出口更容易起拱。
4．料仓的设计与选型
料仓设计主要参照NBT47003.2-2009《固体料仓》、《贮仓结构设计手册》、JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》及SH3078-1996《立式圆筒形钢制和铝制料仓设计规范》等标准。
设计中，料仓的流动性是机械化堆肥系统中最优先考虑因素。为实现物料流均匀地从仓口排出，尽量避免漏斗流和起拱现象的发生，我们可以从下列几方面加以考虑：
（1）料仓下部结构要采用合理的角度。一是锥斗角度：为确保仓内物料排空，锥斗角度应尽量大，以保证仓内流态为整体流；但这样会影响料仓的有效容积，因此应根据是承载物料实际情况合理确定锥斗角度。二是仓壁角度：传统料仓仓壁与地面成90度角，为防止形成管斗现象，仓壁与地面夹角可略小于90度（如下图所示）。
图4.1料仓仓壁角度示意图
（2）合理选择料内壁材料。可在料仓内壁设置衬板，如HDPE耐磨衬板，不仅可以减小摩擦阻力，还可以防止仓壁的磨损。
（3）对于一些储料量较大的料仓，通常在料斗的中下部加设减压锥，它的作用就是改善料斗内粉体的流动形态，减轻物料对料仓出口处的压力。
图4.2减压锥示意图
（4）在机械化堆肥系统中，料仓下部经常需要加辅助设备，如滑架、拨料器、仓壁振动器等，以消除起拱和管斗现象。
归纳起来，料仓选型设计前必须了解的资料包括：
（1）工艺布置简图及料仓容量
（2）物料特性资料：如密度、粒径、硬度、安息角、内摩擦角、对仓壁的摩擦系数，温度及湿度等。物料特性参数可参考以往工程经验，也可通过现场试验测定。
（3）装卸方式，进料和出料口的控制标高、位置及外形尺寸等。
（4）仓底漏斗斜壁的最小倾角、卸料口尺寸等，为降低料仓粉体压力（料仓高度和形状要匹配），为减小料仓壁摩擦阻力（内衬减磨材料等）等防止堵塞、积料的措施及要求。
（5）料仓的安装位置、空间等细部构造。
（6）料仓载荷。
（7）料仓其它特殊要求。
5．起拱现象的防范措施
实际生产中，针对不用类型的起拱现象可通过优化料仓设计，从根本上加以解决：
（1）压缩拱
散装物料因受到仓压力的作用，使固结强度增加而导致起拱。一般采用以下几种方法解决：1）通过增加卸料口尺寸，减小斗顶角来改善料斗几何形状。2）料仓直间隔较多的减少料仓直间隔或者采用改流体来降低粉体压力。3）改善仓壁材料以减小仓壁摩擦阻力。
（2）楔形拱
颗粒状物料因相互啮合达到力平衡状态所形成的料拱。一般采取增加卸料口尺寸，减小斗顶角或者采用非对称性料斗（偏心卸料口）来改善料斗几何形状等措施。
（3）粘结粘附拱
粘结性强的物料在含水、吸潮或静电作用而增强了物料与仓壁的粘附力所形成的料拱。一般采取防潮或消除静电的方法来减小仓壁摩擦阻力，将容易吸水的物料妥善存放防潮，在料仓以及防爆和排气装置上设置静电接地板以消除静电等措施。
（4）气压平衡拱
料仓回转卸料器因气密性差，导致空气泄入料仓，当上下气压达到平衡时所形成的料拱。一般一般采用以下几种方法解决：1）通过采用非对称性料斗（偏心卸料口）来改善料斗几何形状。2）通过采取排气的措施来减小仓壁摩擦阻力。例如在料仓的顶部加置排气管等措施。
除了上述优化设计外，借助外力破除料拱也是工程实践常采用的方法。
（1）振动式破拱
当料仓的仓壁振动时，物料与仓壁的摩擦系数仅为静止状态时的1/10左右，有利于整体流的形成。尤其对颗粒状物料效果明显，因为颗粒状物料经振动后，密实度增加不多，而粉料在振动条件下，密实度显著增加，采用振动装置时，有可能适得其反。此外，有一点须说明：振动对于任何一种起拱形式都不是最佳解决方法。
图5.1振动式破拱现场图（北京方庄污泥项目）
（2）充气式破拱
较简单的方法是料斗侧壁设置若干小孔，吹入压缩空气，使可能“起拱”的区域充气后流态化，形成固-气混合状态，从而大大降低了物料的内摩擦力及密实度。
图5.2充气式破拱现场图（郑州八岗污泥堆肥项目）
（3）机械式破拱
由于振动式破拱存在噪声污染，而充气式破拱需要压缩空气源，机械式破拱以其简单、灵活多样的特点被诸多项目采用。常用的机械式破拱有以下几类：
1）螺旋。在架拱区域安装旋转的螺旋，往往只有数片螺旋，做成变径或变节距，而且用左右螺旋使散装物料翻动。螺旋的作用不但使拱破坏，而且有强制卸料的作用。
图5.3螺旋破拱现场图（秦皇岛绿港污泥堆肥项目）
2）带式搅拌。一般在旋转轴上装上皮带或链条，当在散装物料中旋转遇到阻力时产生不规则的搅动，从而实现破拱效果。
3）插板。通过在仓壁处设置可升降插板，减少散装物料与仓壁的摩擦，打破漏斗流状态，从而实现破拱效果。
4）滑架破拱。通常与直壁料仓和卸料螺旋配合使用，按照结构形式可分为矩形滑架和圆形滑架，按照传动类型可分为液压滑架和机械滑架，其中液压滑架使用更广泛。液压滑架由双作用液压缸驱动，在料仓底作往返运动。滑架横梁的外形是单面倾斜的。倾斜面刮起物料，竖直断面推动物料至料仓出口，由卸料螺旋输出物料。
图5.4滑架破拱现场图（沈阳污泥堆肥项目）
6．在污泥机械化堆肥系统中应用料仓系统应注意的问题
（1）在污泥机械化堆肥系统中应用料仓系统常被用于：脱水污泥、干料的受料过程，脱水污泥、干料、熟料混料前的配料过程，以及发酵产物的中转储存过程，是机械化堆肥系统正常运行的关键点和难点之一。（2）脱水污泥、干料的受料过程需要调蓄量比较大，运入多采用载重车辆，需要考虑自卸车卸料的功能性要求和结构安全性要求。（3）脱水污泥料仓承担脱水污泥的中转调蓄作用，一般情况下脱水污泥流动性较好，主要考虑下泄流量的控制问题和料仓的保温防冻问题。（4）熟料料仓承担熟料的中转调蓄作用，流动性相对最不好，需要特别注意根据料仓容积和形状选择合理可靠的破拱装置。（5）干料料仓承担干料的中转调蓄作用，在污泥机械化堆肥项目中经常遇见干料更替的情况，因此该类料仓应提前考虑多种可能物料的物理状态，进行多角度适应性设计。（6）受料料仓、受料料仓于配料料仓之间的物料输送系统、配料料仓是一个有机整体，提升输送系统可控性和可靠性，可以放大受料料仓以增加调蓄容量，并减小配料料仓以提升配料系统的可靠性；在设备招标过程中可以作为一个功能包进行招标，这样做既可以优化配置，又可以避免问题出现后的“扯皮”现象发生。
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