CN105819235B - 物料输送设备及其设计方法、物料输送方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物料输送设备及其设计方法、物料输送方法，物料输送设备包括筒状壳体和可转动地位于该筒状壳体内的螺旋轴，输送筒状壳体具有物料进口和物料出口，设计方法包括根据方程计算螺旋叶片的推料角。即将推料角与物料和筒状壳体内壁之间的摩擦系数建立关系，因此能够避免物料由于摩擦力而卡死在螺旋轴和筒状壳体之间，继而避免物料被碾碎而产生细粉。物料输送方法包括使得物料的最大填充率γma≤0.5。因此，使用本发明提供的物料输送方法，通过控制填充率能够避免物料相互挤压造成的破碎，从而降低细粉的产生，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及物料输送领域，具体地，涉及一种物料输送设备以及设计方法、以及使用该物料输送设备的物料输送方法，更具体地，涉及一种煤化工中用于输送半焦的螺旋式物料输送设备。
背景技术
低阶煤的特点是含水量高、热值低、挥发分高，不适合长距离运输和利用，这些特点使得低阶煤，特别是褐煤的开发和利用受到很大限制。在我国，包括褐煤在内的低阶煤存量丰富，约占煤炭总量的40％以上，其主要分布在云南、内蒙古、东北、新疆等地。为提高这些包括褐煤在内的低阶煤的利用价值和拓宽其应用市场，对低阶煤进行提质利用的方法之一是对煤进行热解，以获得水分低，含碳量高，发热量高的适用于多种用途的半焦及附加值更高的焦油。
由于低阶煤挥发分和水分含量较高，在热解过程中产生的半焦产品强度较低，极易在工艺输送过程中产生细粉(粒径＜0.5mm)，而这些细粉在产品中含量过高时，对最终产品的装卸和远途运输带来极大困难。现有技术中，输送半焦的设备由于本身和使用方法的不当，造成细粉产生较多。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种物料输送设备的设计方法，以降低输送物料的过程中，细粉的产生率。
本发明的另一个目的是提供一种物料输送设备，该物料输送设备能够降低物料的输送过程中细粉的产生率。
本发明的再一个目的是一种物料输送设备的物料输送方法，该物料输送设备为本发明提供的物料输送设备，并且能够降低细粉的产生率。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种物料输送设备的设计方法，物料输送设备包括筒状壳体和可转动地位于该筒状壳体内的螺旋轴，所述输送筒状壳体具有物料进口和物料出口，所述螺旋轴包括螺旋轴本体和螺旋叶片，该螺旋叶片缠绕在该螺旋轴本体上以将物料从所述物料进口输送到所述物料出口，所述设计方法包括根据方程计算所述螺旋叶片的推料角，其中，μ为所述物料和所述筒状壳体的内壁之间的摩擦系数，α为所述推料角，该推料角为所述螺旋叶片的推料牙侧与所述螺旋轴本体的轴线之间的角。
优选地，设计所述推料角满足50°≤α≤60°。
优选地，设计所述螺旋叶片的螺距不小于所述螺旋轴的大径。
优选地，设计所述螺旋轴的大径不大于小径的2倍，且所述螺旋叶片外端的厚度不小于所述小径的0.1倍。
优选地，设计所述螺旋轴的大径相比所述筒状壳体的内径小2-4mm。
优选地，在所述螺旋轴本体内设计轴向延伸的冷却介质通道，并且设计该冷却介质通道的孔径不大于所述螺旋轴的小径的0.5倍。
根据本发明的另一方面，提供一种物料输送设备，包括筒状壳体和可转动地位于该筒状壳体内的螺旋轴，所述输送筒状壳体具有物料进口和物料出口，所述螺旋轴包括螺旋轴本体和螺旋叶片，该螺旋叶片缠绕在该螺旋轴本体上以将物料从所述物料进口输送到所述物料出口，所述螺旋叶片的推料角为满足方程：的锐角，其中，μ为所述物料和所述筒状壳体的内壁之间的摩擦系数，α为所述推料角，该推料角为所述螺旋叶片的推料牙侧与所述螺旋轴本体的轴线之间的角。
优选地，所述推料角满足50°≤α≤60°。
优选地，所述螺旋叶片的螺距不小于所述螺旋轴的大径。
优选地，所述螺旋轴的大径不大于小径的2倍，且所述螺旋叶片外端的厚度不小于所述小径的0.1倍。
优选地，所述螺旋轴的大径相比所述筒状壳体的内径小2-4mm。
优选地，所述螺旋轴本体内形成有轴向延伸的冷却介质通道，并且该冷却介质通道的孔径不大于所述螺旋轴的小径的0.5倍。
优选地，所述筒状壳体上设置有密封装置和加热装置，所述密封装置分别位于所述物料进口和所述物料出口的外侧以形成密闭输送空间，所述加热装置用于加热该密闭输送空间。
优选地，所述物料为半焦，所述加热装置保持所述密闭输送空间的温度在500℃-600℃之间。
根据本发明的另一方面，提供一种根据本发明提供的物料输送设备的物料输送方法，所述物料输送方法包括使得所述物料的最大填充率 其中，Vmax为所述筒状壳体内最大实际填充体积，Ve为所述筒状壳体内的额定有效填充体积，并且该Vmax由所述物料在所述筒状壳体内的停留时间控制。
优选地，通过控制所述螺旋轴的转速控制所述物料在所述筒状壳体内的所述停留时间。
通过上述技术方案，本发明将推料角与物料和筒状壳体内壁之间的摩擦系数建立关系，因此通过所得到的推料角能够避免物料由于摩擦力而卡死在螺旋轴和筒状壳体之间，继而避免物料被碾碎而产生细粉。另外通过使用本发明提供的物料输送方法，通过控制填充率能够避免物料相互挤压造成的破碎，从而进一步降低细粉的产生，实用性强。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的物料输送设备的机构示意图，带局部剖视；
图2是本发明提供的螺旋轴的局部剖视结构示意图；
图3是本发明中设计螺旋轴的模型图
图4是本发明中β角与摩擦系数之间的函数图。
附图标记说明
1 壳体 2 螺旋轴
3 密封装置 4 加热装置
5 进气系统 6 冷却系统
7 驱动机构 8 支架
9 球形物料
11 物料进口 12 物料出口
21 螺旋轴本体 22 螺旋叶片
31 密封壳体 32 密封料
51 氮气进口
53 氮气通道 61 冷却水进口
62 冷却水出口 63 冷却介质通道
71 电机 72 传动机构
H 螺距 h 厚度
D0 内径 D1 小径
D2 大径 D3 孔径
α 推料角
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是以附图方向的图面方向而言。“内、外”一般情况下是指相应部件轮廓的内和外，在轴状部件中则定义接近轴端的方向为外侧，远离轴端的方向为内侧。
如图1和图2所示，本发明提供一种物料输送设备及其设计方法，该物料输送设备为的输送方式为螺旋输送，其包括筒状壳体1(例如圆筒状)和可转动地位于该筒状壳体1内的螺旋轴2，筒状主体1通过支架8进行安装和固定，螺旋轴2通过驱动机构7进行驱动。输送筒状壳体1具有物料进口11和物料出口12，螺旋轴2包括螺旋轴本体21和螺旋叶片22，该螺旋叶片22缠绕在该螺旋轴本体21上以将物料从物料进口11输送到物料出口12，从而实现物料输送。
其中，为了实现本发明的目的，即通过设计物料输送设备来降低输送过程中的细粉的产生，本发明的发明人从发生细粉的根源出发，即防止物料被卡止在螺旋轴2和筒状壳体1之间而被碾碎而产生细粉，具体地，如图3和图4所示，本发明的发明人通过研究发现，物料在通过螺旋输送方式的输送过程中，发生细粉的一个重要问题在于螺旋叶片22与筒状壳体1的内壁的夹角β过小，从而导致物料颗粒发生自锁现象，此时，物料颗粒被卡在螺旋叶片22与筒状壳体1的内壁之间，无论推力多大都无法前进，直至被压碎为止，从而产生细粉。
针对这一问题，本发明通过对该螺旋叶片22与筒状壳体1的内壁夹角进行优化，从而有效降低螺旋输送过程中的细粉产生。
具体地，螺旋叶片22的设计原理如下：
如图3的模型图所示，以球形物料9为例，假设螺旋叶片22的纵剖面与筒状壳体1的内壁之间的夹角为β，则螺旋叶片的推料角α，即，螺旋叶片22的推料牙侧与螺旋轴本体21的轴线之间的角，其中推料牙侧为螺旋叶片22负责推料一侧的牙侧，即螺旋叶片22远离物料进口11的一侧与该轴线所呈的角度。因此，通过得出该推料角α能够制造出相应的螺旋轴2。其中β＝180°-α，即与α角互补。其中两个接触点对球形物料9的正压力分别为F1和F2，摩擦力分别是f1和f2，球形物料9的半径为r。
根据力矩平衡原则，球形物料9在推板推力下不发生滚动的平衡条件是：
F2r sinβ＝f2r(1+cosβ)
由此推算得到球形物料9与筒状壳体1的内壁之间的临界摩擦系数为：
其中该方程的函数图如图4所示，其中横轴为推料角α，纵轴为临界摩擦系数μLim。因此，可以得出当小球与推板之间的实际摩擦系数大于上述临界值时，将发生上述的自锁现象。因此在设计时，应根据物料与物料输送设备(筒状壳体1)的制造材料的实际摩擦系数，设定推料角α。即，在输送特定物料时，推料角α应满足方程其中μ为该物料与筒状壳体1的内壁之间的摩擦系数。
因此，在本发明中，设计物料输送设备时，推料角α的设计要根据被推送材料与筒壁之间的摩擦系数来选取。如图4所示，根据不同的摩擦系数，角β可以在0-170°之间分布，则角α在10-180°之间。进一步地，本发明的发明人还考虑到在在某些极端情况下，这个摩擦系数μ可能会大于1，这时，即使采用垂直于筒壁的螺旋叶片22推送，即β＝90°时，依然会产生自锁现象，压碎物料。此时，在本发明中，为了顺利应对更多种物料的输送，优选地，β角为钝角，即推料角α为锐角，即螺旋叶片22的推料牙侧朝向物料出口12倾斜。
为了覆盖较多的物料，并且同时保证推料的效率，优选地，可设计推料角满足：50°≤α≤60°，即，120°≤β≤130°，此时对应的摩擦系数μ在2左右，这样已经能够覆盖到例如橡胶等摩擦系数较大的物料的输送，因此可保证绝大部分物料在输送过程中不被破碎，而且能够保证推料效率。因此能够保证在半焦等物料的输送过程中细粉的产生率。
另外，并且为了避免卡住物料颗粒，螺旋叶片22的外缘处不设置任何形式的倒角，该限定是为了避免在倒角局部区域，实际压力角与设计推料角有较大差异，从而导致叶片边缘区域物料大量破碎。
此外，为了进一步避免对物料的碾压，保证螺旋轴2的强度也尤为重要，以避免由于螺旋轴2发生形变而碾压物料。因此，优选地，螺旋轴2的大径D2不大于小径D1的2倍，且螺旋叶片22外端的厚度h不小于小径D1的0.1倍，从而防止螺旋叶片22折断或损坏，提升物料输送设备的使用寿命。另外，为了避免机械结构的划伤，可以设计螺旋叶片22的端部与筒状壳体1的内壁间隔设置，同时考虑到推料的效率，优选地，螺旋轴2的大径D2相比筒状壳体1的内径D0小2mm-4mm，该间距同样能够避免物料颗粒卡止在螺旋轴2和筒状壳体1之间。其中本发明中使用的“大径”、“小径”为了螺旋领域的公知用词，在本发明中的大径为螺旋叶片22形成的圆形投影的直径，小径为螺旋轴本体21的直径。在其他实施方式中，螺旋轴2的各参数还具有各种其他变形，在本发明构思下的这些变形均应落在本发明的保护范围中。
另外，如图2所示，当需要在螺旋轴本体21内涉及冷却介质通道63时，为了保证螺旋轴本体21的强度，优选地，该冷却介质通道的孔径D3不大于大径D1的0.5倍。
另外，为了避免螺旋叶片排布过密，占用过多筒状壳体1内的空间，优选地，螺旋叶片22的螺距H不小于螺旋轴2的大径D2。这样，能够提升物料输送设备的对物料的最大处理量。
上述介绍了本发明为了避免物料的碾碎而进行的改进，为了完成对例如半焦的物料进行高温输送，本发明提供的筒状壳体1上设置有密封装置3和加热装置4，密封装置3分别位于物料进口11和物料出口12的外侧以形成密闭输送空间，加热装置4用于加热该密闭输送空间。这样，不仅能够通过加热装置4的加热满足高温输送物料，例如半焦需求，同时还能够将产生的粉尘密封在密闭输送空间中，从而防止粉尘外泄，环保程度高。其中优选地，当待输送的物料为半焦时，则可以控制加热装置4保持密闭输送空间的温度在500℃-600℃之间，以使得半焦的特性得到较好保持，该加热装置4优选地为套设在筒状主体1的侧壁上的加热套，该加热套可以为电加热套也可以为烟气加热套，本发明对此不做限制。
需要说明的是，能够实现本发明的实施方式有多种，例如螺旋轴2、加热装置4、密封装置3的具体结构和布置方式等等，为了方便说明本发明，在此只重点介绍其中的优选实施方式，该优选实施方式只用于说明本发明，并不用于限制本发明。
在本发明的优选实施方式中，密封装置4包括固定在筒状壳体1的内壁上的密封壳体41，并且该密封壳体41内填充有颗粒状密封料42。因此，通过颗粒状密封料42的流动性，能够始终保持对转动的螺旋轴2的接触而实现对螺旋轴的动态密封，从而使得密封性好。其中的颗粒状密封料可以使用任意耐高温的材料形成，例如密封砂等等。
由于涉及对高温物料的输送，在本发明的优选实施方式中，螺旋轴2位于物料入口11一侧的第一端部(右侧)设置有进气系统5，以及/或者位于物料出口12一侧的第二端部(左侧)设置有冷却系统6。如图1所示，本发明提供的物料输送设备同时具有该进气系统5和冷却系统6。其中该进气系统5用于补充氮气等惰性气体也避免半焦燃烧，而冷却系统6主要用于对驱动机构7进行冷却。
其中，如图1所示，位于第一端部的进气系统5主要为了避免从物料进口11进入的高温物料例如半焦燃烧而对物料进口11的区域进行补充惰性气体。具体地，该进气系统具有氮气进口51和输送氮气的氮气通道53，氮气通道53形成在螺旋轴本体21内并且朝向物料进口11轴向延伸，并在与物料进口11的对应区域设置通过形成于螺旋轴本体21侧壁上的通孔将氮气供应到物料进口11所处区域，以避免半焦燃烧。
另外，物料输送设备包括驱动机构7，该驱动机构7与螺旋轴2的第二端部传动连接，具体地该驱动机构7包括电机71和与电机71传动连接的传动机构72，例如带传动方式或齿轮传动方式等。为了避免该驱动机构7收到高温的影响，位于第二端部的冷却系统6为的水冷系统，该水冷系统具有冷却水进口61、冷却水出口62和位于该冷却水进口61、冷却水出口62的冷却水通道，具体地，为了实现冷却水的循环，螺旋轴本体21具有从第二端部朝向物料出口12延伸的套管段，冷却水进口61位于套管段的内管端口，冷却水出口62为与套管段的外管连通的端口，冷却水通道为套管段的内管和套管夹层，从而实现冷却水在螺旋轴本体21内的循环。
在本发明的优选实施方式中，还可以设置轴向穿过螺旋轴本体21的冷却介质通道9，从而对运送过程中的物料进行冷却。
上述从整体结构上介绍了本发明提供的物料输送设备，除上述物料输送设备本身结构上的改进外，本发明还对该物料输送设备的使用方法进行了改进，以进一步地减少细粉的产生。
具体地，本发明提供的物料输送方法包括使得物料的最大填充率γ其中，Vmax为筒状壳体1内最大实际填充体积，Ve为筒状壳体1内的额定有效填充体积，并且该Vmax由物料在筒状壳体1内的停留时间控制。其中控制细粉产生的原理在于，通过较小的填充率可以避免物料在运输过程中相互挤压而粉碎，从而减低细粉的生产。其中：
其中，Cmax为物料输送设备的最大物料处理量，单位通常为kg/min；Tmax为物料停留在筒状壳体1内的最大时间，单位通常为min；ρ为物料堆密度，单位通常为kg/mm3；L为物料进口11到物料出口12的轴向长度，单位通常为mm。因此，可以看出通过控制物料停留在筒状壳体1内的时间即可控制相应的填充率。
在本发明的优选实施方式中，通过控制螺旋轴2的转速即可控制物料在筒状壳体内的停留时间。这是由于：其中Sr为螺旋轴本体21的转速，H为螺旋叶片22的螺距。因此，通过控制电机71的转速即可实现对螺旋轴本体21的转速，从而调节物料停留在筒状壳体1的停留时间。
综上，本发明通过对物料输送设备及其物料输送方法的改进，能够降低细粉的产生并且保证半焦等高温物料的特性，还能够增加使用的环保性。因此，具有极高的实用性和推广价值。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (16)
1.一种物料输送设备的设计方法，该物料输送设备包括筒状壳体(1)和可转动地位于该筒状壳体(1)内的螺旋轴(2)，所述输送筒状壳体(1)具有物料进口(11)和物料出口(12)，所述螺旋轴(2)包括螺旋轴本体(21)和螺旋叶片(22)，该螺旋叶片(22)缠绕在该螺旋轴本体(21)上以将物料从所述物料进口(11)输送到所述物料出口(12)，其特征在于，所述设计方法包括根据方程计算所述螺旋叶片(22)的推料角(α)，其中，μ为所述物料和所述筒状壳体(1)的内壁之间的摩擦系数，α为所述推料角，该推料角为所述螺旋叶片(22)的推料牙侧与所述螺旋轴本体(21)的轴线之间的角。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，设计所述推料角(α)满足50°≤α≤60°。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，设计所述螺旋叶片(22)的螺距(H)不小于所述螺旋轴(2)的大径(D2)。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，设计所述螺旋轴(2)的大径(D2)不大于小径(D1)的2倍，且所述螺旋叶片(22)外端的厚度(h)不小于所述小径(D1)的0.1倍。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，设计所述螺旋轴(2)的大径(D2)相比所述筒状壳体(1)的内径(D0)小2-4mm。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在所述螺旋轴本体(21)内设计轴向延伸的冷却介质通道(63)，并且设计该冷却介质通道(63)的孔径(D3)不大于所述螺旋轴(2)的小径(D1)的0.5倍。
7.一种物料输送设备，包括筒状壳体(1)和可转动地位于该筒状壳体(1)内的螺旋轴(2)，所述输送筒状壳体(1)具有物料进口(11)和物料出口(12)，所述螺旋轴(2)包括螺旋轴本体(21)和螺旋叶片(22)，该螺旋叶片(22)缠绕在该螺旋轴本体(21)上以将物料从所述物料进口(11)输送到所述物料出口(12)，其特征在于，所述螺旋叶片(22)的推料角(α)为满足方程：的锐角，其中，μ为所述物料和所述筒状壳体(1)的内壁之间的摩擦系数，α为所述推料角，该推料角为所述螺旋叶片(22)的推料牙侧与所述螺旋轴本体(21)的轴线之间的角，并且在10-180°之间。
8.根据权利要求7所述的物料输送设备，其特征在于，所述推料角(α)满足50°≤α≤60°。
9.根据权利要求7所述的物料输送设备，其特征在于，所述螺旋叶片(22)的螺距(H)不小于所述螺旋轴(2)的大径(D2)。
10.根据权利要求7所述的物料输送设备，其特征在于，所述螺旋轴(2)的大径(D2)不大于小径(D1)的2倍，且所述螺旋叶片(22)外端的厚度(h)不小于所述小径(D1)的0.1倍。
11.根据权利要求7所述的物料输送设备，其特征在于，所述螺旋轴(2)的大径(D2)相比所述筒状壳体(1)的内径(D0)小2-4mm。
12.根据权利要求7所述的物料输送设备，其特征在于，所述螺旋轴本体(21)内形成有轴向延伸的冷却介质通道(63)，并且该冷却介质通道(63)的孔径(D3)不大于所述螺旋轴(2)的小径(D1)的0.5倍。
13.根据权利要求7所述的物料输送设备，其特征在于，所述筒状壳体(1)上设置有密封装置(3)和加热装置(4)，所述密封装置(3)分别位于所述物料进口(11)和所述物料出口(12)的外侧以形成密闭输送空间，所述加热装置(4)用于加热该密闭输送空间。
14.根据权利要求13所述的物料输送设备，其特征在于，所述物料为半焦，所述加热装置(4)保持所述密闭输送空间的温度在500℃-600℃之间。
15.一种根据权利要求7-14中任意一项所述的物料输送设备的物料输送方法，其特征在于，所述物料输送方法包括使得所述物料的最大填充率 其中，Vmax为所述筒状壳体(1)内最大实际填充体积，Ve为所述筒状壳体(1)内的额定有效填充体积，并且该Vmax由所述物料在所述筒状壳体(1)内的停留时间控制。
16.根据权利要求15所述的物料输送方法，其特征在于，通过控制所述螺旋轴(2)的转速控制所述物料在所述筒状壳体内的所述停留时间。
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