煤粉吨袋自动拆包装置的工艺设计与试验研究
时间：2022-12-04 19:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
何 海 军
(中煤科工清洁能源股份有限公司，北京 100013)
近年，工业煤粉锅炉逐渐被市场所认可，煤粉多采用集中制备、远程运输的方式，通过罐车可满足煤粉运输过程中的密闭清洁要求，但随着运输距离增加，运输成本已逐渐成为影响工业煤粉锅炉产业推广的因素之一[1-3]。随着吨袋拆包技术的发展与成熟，吨袋拆包装置在石油、化工、塑料、碳黑、矿业、食品添加剂、水泥等行业中广泛使用[4]。为提高运行效益，降低燃料运输成本，解决用户的实际燃料需求问题，吨袋拆包装置将成为突破工业煤粉锅炉发展瓶颈的重要技术措施之一。
吨袋拆包装置是1种非标设备，主要用于1 000 kg左右的大袋物料(也叫吨袋)拆包工作。吨袋拆包方式主要有人工拆袋、电热熔融自动拆包、十字刀自动拆包和电动刀盘自动切割技术，吨袋起吊均通过电动葫芦实现，人工拆袋在露天条件下操作，扬尘问题严重；
而自动拆包能够在密闭空间完成，减少粉尘污染[5-8]。为了不破坏吨袋，实现其重复使用，张赞[9]设计了通过框架、上托盘、下托盘和旋转驱动，将粉体倾倒于下料斗中的吨袋拆包装置，但其仅适用于入料口为全敞口的普通吨袋，且拆包速度低。袁为新[10]对小型袋的拆包装置和拆包过程作了详细分析[10]，马佳和封冰[11-12]通过电锯主动切割方式、三刀强振拆方式和模块化方法小型拆包方式等实现自动拆包，但会残留少量物料，且存在扬尘问题[11-12]。为了解决扬尘问题，拆包机采用四周密封和增设除尘装置，配合螺旋输送机输送粉体[13-14]，通过输送转向装置能够提高吨包袋输送线包装定量值和包装能力[15]，从而实现自动拆包和输送。
基于以上学者对粉体拆包装置的研究，针对煤粉长距离运输成本和安全问题，笔者提出了十字刀自动拆包和全敞口自动解袋2种煤粉吨袋自动拆包工艺方案，并搭建了煤粉吨袋拆包装置试验台，分析对比了2种自动拆包装置的性能及技术特点。
1.1 吨袋结构
吨袋分类多种多样，根据形状可分为圆形和方形2种；
根据出料口可分为平底、小口和全敞口3种；
根据起吊方式可分为侧吊、角吊和兜底3种；
此外还有平布、双经布、拉筋、涂膜、覆膜、单层袋、多层袋等，虽有国家标准(GB/T 10454—2000)规定了吨袋结构，但仍难以完全涵盖吨袋的所有结构，吨袋的具体结构如图1所示。
图1 吨袋的具体结构示意Fig.1 Structure diagram of ton bags
运输过程中，结合车辆尺寸和运输要求，煤粉吨袋采用长0.95 m×宽0.95 m×高1.5 m(圆形吨袋直径0.95 m，方形吨袋边长0.95 m)规格，能够实现单车运送量最大，而该规格尺寸的吨袋在行业内应用也较多。方形吨袋较圆形吨袋空间利用率更高；
但圆形吨袋缝制难度略高于方形吨袋，导致其价格高于方形吨袋。
综合上述因素，为增加车辆单次煤粉运输量并考虑吨袋采购成本，方形吨袋更加适合煤粉运输，较圆形吨袋更具优势。
1.2 吨袋形式
吨袋形式分为3种：普通吨袋、镀膜吨袋和内衬吨袋。普通吨袋不具备防潮和隔绝空气能力，不适合装载煤粉。内衬吨袋是在普通吨袋的内部新增圆形聚乙烯膜(直径大于吨袋边长)，内膜厚度可以调节，其防潮和隔绝空气性能最好，能够有效防止煤粉在存储和运输过程中发生自燃。镀膜吨袋材质通过热压工艺在吨袋表面镀一层聚乙烯膜，厚度小于内衬吨袋内膜，其防潮和隔绝空气性能介于普通吨袋和内衬吨袋之间。
长距离运输和长时间存储过程中，煤粉极易发生自燃，必须绝对隔绝空气，基于此，内衬吨袋是煤粉运输和存储的首要选择。
1.3 拆包方案
针对煤粉细度低、流动性相对较差、休止角较高、易燃易爆等特性，可通过机械方式将吨袋内粉体全部卸出，但该方式必须解决扬尘、拆包速率和运行稳定等问题，笔者提出了2种拆包方案：分别为十字刀自动拆包和全敞口自动解袋，并进行拆包装置的设计优化和试验验证，对比分析2种拆包方案的特点。
根据十字刀自动拆包和全敞口自动解袋2种拆包方案，煤粉吨袋到厂后，将煤粉送至煤粉塔内的工艺流程如图2和图3所示。
图2 十字刀自动拆包工艺流程Fig.2 Flow chart of automatic unpacking process of cross knife
图3 全敞口自动解袋工艺流程Fig.3 Process flow chart of fully open automatic bag unpacking
十字刀自动拆包过程中挂袋和收集吨袋工艺需由人工完成，其他工艺全部由机械实现，自动化程度高；
而全敞口自动解袋过程中，除挂袋和收集吨袋需人工完成外，夹绳工艺也需人工，自动化程度略低于十字刀自动拆包，但其拆包速率高于十字刀自动拆包。
2.1 整体设计
吨袋拆包装置整体尺寸长2 m×宽2 m×高9 m，选择仓泵式正压输送系统。吨袋拆包装置整体布置如图4所示。
图4 吨袋拆包装置整体布置Fig.4 Overall layout of the ton bag unpacking device
工作过程中，煤粉吨袋由电动葫芦吊起后，送到拆包装置箱体内，在全密闭环境下完成粉体卸料，且箱体内增设除尘器，解决粉尘外溢问题。同时拆包装置设置有自动拍打装置，减少吨袋外表面附着的粉尘。整个过程均为自动化和一键式操作(除挂袋、夹绳和取袋)，通过光电感应开关和代码编程实现自动控制。
2.2 拆包方式
2.2.1十字刀自动拆包
在吨袋拆包装置箱体内装设十字刀具，吨袋选用方形平底内衬袋，拆包过程基本实现自动化操作，平底袋结构如图5所示。
图5 平底袋结构Fig.5 Structure diagram of flat bottom bag
十字刀具选用合金钢材质，能够克服十字刀具的磨损和断裂问题，针对拆包装置和吨袋尺寸，提出3种十字刀具，如图6所示。
图6 3种尺寸十字刀具平面Fig.6 Plan view of three sizes of cross cutters
2.2.2全敞口自动解袋
吨袋采用方形全敞口内衬袋，解袋由机器手自动完成。吨袋卸料无死角，煤粉可全部快速落下，拆包过程基本实现自动控制，系统操作稳定，全敞口袋结构如图7所示。
图7 全敞口袋结构Fig.7 Structure diagram of full open pocket
吨袋经电动葫芦吊起后即开启横向移动，到达拆包装置前门时采取人工夹绳，使吨袋进入拆包装置箱体后，拆包装置前门自动关闭，启动卷扬机，快速解开尼龙绳，煤粉全部下落，卷扬机反转，机械手原位，拆包结束。全敞口自动解袋流程如图8所示。
图8 全敞口自动解袋流程Fig.8 Flowchart of automatic unpacking with full opening
通过调整吨袋拆包装置的拆包结构，完成十字刀自动拆包装置和全敞口自动解袋装置的现场试验研究，吨袋拆包装置样机如图9所示。
图9 吨袋拆包装置样机外观Fig.9 Appearance of the prototype of the ton bag unpacking device
3.1 十字刀自动拆包试验
十字刀自动拆包试验全部采用方形平底内衬袋结构形式，尺寸：长为0.95 m×宽0.95 m×高1.5 m，平底袋实物如图10所示。
图10 平底袋实物Fig.10 Physical map of flat bottom bag
为实际模拟拆包情况，试验现场采购煤粉3 t，煤粉重复循环试验，试验共拆平底袋200条，平底袋参数见表1。
表1 平底袋吨袋参数表Table 1 Parameter table of flat bottom bag ton bag
通过现场十字刀自动拆包试验，对比不同厚度的平底袋基布和内膜使用情况，分析十字刀自动拆包试验效果，得到结果如下:
(1)十字刀自动拆包工艺可行，基本能够实现自动化操作，现场环境良好。
(2)平底袋基布选用145 g/m2、150 g/m2和170 g/m2均可达到十字刀自动拆包的强度要求，未出现基布破损情况。
(3)煤粉下落过程中，对吨袋四周产生摩擦力，易损坏内膜。内膜厚度为0.045 mm时破损情况较多；
而内膜厚度为0.05 mm和0.055 mm时基本未发生内膜破损情况，因而建议内膜厚度不小于0.05 mm。
(4)煤粉中易出现基布和内膜碎屑，需增设过滤器。
(5)刀具选用宽度70 cm，高度75 cm，顶角角度50°，其拆包效果最佳。
3.2 全敞口自动解袋试验
吨袋设计成全敞口形式(吨袋卸料口与入料口大小相当)，底部出料口通过尼龙绳绑扎实现扎口，卸料时拉拽尼龙绳，吨袋内物料无死角下落，避免割袋和破袋，实现吨袋重复利用，全敞口袋实物如图11所示。
图11 全敞口袋实物图Fig.11 Physical map of the full open pocket
全敞口自动解袋试验拆袋350条，尺寸为长0.95 m×宽0.95 m×高1.5 m，全敞口袋参数详见表2。
表2 全敞口袋参数表Table 2 Full open bag parameter table
通过全敞口自动解袋试验，对比不同厚度的全敞口袋基布和内膜使用情况，分析全敞口自动解袋试验效果，得到结果如下：
(1)全敞口自动解袋试验工艺可行，能够实现自动拆包，拆包效率高，速度快，现场环境良好。
(2)全敞口袋内膜厚度为0.045 mm、0.05 mm和0.07 mm时，内膜发生破损，甚至出现整个内膜掉落现象，严重影响拆包速度；
而内膜厚度为0.08 mm和0.1 mm时，内膜基本未发生破损。
(3)全敞口袋基布要求较高，基布为145 g/m2和150 g/m2时，底部基布偶尔发生破损；
而基布为170 g/m2、180 g/m2和195 g/m2时，底部基布基本未发生破损。
(4)全敞口袋内膜如采用再生料，脆性变大，韧性减小，易发生内膜破损情况。
3.3 2种拆包方案结果对比分析
通过十字刀自动拆包和全敞口自动解袋试验，以上2种方案均可实现自动拆包，且拆包效率高，拆包速度快，现场环境良好。
(1)十字刀自动拆包和全敞口自动解袋对吨袋基布和内膜的强度要求不同，平底袋底部基布属于整体结构，而全敞口袋底部是由方形基布沿对角线分为4块，再通过尼龙绳捆扎，对基布强度要求比平底袋高；
十字刀自动拆包平底袋底部开口小，对内膜的摩擦力小，而全敞口袋底部瞬间打开，对内膜强度要求高于平底袋。
(2)全敞口自动解袋下料更加快速，且扬尘较小，但是需要人工夹绳，增加人工劳动力；
而十字刀自动拆包开口小，粉体下落缓慢，扬尘较大，卸料和控制扬尘所需时间较长。
(3)全敞口自动解袋无碎屑，而十字刀自动拆包，煤粉中易出现碎屑。
(4)全敞口自动解袋无需破包，可以实现重复使用；
而十字刀自动拆包，吨袋理论上无法重复使用。
(5)全敞口袋对运输要求相对较高，必须确保卸料口尼龙绳在装卸、运输和倒运过程中无松开现象，需额外增加锁扣，否则会出现吨袋煤粉突然卸料。
(1)十字刀自动拆包和全敞口自动解袋在工艺上均可行，拆包效果良好，通过增设除尘器和拍打装置，解决了扬尘问题和吨袋基布外部附着粉体的问题，现场环境良好，基本实现自动化，运行安全稳定。
(2)十字刀自动拆包无需人工夹绳，操作更加便捷，但十字刀拆包卸料和控制扬尘时间较长，拆包速度约14 t/h；
全敞口自动解袋需要人工夹绳，增加人工劳动力和操作时间，但全敞口自动解袋卸料和控制扬尘时间短，拆包速度约16 t/h，十字刀自动拆包的拆包速度比全敞口自动解袋低12.5%。
(3)十字刀自动拆包的十字刀具宽度70 cm，高度75 cm，顶角角度50°，拆包效果最佳。
(4)为确保吨袋拆包安全稳定运行，平底袋基布≥145 g/m2，内膜厚度≥0.05 mm；
而全敞口袋基布≥170 g/m2，内膜厚度≥0.08 mm，平底袋对基布和内膜强度要求低于全敞口袋。
(5)全敞口自动解袋对比于十字刀自动拆包，全敞口袋可实现吨袋的重复使用，综合采购成本低，卸料快，扬尘少，无碎屑，但对于装卸、运输和倒运的要求较高，因而全敞口自动解袋更需严把质量关。
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