牟金合
(中冶京誠工程技術(shù)有限公司,北京 100176)
[摘 要] 焦炭作為高爐冶煉的一種重要原料,原儲存方式多為落地儲存,環(huán)保效果差強(qiáng)人意,成為企業(yè)環(huán)??冃?chuàng)A的絆腳石。目前國家明確要求燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭等高爐原料采用密閉料倉或封閉料棚等方式儲存,因此各設(shè)計(jì)單位陸續(xù)開展研究,探討焦炭密閉儲存的方法。本文主要分析了焦炭采用筒倉儲存方式時(shí)存在的問題,探討了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),并從筒倉入料系統(tǒng)、筒倉出料系統(tǒng)、錐段、一體化安全系統(tǒng)、降低破損率、智能化、環(huán)保等多個(gè)方面對設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了介紹,這些可作為鋼鐵企業(yè)和設(shè)計(jì)單位的參考。
[關(guān)鍵詞] 焦炭;筒倉;密閉儲存;降低破損率;智能化
0 引言
焦炭是高爐生產(chǎn)的重要原料,要求水分盡可能低,但水分低帶來的缺點(diǎn)是易揚(yáng)塵、污染環(huán)境。 2019 年 4 月國家五部委聯(lián)合下發(fā)環(huán)大氣〔2019〕35號文件《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》,明確要求燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭等高爐入爐原料必須采用密閉料倉或封閉料棚等方式儲存。燒結(jié)礦、球團(tuán)礦一般隨著主生產(chǎn)工序建有緩沖倉,且不需要大規(guī)模存儲,符合超低排放要求。由于焦炭生產(chǎn)企業(yè)污染較高,一般鋼鐵聯(lián)合企業(yè)不設(shè)焦化工序,只能外購焦炭,所以需要大量存儲,儲存時(shí)間一般7~15天,主流存儲方式為B型料場。根據(jù)環(huán)辦大氣函〔2020〕340 號文件《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排措施制定技術(shù)指南》及環(huán)辦大氣函〔2019〕922號《關(guān)于做好鋼鐵企業(yè)超低排放評估監(jiān)測工作的通知》,環(huán)??冃級企業(yè)對于無組織排放的要求為,物料儲存、輸送等環(huán)節(jié)無可見煙塵外逸。
冶金焦炭目前均為干熄焦,干熄焦在 B型料場堆、取均會產(chǎn)生揚(yáng)塵,如果噴水抑塵,則會增加物料水分。本文結(jié)合B型料場儲存焦炭存在的問題,探討了焦炭采用筒倉儲存的設(shè)計(jì)方案,并對筒倉儲存方案存在的問題及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。
1 儲存方式選擇
目前鋼鐵企業(yè)原料儲存方式有A、B、C、D型料場及封閉式儲料倉。各種型式的原料場均有高效的系統(tǒng)控制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)鐵前中間產(chǎn)品雙儲及物流一體化管控。各種型式的原料場特點(diǎn)對比如表1所示。
經(jīng)特點(diǎn)對比,封閉式儲料倉的環(huán)保效果、節(jié)能、占地等指標(biāo)最優(yōu),但缺點(diǎn)是投資太高,易于堵倉,摔碎率高。對于高爐的各種礦原料,堆比重高,如采用筒倉儲存,其建設(shè)成本和技術(shù)難度成倍提升。而焦炭的堆比重僅為 0.5t/m3,低于煤炭的 0.8~1.0t/m3,而筒倉儲存煤在焦化、電廠、煤炭礦山已經(jīng)是非常成熟的技術(shù),應(yīng)用非常普遍。筒倉存儲焦炭除表 1所列優(yōu)勢外,還易于實(shí)現(xiàn)無人值守、物料先進(jìn)先出等功能,故本文主要探討焦炭采用筒倉存儲的工藝設(shè)計(jì)。
2 筒倉工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)
筒倉自上而下,由倉頂入料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、倉體錐段等組成。
2.1 筒倉入料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
筒倉入料系統(tǒng)一般為帶式輸送機(jī)運(yùn)來原料,通過帶式輸送機(jī)頭部直接落料、卸料車、環(huán)式布料器布料、移動可逆帶式輸送機(jī)卸料等幾種設(shè)備設(shè)施來實(shí)現(xiàn)物料的入倉。帶式輸送機(jī)頭部直接落料一般適用于單倉布置,倉體直徑較?。?2m及以下)的料倉;環(huán)式布料器及移動可逆帶式輸送機(jī)適于直徑30m 以上的筒倉,所以環(huán)式布料器優(yōu)點(diǎn)多,其可以使落料點(diǎn)成為兩個(gè)不同直徑的圓組成的環(huán)。這種形式充滿系數(shù)最大,但該種方式適于單倉布料。
鋼鐵聯(lián)合企業(yè)焦炭的存儲量一般需為幾萬噸到十幾萬噸,需要一組倉群,且單倉直徑一般為15m 以上,才能滿足焦炭的儲存需求。根據(jù)該特點(diǎn),一般需要采取帶式輸送機(jī)頭部和中部多點(diǎn)直接卸料來實(shí)現(xiàn)倉群的入料,這種形式的落料點(diǎn),一般為頭部 1 個(gè),中間若干個(gè)或者連續(xù)式落料點(diǎn),落料較均勻,充滿系數(shù)較大,倉容損失較少,但同樣可能產(chǎn)生不均勻側(cè)壓。
帶式輸送機(jī)中部卸料點(diǎn)一般通過移動卸料車實(shí)現(xiàn),卸料車可以采用格雷母線定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)行走卸料,也可以采用接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)停止進(jìn)行卸料。配置卸料車的帶式輸送機(jī)頭部可以免設(shè)驅(qū)動站,可節(jié)省土建投資,另外也可以將卸料車未卸完的粉料和帶面粘的物料卸入倉中。卸料車的分料器可設(shè)置為四通分料器,物料可經(jīng)過卸料車落回帶面,經(jīng)帶式輸送機(jī)頭部進(jìn)入料倉。圖 1為典型的筒倉群倉頂入料系統(tǒng)工藝布置,采用 4 點(diǎn)落料,倉體充滿系統(tǒng)較高。
筒倉倉頂一般有兩種形式。一種為圓臺形(見圖 2),即倉壁到一定高度后逐漸收縮,倉頂平臺直徑小于倉體直徑,如此即能減小倉頂平臺的范圍,使得工程量下降。但該形式倉頂施工難度并不低,其缺點(diǎn)是倉頂平臺小,布置輸入系統(tǒng)受限,倉體充滿系數(shù)小,適于倉體直徑 24m以上的筒倉或者 24m以下單輸入系統(tǒng)的筒倉。另一種倉頂為圓柱體(見圖 1),即倉壁豎直延伸到倉頂標(biāo)高,適合于直徑24m以下的筒倉,該形式倉頂可以布置兩路卸料系統(tǒng),既能適應(yīng)冶金企業(yè)原料輸入系統(tǒng)多、作業(yè)率高的工況,又可以提高倉體充滿系數(shù)。但該種形式倉頂平臺的施工難度大,對于結(jié)構(gòu)的整體性而言性,混凝土倉頂平臺更穩(wěn)定,但是鋼筋綁扎、模板支護(hù)、倉體內(nèi)的滿堂紅腳手架,工程量巨大。近幾年偶有工程為了搶工期,采用鋼結(jié)構(gòu)倉頂。
2.2 筒倉出料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1 筒倉出料系統(tǒng)形式
筒倉出料系統(tǒng)布置形式較多,大致可歸納為3種。
(1)葉輪給料機(jī)出料系統(tǒng)。適用于小型料倉或是火車、汽車受煤槽下的受煤漏斗。
(2)單環(huán)或雙環(huán)給料機(jī)出料系統(tǒng)。出料口中央有蘑菇錐,其斷面為“W”或“WW”形,多應(yīng)用于煤化工、電廠的大直徑儲煤筒倉。
(3)單斗或群斗式出料口,采用振動或其他形式給料機(jī)給料。出料斗分圓形和方形錐斗,結(jié)構(gòu)較簡單,系統(tǒng)落料點(diǎn)多,可以輸出多路系統(tǒng),滿足多座高爐同時(shí)要料的需求,還可以實(shí)現(xiàn)簡單的配料。該形式給料設(shè)備多為振動給料機(jī),設(shè)備成本低、易于維護(hù),且數(shù)量多、互備性強(qiáng),符合高爐生產(chǎn)連續(xù)性的特點(diǎn)。
2.2.2 筒倉出料口尺寸設(shè)計(jì)
焦炭筒倉一般采用多料斗出料口形式,料斗在出料時(shí)易于堵料。堵料原因一般是形成了料拱,料拱在突然垮塌時(shí)對倉體影響較大。如果將出料口做得足夠大,料拱便不會形成。由于焦炭為易于流動的物料,能夠形成穩(wěn)定料流的出料口尺寸由公式(1)求出。
a ≥(3~6)d0 (1)
式中:a 為放料口邊長(方形料倉)或直徑(圓形料倉)尺寸,m:d0為物料標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸,m。
選定料倉口尺寸后需要對放料能力進(jìn)行驗(yàn)算,見公式(2)。
Q= 3600ρd Av (2)
式中:Q 為放料口通過能力,t/h;ρd為物料體積質(zhì)量,t/m3 ;A 為放料口面積,m2,方形放料口按公式(3)計(jì)算,圓形放料口按公式(4)計(jì)算;v 為放料速度,m/s,其計(jì)算公式見式(5)。
式中:a為放料口邊長,m;db為物料標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸,m;D 為放料口直徑,m;λ 為放料系數(shù),對于焦炭宜取 0.55~0.65;g 為重力加速度,9.8m/s2 ;R 為放料口水力半徑,m,方形放料口按公式(6)計(jì)算,圓形放料口按公式(7)計(jì)算。
2.3 筒倉錐段設(shè)計(jì)
筒倉錐段一般有兩種形式,一種為斜直線,一種為指數(shù)曲線。斜直線錐段截面收縮率自上而下增長很快,截面收縮率越大,焦炭在靠近倉壁處摩擦阻力就越大,就越容易堵料。而指數(shù)曲線斗嘴(見圖 3),由于料倉截面積收縮率為一個(gè)常數(shù),而且曲線自上而下漏斗傾角逐漸增大,因此下部物料下滑力大,卸料時(shí)流速自上而下逐漸增大,從而有效地防止堵倉。指數(shù)曲線斗嘴設(shè)計(jì)計(jì)算見公式(8)、(9)。
式中:x 為與圓形截面對應(yīng)的各截面半徑,m;d0為卸料嘴下口尺寸,m;k為截面形狀系數(shù),圓形截面,k=1.0,方形截面,k=0.75~1.0;c1 為截面收縮率,%;y 為對應(yīng)于x 的垂直距離,m;e為自然對數(shù)值;h為斗嘴高度,m;D為斗嘴上口尺寸,m。
筒倉錐段在采用上述設(shè)計(jì)之后還需要設(shè)置破拱設(shè)備,包括機(jī)械振動設(shè)備、空氣振動設(shè)備等,以便在極端情況下處理堵料。
3 一體化安全系統(tǒng)
焦炭筒倉因其存儲可燃物質(zhì),根據(jù)防火分類屬于丙級,且隨著物料轉(zhuǎn)運(yùn)易產(chǎn)生焦炭粉塵,需考慮一體化安全系統(tǒng)。在筒倉的頂部、中部、底部設(shè)置相應(yīng)N2惰化系統(tǒng)、O2含量監(jiān)測、煙氣組合傳感器、豎壁測溫電纜、防爆門等,以保證筒倉和人員的安全。
3.1 惰化裝置
作用:惰化裝置主要用于出現(xiàn)異常情況時(shí)惰化倉內(nèi)氣氛,筒倉在正常儲存和出料的過程中,惰化裝置處于待機(jī)狀態(tài),當(dāng)出現(xiàn)長時(shí)間儲料或倉內(nèi)出現(xiàn)自燃傾向時(shí)啟動安全惰化氣保護(hù)。
安裝位置:筒倉下部泄料口處安裝一層封氣管網(wǎng);筒倉柱體部分三分之一高度以上的空間,應(yīng)按照間隔不大于6m 的距離布置注氣層;筒倉頂部向下3m處布置一層釋氣層。
3.2 O2、CO含量檢測裝置
作用:主要用于檢測筒倉外部空氣中的 O2含量,保證不低于 20%,防止 N2含量超標(biāo)造成的窒息風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)檢測CO、N2濃度,防止人員中毒。
安裝位置:分別位于筒倉頂部雨棚及筒倉底部平面,及附近的地下轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)。
3.3 煙氣組合傳感器
作用:主要用于分析倉內(nèi)是否存在可燃性氣體;分析倉內(nèi) O2含量,判斷是否需要沖入或者停止輸送 N2。該裝置可探測甲烷氣體、CO、煙霧、O2、粉塵濃度等。
安裝位置:筒倉頂部。
3.4 筒倉豎壁預(yù)埋測溫電纜。
作用:監(jiān)測倉壁溫度,若倉壁溫度急劇升高,說明倉內(nèi)局部發(fā)生了燃燒,該系統(tǒng)與惰化系統(tǒng)連動可自動沖入 N2,消滅危險(xiǎn)源。溫度測量范圍-55~125℃,精度誤差≤1℃。
安裝位置:筒倉豎壁預(yù)埋不銹鋼套管,測溫電纜分別安裝于不銹鋼套內(nèi)。
3.5 防爆門
作用:在筒倉發(fā)生爆炸時(shí)候,對整個(gè)筒倉進(jìn)行泄壓,保護(hù)結(jié)構(gòu)安全,每個(gè)倉可設(shè)置數(shù)個(gè)防爆門。
防爆門分為膜板式、自動啟閉式(重力式、超導(dǎo)磁預(yù)緊式)和彈簧預(yù)緊式。
安裝位置:筒倉頂部側(cè)面。
4 降碎設(shè)計(jì)
為了降低焦炭在筒倉卸料過程中的破碎率,擬采用以下幾種措施:
4.1 降低筒倉高度
筒倉的高度對于焦炭的破碎率是最直接的影響因素,但降低高度意味著犧牲儲量。筒倉的高度需要與許用地塊面積綜合考慮,在地塊允許范圍內(nèi)盡可能增加筒倉直徑和數(shù)量,以降低筒倉高度。
4.2 保持高倉位
當(dāng)料倉高度較高時(shí),可采用高倉位操作,以降低焦炭破碎率。因料倉的儲料特點(diǎn)為先進(jìn)先出,故不存在壓料的情況,可與焦炭供應(yīng)物流協(xié)商,保持焦炭勻速供應(yīng),盡可保持足每天供、需平衡,以滿足高倉位操作。
對于高倉位焦炭自重壓碎問題,經(jīng)查,室溫焦炭抗壓強(qiáng)度大約為 12~30MPa。計(jì)算最低處物料承受的壓強(qiáng)分兩種情況:第一種情況是淺料倉,即直壁部分高度小于等于直壁部分寬度,物料所受壓強(qiáng)見公式(9);第二種情況是深料倉,即直壁部分高度大于直壁部分寬度,物料所受壓強(qiáng)見公式(10)。
式中:R為水力學(xué)半徑,見式(6)和(7);ρd為物料堆比重,kg/m3 ;f1 為物料內(nèi)摩擦系數(shù),焦炭為 0.7~1.0;K為側(cè)壓力系數(shù),焦炭為0.171~0.271;K0 為操作特點(diǎn)系數(shù),一般≥1.5。
以上兩種情況計(jì)算后倉底處的壓強(qiáng)不超過0.2MPa,證明不能靠自重壓碎。
4.3 螺旋滑道
除降低倉體高度和落料高度外,還可以降低焦炭的落料速度,目前普遍采用螺旋滑道來降低垂直落料速度。螺旋滑道分內(nèi)螺旋和外螺旋兩種:內(nèi)螺旋是置于筒倉中心區(qū)域,直徑較小,由鋼板制成,優(yōu)點(diǎn)是卸料均勻,缺點(diǎn)是下料時(shí)易被料流產(chǎn)生的拉力帶垮塌;外螺旋是固定于倉壁上,受料流影響小,維護(hù)量小,目前被廣泛應(yīng)用。
4.4 斗式防碎設(shè)備
該設(shè)備類似于斗式提升機(jī),但其改向輪是可以隨著料面信號上升或下降。該設(shè)施是通過機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備降低焦炭卸料落差,與傳統(tǒng)防碎設(shè)計(jì)比,主要缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜,維護(hù)量大,特別是倉內(nèi)部分。
5 智能化
筒倉是一種高處裝料,低處卸料,可集儲、配于一體的工藝設(shè)施,易于實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)。
5.1 設(shè)備選型
為實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè),需要注意幾種設(shè)備的選型:
(1)卸料車定位系統(tǒng)。采用編碼電纜定位系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)卸料車的連續(xù)定位,定位精度高,以mm計(jì)??呻S時(shí)了解卸料車的位置以及在位置監(jiān)控盲區(qū)的情況。
(2)卸料車行走采用變頻控制。定速行走的卸料車停靠時(shí),不容易準(zhǔn)確對準(zhǔn)卸料口。而變頻行走,可以緩慢啟動,接近卸料點(diǎn)時(shí)緩慢停止,精確停止到位。
(3)倉位采用連續(xù)料位+開關(guān)料位組合方式監(jiān)測。連續(xù)料位宜采用三維激光掃描料位儀,用于準(zhǔn)確了解倉位。當(dāng)激光掃描受干擾時(shí),還有開關(guān)料位計(jì)確保不發(fā)生冒料事故,開關(guān)料位計(jì)需與落料點(diǎn)數(shù) 量相同。
(4)監(jiān)控系統(tǒng)。智能化無人值守系統(tǒng)需設(shè)置完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng),以確保系統(tǒng)能安全運(yùn)行。
5.2 智能化管控系統(tǒng)
智能化管控系統(tǒng)分為智能化作業(yè)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)。
(1)智能作業(yè)系統(tǒng)是控制筒倉的入料和出料設(shè)備,建立筒倉內(nèi)焦炭的 3d畫面,能夠?qū)崿F(xiàn)入料設(shè)備和出料設(shè)備的自動調(diào)度、自動定位、連續(xù)安全作業(yè),實(shí)時(shí)跟蹤筒倉內(nèi)焦炭體積量變化,實(shí)時(shí)盤庫上傳庫存數(shù)據(jù),為智能管理系統(tǒng)提供庫存管理數(shù)據(jù)。
(2)智能控制系統(tǒng)遵循智慧物流理念,實(shí)現(xiàn)入庫流程和供應(yīng)高爐流程的自動組網(wǎng)、自動選線、視頻監(jiān)控全程及畫面仿真,接受指令實(shí)現(xiàn)筒倉設(shè)備全天候無人值守自動運(yùn)轉(zhuǎn)。
(3)智能管理系統(tǒng)是收集廠內(nèi)外物流信息、設(shè)備運(yùn)行信息、焦炭庫存信息等,建立規(guī)范的物料編碼、設(shè)備編碼體系,采用焦炭筒倉倉群、流程網(wǎng)群、計(jì)量網(wǎng)群、庫存仿真等組成生產(chǎn)管理智能系統(tǒng),并與高爐礦槽交換倉內(nèi)焦炭儲量信息,提供最低焦炭儲存方案和焦炭進(jìn)廠、采購預(yù)測。并可在循環(huán)作業(yè)菜單引領(lǐng)下,實(shí)現(xiàn)無人直接參與的生產(chǎn)、運(yùn)營和管理,保障高爐焦炭安全儲運(yùn)。
6 環(huán)保設(shè)施
筒倉的環(huán)保設(shè)施有卸料車通風(fēng)槽、卸料車車載除塵、卸料車覆倉膠帶、帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)除塵、環(huán)保導(dǎo)料槽等設(shè)施。
(1)卸料車通風(fēng)槽。作為一種傳統(tǒng)的除塵方式, 通風(fēng)槽的小車易脫軌、密封性差,一直深受業(yè)主詬病,解決好這兩個(gè)問題不失為一種實(shí)用的環(huán)保設(shè)施。
(2)卸料車車載除塵。該種除塵方式是在通風(fēng)槽效果不滿足要求的基礎(chǔ)上,近年來采用的一種除塵方式。這種方式需要卸料車背負(fù)一臺、兩臺甚至三臺除塵器,另外還需要背負(fù)空氣壓縮機(jī)或者拖著一根壓縮空氣管,系統(tǒng)有些繁瑣。
(3)卸料車覆倉膠帶。卸料車在向筒倉卸料時(shí)會外溢揚(yáng)塵,單點(diǎn)落料時(shí)一般采用重力翻板閥。但由于物料品種單一,卸料孔一般為通長孔,故覆倉膠帶為一種常用的抑塵措施。
(4)帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)除塵。倉上帶式輸送機(jī)和倉下帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)均需要設(shè)置除塵點(diǎn),由集中布袋除塵器進(jìn)行收集粉塵。
(5)環(huán)保導(dǎo)料槽。該設(shè)備為一種新型專利設(shè)備。傳統(tǒng)導(dǎo)料槽為單層,空間狹小,環(huán)保導(dǎo)料槽為雙層密封,內(nèi)部設(shè)置迷宮,引導(dǎo)粉塵氣流逐漸降低流速,粉塵自主下降,可以有效降低除塵系統(tǒng)風(fēng)量,節(jié)能降耗。
7 結(jié)語
筒倉作為煤炭行業(yè)、糧食行業(yè)常見的一種儲料方式,技術(shù)成熟。在冶金行業(yè)環(huán)保政策收緊,企業(yè)環(huán)保壓力加大的趨勢下,焦炭進(jìn)入筒倉儲存可以大幅提升鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,而且易于實(shí)現(xiàn)智能化操作和管控,同時(shí)能夠大幅節(jié)約占地。該方案尤其在老廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行焦炭封閉倉儲改造項(xiàng)目中具備一定優(yōu)勢,未來具有良好的應(yīng)用前景。
本文的設(shè)計(jì)要點(diǎn),參照了煤炭行業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范,同時(shí)結(jié)合了冶金焦炭的運(yùn)輸、儲存和使用特點(diǎn)和要求,拋磚引玉,希望能夠?yàn)殇撹F企業(yè)環(huán)保、工業(yè)智能化提供些許參考,尤其對環(huán)保績效要進(jìn)入A級的鋼鐵企業(yè)來說,焦炭進(jìn)入筒倉儲存是一個(gè)優(yōu)選改造方案。
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