影響防凍液噴淋系統(tǒng)冬季車皮低凍黏率關(guān)鍵因素

高瑞峰， 包全民， 高貴文， 郭建珠， 邵 和

(1.國家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)煤生產(chǎn)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

1 冬季火車運(yùn)煤車皮防凍措施的必要性

我國煤炭資源80%以上分布在新疆、內(nèi)蒙古、山西、陜西，全國四大煤田均分布于西部和北部地區(qū)。而煤炭消費(fèi)主要在東部地區(qū)，錯位性的資源分布與消費(fèi)布局決定了我國煤炭資源“北煤南運(yùn)，西煤東運(yùn)”格局。現(xiàn)階段鐵路運(yùn)輸仍然是主要的煤炭運(yùn)輸方式，在我國北方冬季煤炭鐵路運(yùn)輸過程中，由于煤炭生產(chǎn)加工過程都含有一定的水分，極易導(dǎo)致煤塊結(jié)冰與車皮底部或四壁凍結(jié)，給煤炭卸載工作帶來不便，鐵路運(yùn)輸作為煤炭物流運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，結(jié)塊的煤炭直接進(jìn)倉會造成堵倉或?qū)е孪乱贿\(yùn)輸環(huán)節(jié)物料運(yùn)輸不均勻等故障，不僅影響正常工業(yè)流程的進(jìn)行，更重要的影響是使得鐵路運(yùn)輸效能大大降低，大量寶貴的運(yùn)輸資源浪費(fèi)在車輛重新編組和調(diào)配中，再加上重新處理費(fèi)用更是“觸目驚心”；實(shí)現(xiàn)防凍液降低車皮凍黏率意義重大，是業(yè)內(nèi)冬季運(yùn)輸需要重點(diǎn)解決的老大難問題。

2 防凍液噴淋防凍基本機(jī)理

圖1為單一水分子結(jié)構(gòu)圖；水在攝氏零下溫度時，易凍結(jié)為固體，凍結(jié)時體積會膨脹，膨脹的結(jié)果就是水分子間的距離會擴(kuò)大；

基于水凍結(jié)機(jī)理，利用無水鈣易于吸收水分子機(jī)理，無水氯化鈣成品，其反應(yīng)方程式見式(1)。

(1)

圖1 單一水分子結(jié)構(gòu)圖

基于無水鈣這一良好的吸附水分子性能，完全可以填補(bǔ)水分子在結(jié)冰時拉大的距離空間，使無水鈣分子填補(bǔ)水在攝氏零下溫度時產(chǎn)生的分子間隙，這樣水就不會結(jié)冰了，還會處于液態(tài)狀；如圖2所示，為典型的二水鈣分子結(jié)合圖。

圖2 典型的二水鈣分子結(jié)合圖

防凍液車皮噴淋防凍基本機(jī)理就是在車廂四壁和底部噴灑一層防凍液，使得煤中的水分子與車箱不能直接接觸或者接觸的水分子受防凍液控制不會產(chǎn)生凍結(jié)，這樣車皮凍黏現(xiàn)象就不會發(fā)生。

3 凍黏率高居不下的原因

提高噴灑均勻度，量的控制無疑是重要的，是防凍的基本問題。當(dāng)車皮凍黏率低于1%后，繼續(xù)降低難度很大，成本劇增，車皮凍黏率降低成效有限，噴淋質(zhì)量鈍化特征明顯，管理費(fèi)用居高不下，凍黏率也相對居高不下，似乎凍黏率繼續(xù)下降的實(shí)現(xiàn)與噴灑質(zhì)量關(guān)聯(lián)性不大，而且成本似乎也不支持繼續(xù)降低，繼續(xù)降低凍黏率前提下運(yùn)行成本也高的離奇，凍黏率高居不下成為業(yè)界共性難題。

筆者通過多年的實(shí)踐，探索發(fā)現(xiàn)凍黏率越低與防凍液質(zhì)量相關(guān)性越強(qiáng)，防凍液質(zhì)量的提高對凍黏率的進(jìn)一步降低影響作用明顯。首先應(yīng)解決在氣候條件變化劇烈的情況下，如何通過質(zhì)量的匹配性來適應(yīng)氣候急劇變化的需求，冬季防凍液是多種化合物的混合物。防凍原理是依靠無水鈣或者是二水鈣填充了水分子之間的空隙，從而實(shí)現(xiàn)水分子不能固化為冰；分散劑甲醇用途是使得無水鈣或者是二水鈣均布；纖維素的作用是使得冬季防凍液黏稠度增稠這樣實(shí)現(xiàn)列車四壁上能掛更多的防凍液液體；通過上述方法基本解決了氣候溫度變化突變的干擾因素。如圖3所示，為分散劑的均布作用和纖維素的增稠效果示意圖。通過質(zhì)量控制這一關(guān)鍵因素實(shí)現(xiàn)了凍黏率小于0.1%，似乎凍黏問題得以解決，好像達(dá)到了極限，正確率為99.9%，如圖4所示，為極端溫度變化條件下防凍液液體變化圖。

圖3 分散劑的均布作用和纖維素的增稠效果示意圖

圖4 極端溫度變化條件下防凍液液體變化圖

但是凍黏問題還會無規(guī)律出現(xiàn)，問題有時還會反復(fù)出現(xiàn)，千分之一的凍黏率，還是危害很大，港口好幾百人的處理黏結(jié)問題隊(duì)伍，加上間接費(fèi)用的高居不下，讓公司上下認(rèn)為應(yīng)該突破業(yè)內(nèi)這一問題悖論，“冬季人會生凍瘡，車皮極寒就會生凍黏”，敢不敢攻克業(yè)界這一共性，公司從制度上首先進(jìn)行了深層次改革，將防凍液從市場價運(yùn)行管理轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀具\(yùn)行管理方式，解決了噴灑質(zhì)量、數(shù)量與成本掛鉤的兩難選擇窘迫困境，制度上為這一問題的解決創(chuàng)造了有利條件。凍黏率是一負(fù)指標(biāo)，凍黏率越低與防凍液質(zhì)量相關(guān)性越強(qiáng)，但是質(zhì)量因素在一定范圍內(nèi)0.1%的相關(guān)性規(guī)律性明顯，繼續(xù)降低凍黏率前提下運(yùn)行成本也高的離奇，進(jìn)入質(zhì)量降低凍黏率成本怪圈；與溫度關(guān)聯(lián)性很大但是是可控的，給人一個新的啟示凍黏率與防凍液的動態(tài)質(zhì)量密切相關(guān)，進(jìn)一步分析還有多個非質(zhì)量因素指標(biāo)影響因子存在，關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)有益因子的可控并讓其發(fā)揮效能，同時需要剔除其它因素對低凍黏率指標(biāo)的影響，很明顯噴灑冷凍液系統(tǒng)是離散工業(yè)系統(tǒng)，也是復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)，做到精準(zhǔn)控制必須有專用裝備將離散的各個工業(yè)場景有效關(guān)聯(lián)，借助于無線網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)平臺，建立防凍液噴淋全生產(chǎn)流程實(shí)時動態(tài)計量技術(shù)和管理體系，實(shí)行防凍液從生產(chǎn)端始到港口卸載終一站式動態(tài)標(biāo)簽式管理方式才能滿足工業(yè)現(xiàn)場車皮低凍黏率的要求。

4 凍黏率質(zhì)量與時間的動態(tài)關(guān)系控制管理體系

借助于無線網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)平臺，建立防凍液噴淋全生產(chǎn)流程實(shí)時動態(tài)計量技術(shù)和管理體系，實(shí)行防凍液從生產(chǎn)端開始到港口卸載，一站式動態(tài)標(biāo)簽式管理方式，實(shí)現(xiàn)了凍黏率質(zhì)量與時間的動態(tài)關(guān)系控制管理。熱效應(yīng)的時間累積效應(yīng)是把利刃，分散劑甲醇，增稠劑纖維素，無水鈣有聚集性和擴(kuò)散性傾向，時間久了冬季防凍液質(zhì)量指標(biāo)會下降，借助于無線測控技術(shù)平臺的，通過精確的動態(tài)計量技術(shù)，完善公司上下一致的精細(xì)計量管理體系；我們把防凍液從生產(chǎn)開始到出廠就貼上動態(tài)標(biāo)簽，到輸送罐車，到噴灑罐車，再到噴灑過程，到車皮裝煤，到港口卸載，全程動態(tài)標(biāo)簽化計量管理。2017年冬季所有凍黏車輛均是因鐵路運(yùn)輸時間超長造成的事故，但是這一因素產(chǎn)生的凍黏率占比是很小的，僅為幾列車的個別車廂，當(dāng)年實(shí)現(xiàn)的凍黏率是很低的，全年凍黏率為十萬分之一；2018年全路段凍黏率為零的創(chuàng)紀(jì)錄事件。

5 其他影響因素的剔除

防凍液噴灑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的控制一直是實(shí)施運(yùn)行單位必不可少的運(yùn)行指標(biāo)之一，在多年實(shí)踐應(yīng)用中逐步認(rèn)識到這一指標(biāo)對凍黏率進(jìn)一步下降控制技術(shù)的推進(jìn)不僅沒有益處，而且還有誤導(dǎo)。防凍液成本控制與低凍黏率進(jìn)一步降低本質(zhì)上是兩個相矛盾的指標(biāo)，萬分之幾的降低率不是僅僅受制于成本這一因素所決定的，而這之間沒有本質(zhì)關(guān)聯(lián)。噴灑防凍液市場成本為2 000元/t，節(jié)約幾十噸，還不夠凍黏一列車的清理費(fèi)用，再附加上運(yùn)輸效率和調(diào)度這兩項(xiàng)費(fèi)用更是驚人，防凍液噴灑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的控制一直作為實(shí)施運(yùn)行單位必不可少的運(yùn)行指標(biāo)之一去考核，沒有可操作的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義，對凍黏率進(jìn)一步降低有害無益，取消這一指標(biāo)勢在必行，基于上述理念和思路，通過零利潤法將防凍液的管理從利潤體系中剔除，為防凍液噴灑效果這一工作環(huán)節(jié)的可靠性評估體系的建立，確立了可信且可操作的置信空間。現(xiàn)在，相對于同行業(yè)防凍液2 000元/t的運(yùn)行費(fèi)用，我們將防凍液成本控制在300元/t范圍內(nèi)；這一措施不僅使得成本得到控制而且在冬季煤炭外運(yùn)總量年年增加的情況下，但是噴灑總成本取得基本維持不變這一管理最佳效果，連續(xù)多年相較上一年度成本費(fèi)用節(jié)支近80余萬元，難能可貴的是低凍黏率指標(biāo)是在小于0.001%條件下實(shí)現(xiàn)的。

6 結(jié)語

從生產(chǎn)到運(yùn)輸，再到噴灑，再到鐵路運(yùn)輸，再到港口卸載的各個環(huán)節(jié)的標(biāo)簽管理體系，實(shí)現(xiàn)了冬季煤炭鐵路運(yùn)輸車皮凍黏率趨于零這一成績，充分顯示了計量動態(tài)在線跟蹤這一管理目標(biāo)，精確的計量就像給防凍液貼了標(biāo)簽一樣，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)開始，直到港口卸載，全壽命期跟蹤動態(tài)管理，達(dá)到了這一業(yè)界管理目標(biāo)的奇跡。

成本上也大大降低，相比2015年業(yè)界防凍液成本加利潤2 000元/t，不僅因噸煤防凍液使用量減少使得直接成本每年降低300多萬元，而且相對2 000元業(yè)界平均成本，僅以成本運(yùn)行法300元/t實(shí)際運(yùn)行帶來得間接利潤為1 700元/t，實(shí)際產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益核算為3 000萬元以上，2016、2017、2018三年累計產(chǎn)生的直接間接經(jīng)濟(jì)效益為1億元以上。