鋁土礦裝船碼頭裝卸工藝方案研究

朱本飛，葉成華

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

引 言

鋁土礦是生產(chǎn)氧化鋁的重要原料。氧化鋁是生產(chǎn)電解鋁的中間產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)、汽車業(yè)、消費品加工、半導(dǎo)體工業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計資料顯示，全球鋁土礦已探明儲量約 270億t，可滿足鋁工業(yè)約130年的開采需求。但是，鋁土礦資源分布不平衡，幾內(nèi)亞和澳大利亞兩國的儲量總和約占全球總儲量的近50 %[1]。

近年來，我國對鋁土礦的需求也越來越大。隨著國家一帶一路政策的推進(jìn)，中資企業(yè)逐步向非洲等海外市場尋求鋁土礦原料供應(yīng)，國外豐富的鋁土礦資源成為目標(biāo)市場之一。在此背景下，逐步形成了由鋁土礦礦區(qū)、裝船碼頭、海上運輸線至國內(nèi)進(jìn)口碼頭等國際運輸線路。隨著鋁礦石出口份額的逐年增加，鋁土礦出口國落后的礦石出口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平已成為未來鋁礦石出口的關(guān)鍵限制條件。因此，擴(kuò)大鋁土礦出口裝船碼頭規(guī)模、改善鋁土礦出口條件是保障鋁土礦國際供應(yīng)鏈穩(wěn)定的重要工程。本項目著眼于新建若干鋁土礦裝船泊位，以完成每年一定量的鋁土礦裝船的生產(chǎn)任務(wù)，并配套建設(shè)相應(yīng)的引堤、陸域堆場等配套設(shè)施。

鋁土礦的物料特性與煤炭和鐵礦石等傳統(tǒng)干散貨不同。鋁土礦的堆積密度為1.4～1.7 t/m3，靜安息角約35°～50°，動安息角約 30°～40°，物料粒度在 1～10 mm，表面含水率為13 %～16 %。鐵礦石的動安息角15°，表面含水率小于10 %；煤炭的動安息角15°～20°，表面含水率為8 %～13 %[2]?？梢钥闯?，鋁土礦的含水量較大，安息角大，粘連性較強(qiáng)，運輸過程中容易出現(xiàn)粘料、堵料的現(xiàn)象，從而影響了鋁土礦的裝卸作業(yè)效率。本文重點研究鋁土礦在碼頭前沿和堆場兩個主要環(huán)節(jié)的裝卸工藝方案，分析了不同方案的優(yōu)缺點，為碼頭建設(shè)提供參考。

1 碼頭前沿區(qū)域的裝船方案

碼頭前沿區(qū)域是主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。針對該區(qū)域的裝卸工藝方案，結(jié)合鋁土礦出口國的生產(chǎn)作業(yè)的現(xiàn)狀及其經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，本次研究提出三種主要的裝船工藝方案。即：

1）碼頭裝船方案1：自卸汽車+裝載機(jī)+固定式起重機(jī)抓斗裝船工藝；

2）碼頭裝船方案 2：帶式輸送機(jī)+圓弧軌道式裝船機(jī)裝船工藝；

3）碼頭裝船方案 3：帶式輸送機(jī)+移動式裝船機(jī)裝船工藝。

1.1 碼頭裝船方案1

在當(dāng)?shù)匾堰\營的一個鋁土礦裝船碼頭中，采用了固定式起重機(jī)的抓斗裝船工藝。自卸汽車將鋁土礦運輸至碼頭前沿，卸至前沿的臨時堆場上。碼頭前沿配置帶抓斗的固定式起重機(jī)。船舶靠泊后，通過固定式起重機(jī)的抓斗將鋁土礦抓取后卸料至駁船上?？紤]到鋁土礦的堆高及輔助作業(yè)的需要，配置必要的裝載機(jī)，配合固定式起重機(jī)的裝卸作業(yè)。這種方案的裝卸作業(yè)流程為：后方堆場/礦區(qū)—自卸汽車—臨時堆場—帶抓斗的固定式起重機(jī)—駁船。

采用這種裝卸工藝方案時，碼頭除在后方設(shè)置鋁土礦的堆場外，在前沿區(qū)域也應(yīng)設(shè)置臨時堆場。汽車運輸過來的鋁土礦全部堆積在前沿平臺上，要求碼頭設(shè)計時需考慮前沿的堆貨荷載。這種方式比較適合于碼頭前沿與后方堆場布置在一起的連片式布置。這種作業(yè)方式，鋁土礦的水平運輸全部采用自卸汽車，因而碼頭需要配置較多的自卸汽車。相對于其他碼頭，它增加了碼頭前沿區(qū)域的二次倒運，一定程度上會帶來鋁土礦對碼頭平臺的污染。尤其對于采用較長引堤延伸至外海的碼頭，這種作業(yè)方式下引橋及碼頭的污染會較嚴(yán)重。

1.2 碼頭裝船方案2

為減小自卸汽車運輸帶來的碼頭前沿的交通組織以及環(huán)境污染等問題，可以采用帶式輸送機(jī)用于鋁土礦的水平運輸。碼頭的裝船作業(yè)采用圓弧軌道式裝船機(jī)。這種連續(xù)式裝船設(shè)備比較適用于碼頭前沿的散貨駁船裝船作業(yè)，常與后方帶式輸送機(jī)系統(tǒng)銜接。裝船機(jī)的支承旋轉(zhuǎn)中心與碼頭供料帶式輸送機(jī)的落料點處于同一垂線上。供料皮帶機(jī)落下的物料通過裝船機(jī)上的帶式輸送機(jī)輸送至臂架頭部，進(jìn)而通過裝船溜筒落入船艙。這種方案的裝卸作業(yè)流程為：后方堆場—帶式輸送機(jī)—圓弧軌道式裝船機(jī)—駁船。

這種裝船工藝方案采用圓弧軌道式裝船機(jī)。碼頭前沿設(shè)置圓弧形軌道，裝船機(jī)可以在弧形軌道上行走。借助于大車行走機(jī)構(gòu)、臂架伸縮結(jié)構(gòu)等工作，裝船機(jī)可以實現(xiàn)裝船作業(yè)范圍在船艙長度方向和寬度方向的覆蓋，以實現(xiàn)裝料的均勻和裝載的平穩(wěn)。依靠臂架俯仰和溜筒伸縮功能，它可以適應(yīng)不同的裝船水位以及船舶物料的堆高的變化。

這種裝船工藝方案的主要特征有：

1）碼頭前沿的長寬尺寸僅需要滿足船舶靠泊和裝船機(jī)的正常工作要求即可。因而，為了降低碼頭建設(shè)投資，常采用墩式碼頭布置形式，即碼頭由若干靠船墩、系纜墩以及裝船工作平臺構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 墩式碼頭布置

2）所采用的圓弧軌道式裝船機(jī)往往難以完全覆蓋到全部船艙，尤其是船艙長度方向難以全覆蓋，而增加工作幅度會導(dǎo)致設(shè)備造價快速的上漲。因而，為解決船艙覆蓋面不足的問題，一方面對于大型船舶常常采用2臺甚至多臺設(shè)備，另一方面可以借助拖輪采取移船的作業(yè)方式。

3）水平運輸采用帶式輸送機(jī)。通過設(shè)置帶式輸送機(jī)罩扣，以及在接料漏斗處設(shè)除塵設(shè)施，可較大程度上降低采用自卸汽車作業(yè)時的環(huán)境污染。

4）在鋁土礦含水率較大時，可能存在皮帶機(jī)粘料問題。

1.3 碼頭裝船方案3

為解決圓弧軌道式裝船機(jī)的裝船覆蓋面問題，裝船碼頭可采用移動式裝船機(jī)。水平運輸同樣采用固定帶式輸送機(jī)給碼頭裝船機(jī)供料。裝船設(shè)備采用移動式裝船機(jī)。移動式裝船機(jī)具有伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰等功能，可以實現(xiàn)不同工況下的裝船作業(yè)需求。移動式裝船機(jī)可沿著碼頭前沿布置的軌道行走，因而在船艙長度方向可以覆蓋全部船艙，在寬度方向的覆蓋通過控制移動裝船機(jī)的外伸距來實現(xiàn)。移動式裝船機(jī)在國內(nèi)大型干散貨裝船碼頭應(yīng)用較廣泛。這種方案的裝卸作業(yè)流程為：后方堆場—帶式輸送機(jī)—移動式裝船機(jī)—駁船。

這種裝船工藝方案的特征有：

1）移動裝船機(jī)的軌道沿著碼頭長度方向布置，整機(jī)可以沿著碼頭運行，碼頭前沿區(qū)域應(yīng)該整體連片布置。因而碼頭水工結(jié)構(gòu)的投資相對會較大。

2）移動式裝船機(jī)作業(yè)方式靈活，機(jī)動性好，對船型的適應(yīng)性非常好，且裝船作業(yè)的效率高。它可以滿足碼頭大運量、高效率和頻繁作業(yè)的需要。

3）碼頭前沿區(qū)域具有較大的工作空間，可以滿足消防及檢修車輛等工作要求，碼頭運營期間的日常維修保養(yǎng)等工作較為方便。

4）采用帶式輸送機(jī)輸送鋁土礦同樣存在帶式輸送機(jī)的粘料和堵料問題。

2 堆場區(qū)域的物料裝卸方案

堆場環(huán)節(jié)是連接礦區(qū)和碼頭前沿的貨物中轉(zhuǎn)場所。由于礦區(qū)至碼頭的水平運輸已確定采用公路運輸?shù)姆绞?，因而堆場中鋁土礦的進(jìn)堆場已經(jīng)明確為自卸汽車方式。因而，對于鋁土礦堆場，擬結(jié)合自卸汽車的方式提出四種堆取料作業(yè)方案。即：

1）堆場作業(yè)方案1：自卸汽車+裝載機(jī)+移動皮帶機(jī)+自卸汽車工藝；

2）堆場作業(yè)方案2：自卸汽車+裝載機(jī)+移動皮帶機(jī)+漏斗+帶式輸送機(jī)工藝；

3）堆場作業(yè)方案 3：自卸汽車+帶式輸送機(jī)棧橋堆料+卸料孔卸料+帶式輸送機(jī)工藝；

4）堆場作業(yè)方案4：自卸汽車+受料坑+堆料機(jī)+取料機(jī)+帶式輸送機(jī)工藝。

2.1 堆場作業(yè)方案1

對于碼頭前沿采用的帶抓斗的固定式起重機(jī)的裝船作業(yè)方式，堆場的堆取料方案為：自卸汽車將鋁土礦運輸至指定的堆放位置，再借助于單斗裝載機(jī)和移動皮帶機(jī)進(jìn)行鋁土礦的堆高作業(yè)。取料時，單斗裝載機(jī)將鋁土礦直接裝載至自卸汽車上，或借助于移動皮帶機(jī)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)接。自卸汽車再將鋁土礦運輸至碼頭前沿區(qū)域。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車—（裝載機(jī)—移動皮帶機(jī)）—堆場—單斗裝載機(jī)—自卸汽車—碼頭前沿。

這種作業(yè)方式下，堆場均采用裝載機(jī)、移動皮帶機(jī)等流動機(jī)械，裝卸設(shè)備的投資較少，設(shè)備的配置可根據(jù)實際需要逐步購買。堆場的土建工程也相對比較簡單，直接進(jìn)行場地平整后就可作為堆場使用，甚至無需進(jìn)行場地硬化等土建工程。因此，這種作業(yè)方式比較適合于碼頭工程的前期投資額度有限、對裝卸作業(yè)效率要求不高的情況下采用。

2.2 堆場作業(yè)方案2

對于使用帶式輸送機(jī)給碼頭前沿供料的作業(yè)方式，堆場的裝卸工藝擬結(jié)合裝載機(jī)的使用考慮如下方案：自卸汽車將鋁土礦自卸至指定料堆處，并配置若干臺裝載機(jī)和移動皮帶機(jī)對鋁土礦進(jìn)行堆高作業(yè)。堆場中配置若干臺鋁土礦專用漏斗。取料作業(yè)時，單斗裝載機(jī)將堆場中的鋁土礦裝載至漏斗中。漏斗下方為固定帶式輸送機(jī)。通過控制漏斗的落料實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的給料。物料落入帶式輸送機(jī)后被送往碼頭前沿區(qū)域。當(dāng)堆場的范圍較大時，可以配置若干臺移動帶式輸送機(jī)搭配單斗裝載機(jī)為接料漏斗供料，以縮短單斗裝載機(jī)的行駛距離。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車—（單斗裝載機(jī)—移動皮帶機(jī)）—堆場—單斗裝載機(jī)—（移動帶式輸送機(jī)）—漏斗—帶式輸送機(jī)—碼頭前沿。

這種堆取料作業(yè)方式，既采用了自卸汽車和裝載機(jī)的堆料作業(yè)功能，又與碼頭前沿的帶式輸送機(jī)的運輸方式兼容，同時具備了流動機(jī)械的周期性作業(yè)和連續(xù)性裝船設(shè)備作業(yè)的特征。它需要配備數(shù)量較多的裝載機(jī)用于堆場作業(yè)。相對于國內(nèi)散貨堆場常見的堆取料機(jī)的作業(yè)方式，它的作業(yè)效率相對不高，且要求港區(qū)勞動定員多，運營期間的運營成本較高。但是，鋁土礦出堆場的方式是采用帶式輸送機(jī)，較好的匹配了碼頭前沿裝船機(jī)的作業(yè)方式。

2.3 堆場作業(yè)方案3

為了降低堆場運營期間的成本，提出采用帶式輸送機(jī)棧橋堆料、卸料孔卸料的作業(yè)方案。自卸汽車將鋁土礦運輸至堆場，卸至受料坑。卸下的鋁土礦通過卸料坑下的帶式輸送機(jī)輸送至堆場。堆場上方設(shè)置帶式輸送機(jī)棧橋。如圖2所示，受料坑輸送過來的鋁土礦被提升至一定的高度，再通過棧橋上的卸料小車將鋁土礦卸至棧橋兩側(cè)的料堆。在棧橋的兩側(cè)分別設(shè)置兩條地下皮帶機(jī)廊道。沿皮帶機(jī)廊道布置若干個卸料孔，每個卸料孔下面均配置震動給料機(jī)。鋁土礦通過卸料孔落料至廊道皮帶機(jī)，進(jìn)而輸送至碼頭前沿的裝船機(jī)。這種作業(yè)方式的斷面圖如圖所示。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車—受料坑—帶式輸送機(jī)—卸料小車—堆場—卸料孔+震動給料機(jī)—地下廊道皮帶機(jī)—碼頭前沿。

圖2 “棧橋堆料+卸料孔+地下廊道”作業(yè)方式示意

這種作業(yè)方式在砂石料堆場中偶有使用。相對于方案一和方案二，它最大的特點是利用物料的重力自由落入卸料孔，而不是采用裝載機(jī)來取料。它在一定程度上降低了堆場的取料耗能和運營成本。但是，堆場上需要增加進(jìn)場的皮帶機(jī)棧橋及卸料小車等設(shè)施，同時也要增加廊道皮帶機(jī)等設(shè)備和土建投資等。

這種方案最大的缺點是在物料經(jīng)卸料孔進(jìn)入廊道皮帶機(jī)的過程中，存在粘料和堵料的可能性。鋁土礦的含水量較大，粘連性較強(qiáng)，物料的流動性較差。在堆場的運營過程中，發(fā)生堵料的可能性較大。這種情況一旦發(fā)生，堆場的取料作業(yè)將不得不停止。且由于此時堆場上的鋁土礦的庫存量非常大，疏通卸料孔也將會是一個難題。為了降低堵料發(fā)生的概率，可采取一些措施。例如，考慮在堆場上方設(shè)置防雨棚，可有效地避免當(dāng)?shù)赜昙鹃L時間的降雨導(dǎo)致的堆場無法作業(yè)。此外，卸料孔的內(nèi)壁的斜度盡可能在要陡，且卸料孔的下面均配置震動給料機(jī)。這些措施一定程度上可以降低堵料發(fā)生的概率。

2.3 堆場作業(yè)方案4

這種方案是國內(nèi)煤炭和礦石等專業(yè)化干散貨碼頭比較常見的堆場作業(yè)方式。鋁土礦進(jìn)堆場的作業(yè)采用自卸車+受料坑+帶式輸送機(jī)的方式。即，自卸汽車將運輸過來的鋁土礦卸至受料坑。卸下的鋁土礦通過受料坑下面的帶式輸送機(jī)輸送至堆場。堆料機(jī)將進(jìn)入堆場的鋁土礦堆料至兩側(cè)的堆場。取料作業(yè)采用斗輪式取料機(jī)。取料機(jī)取得的物料通過堆場帶式輸送機(jī)被輸送至碼頭前沿。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車—受料坑—帶式輸送機(jī)—堆料機(jī)—堆場—取料機(jī)—帶式輸送機(jī)—碼頭前沿。

這種堆取料工藝方案中，盡管鋁土礦的進(jìn)港是采用自卸汽車，但是它通過卸料坑的設(shè)置，進(jìn)而很好地與堆料機(jī)和取料機(jī)等自動化設(shè)備進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。這種作業(yè)方式的裝卸作業(yè)效率較高，碼頭的自動化程度較高。但是，它的前期工程投資較大。除了堆料機(jī)、取料機(jī)、帶式輸送機(jī)等裝卸設(shè)備的投資外，還包括設(shè)備基礎(chǔ)以及供電等必要的配套設(shè)施等。因而，這種作業(yè)方式一般用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的國家，或者是用于裝卸那些經(jīng)濟(jì)附加值較高的貨種。

3 鋁土礦裝船工藝方案對比分析

以上章節(jié)分析了三種碼頭前沿區(qū)域的裝船方案和四種堆場區(qū)域的堆取料方案。針對這些方案的優(yōu)缺點進(jìn)行綜合性分析，得出如表1和表2所示的性能分析。

表1 裝船區(qū)域工藝方案對比分析

表2 堆場區(qū)域工藝方案對比分析

從表1和表2的分析對比可以看出，每種裝卸作業(yè)方式均有其優(yōu)缺點。其中，裝船區(qū)域的方案一與堆場環(huán)節(jié)的方案一的組合方案，即裝船作業(yè)采用“自卸汽車+裝載機(jī)+固定式起重機(jī)抓斗”方式，堆場作業(yè)采用“自卸汽車+裝載機(jī)+移動皮帶機(jī)+自卸汽車”方式，它的系統(tǒng)可靠性最高，且工程前期投資較低，但是運營能耗較高，環(huán)境污染較嚴(yán)重。而裝船區(qū)域的方案三與堆場環(huán)節(jié)的方案四的組合方案的作業(yè)效率高，但是工程投資大。其中，就堆場環(huán)節(jié)工藝方案而言，方案三的運營能耗最低，但它的系統(tǒng)可靠性沒有其他方案的高。

4 結(jié) 語

國內(nèi)鋁土礦碼頭多以進(jìn)口碼頭為主，鋁土礦裝船碼頭并不多見。非洲為鋁土礦重要產(chǎn)區(qū)，隨著當(dāng)?shù)劁X土礦資源的逐步開發(fā)，裝船碼頭的建設(shè)也日益增多。目前，非洲區(qū)域的鋁土礦裝船工藝主要有“自卸車水平運輸+固定式起重機(jī)抓斗裝船”的方式，也出現(xiàn)了“帶式輸送機(jī)+圓弧軌道式簡易裝船機(jī)”的作業(yè)方式。鋁土礦的物料粘性較大，運輸過程中存在著堵料的可能性。針對這種情況，本研究分別討論了碼頭前沿區(qū)域和堆場區(qū)域可能存在的幾種裝卸工藝方案，并分析了不同裝卸作業(yè)方案的優(yōu)缺點，以期為鋁土礦裝船碼頭的建設(shè)提供參考。