大型儲(chǔ)焦筒倉工藝設(shè)計(jì)探討

牟金合

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

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(hào)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(chǔ)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(chǔ)，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(chǔ)，儲(chǔ)存時(shí)間一般7～15天，主流存儲(chǔ)方式為B型料場。根據(jù)環(huán)辦大氣函〔2020〕340號(hào)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(hào)《關(guān)于做好鋼鐵企業(yè)超低排放評(píng)估監(jiān)測工作的通知》，環(huán)?？冃級(jí)企業(yè)對(duì)于無組織排放的要求為，物料儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，如果噴水抑塵，則會(huì)增加物料水分。本文結(jié)合B型料場儲(chǔ)存焦炭存在的問題，探討了焦炭采用筒倉儲(chǔ)存的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)筒倉儲(chǔ)存方案存在的問題及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1 儲(chǔ)存方式選擇

目前鋼鐵企業(yè)原料儲(chǔ)存方式有A、B、C、D型料場及封閉式儲(chǔ)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(chǔ)及物流一體化管控。各種型式的原料場特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

經(jīng)特點(diǎn)對(duì)比，封閉式儲(chǔ)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(duì)于高爐的各種礦原料，堆比重高，如采用筒倉儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的工藝設(shè)計(jì)。

表1 各種型式的原料場特點(diǎn)對(duì)比

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(dòng)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(tái)形（見圖2），即倉壁到一定高度后逐漸收縮，倉頂平臺(tái)直徑小于倉體直徑，如此即能減小倉頂平臺(tái)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(tái)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(tái)的施工難度大，對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體性而言性，混凝土倉頂平臺(tái)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。

圖1 焦炭筒倉的典型入料布置

圖2 改進(jìn)后回轉(zhuǎn)窯法處理含鋅冶金塵泥潔凈生產(chǎn)工藝流程

圖2 圓臺(tái)形筒倉倉頂

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(chǔ)煤筒倉。

（3）單斗或群斗式出料口，采用振動(dòng)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(dòng)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(duì)倉體影響較大。如果將出料口做得足夠大，料拱便不會(huì)形成。由于焦炭為易于流動(dòng)的物料，能夠形成穩(wěn)定料流的出料口尺寸由公式（1）求出。

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(duì)放料能力進(jìn)行驗(yàn)算，見公式（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(duì)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）。

圖3 指數(shù)曲線斗嘴

式中：x為與圓形截面對(duì)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(duì)應(yīng)于x的垂直距離，m；e為自然對(duì)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(dòng)設(shè)備、空氣振動(dòng)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(chǔ)可燃物質(zhì)，根據(jù)防火分類屬于丙級(jí)，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(chǔ)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(chǔ)料或倉內(nèi)出現(xiàn)自燃傾向時(shí)啟動(dòng)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 O 2、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(dòng)可自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(hào)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(chǔ)、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?？繒r(shí)，不容易準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)卸料口。而變頻行走，可以緩慢啟動(dòng)，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(dòng)調(diào)度、自動(dòng)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(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)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(dòng)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(chǔ)量信息，提供最低焦炭儲(chǔ)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(chǔ)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(tái)、兩臺(tái)甚至三臺(tái)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(huì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)環(huán)?？冃бM(jìn)入A級(jí)的鋼鐵企業(yè)來說，焦炭進(jìn)入筒倉儲(chǔ)存是一個(gè)優(yōu)選改造方案。