銅精礦解凍庫設(shè)計(jì)實(shí)踐研究

丁中秋 易世友

〔摘 要〕針對(duì)黑龍江某銅冶煉項(xiàng)目貨運(yùn)散裝銅精礦冬季因凍結(jié)而無法卸車的現(xiàn)象，對(duì)散裝貨物解凍庫的類型以及北方地區(qū)已存在的解凍庫應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了在鐵路貨場(chǎng)建設(shè)解凍庫和在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)解凍庫兩種方案。經(jīng)過方案比選，認(rèn)為在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)解凍庫的工程投資和運(yùn)營(yíng)成本更好。對(duì)該解凍庫設(shè)計(jì)參數(shù)以及后期運(yùn)行過程中存在問題進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

〔關(guān)鍵詞〕解凍庫;銅精礦;方案比選;暖通設(shè)計(jì);總圖

中圖分類號(hào)：U294.1;TF808?? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號(hào)：1004-4345（2024）03-0047-04

A Practical Study on the Design of Copper Concentrate Thawing Shed

DING Zhongqiu， YI Shiyou

（BGRIMM Technology Group， Beijing 100160， China）

Abstract? In response to the phenomenon of bulk copper concentrate being unable to be unloaded in winter due to freezing in a copper smelting project in Heilongjiang， the paper make a detailed analysis of the types of thawing shed for bulk cargoes and the application of the thawing sheds that already existed in the northern region， and puts forward two schemes： constructing thawing shed in the railway freight yard or constructing thawing shed in the plant area. After scheme comparison and selection， it is believed that the capital cost and operating cost of constructing the thawing shed within the plant area are better. The paper analyzes the design parameters of the thawing shed and the problems that existed in the later operation， and gives corresponding design optimization measures.

Keywords? thawing shed; copper concentrates; scheme comparison and selection; HVAC design; general layout

收稿日期：2024-02-20

作者簡(jiǎn)介：丁中秋（1965—），男，正高級(jí)工程師，主要從事總圖設(shè)計(jì)工作。

在嚴(yán)寒地區(qū)的冬季，鐵路貨車的大宗散裝貨物經(jīng)常因凍結(jié)而無法卸車，這就需要建設(shè)加溫解凍的庫房及相關(guān)設(shè)施[1-2]，以提高鐵路貨車的周轉(zhuǎn)效率。某銅冶煉項(xiàng)目位于黑龍江省齊齊哈爾市，項(xiàng)目原料銅精礦采用集裝箱包裝形式通過鐵路和公路長(zhǎng)途運(yùn)輸至廠區(qū)。由于銅精礦原料中含有超過12%的水分，冬季運(yùn)輸至廠區(qū)時(shí)銅精礦會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，在原料庫內(nèi)卸車非常困難，為此該項(xiàng)目設(shè)計(jì)建造了解凍庫對(duì)銅精礦進(jìn)行解凍。本文擬結(jié)合該項(xiàng)目的解凍庫設(shè)計(jì)實(shí)踐，對(duì)解凍庫設(shè)計(jì)調(diào)研和方案比選情況進(jìn)行介紹，分析解凍庫使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，從而提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施，為后續(xù)類似銅精礦解凍庫的設(shè)計(jì)提供有益借鑒。

1?? 解凍庫現(xiàn)狀調(diào)研

1.1? 散裝貨物解凍庫分類

我國(guó)應(yīng)用解凍庫比較多的行業(yè)為鋼鐵、電力和焦化企業(yè)，其解凍對(duì)象主要為受低氣溫影響而結(jié)凍的精礦粉、煤炭等散裝物料解凍。根據(jù)解凍所用介質(zhì)的不同，解凍庫可以分為蒸汽解凍庫、熱風(fēng)解凍庫和紅外線解凍庫三大類[3-4]。

1）蒸汽解凍庫是以蒸汽作為熱媒、排管為加熱設(shè)備，利用熱空氣的自然對(duì)流和排管輻射傳熱對(duì)物料進(jìn)行解凍的。這種解凍方式多見于火力發(fā)電廠中。蒸汽解凍庫因解凍時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，維修工作量大，在蒸汽熱量的二次轉(zhuǎn)換過程中，能量損失較大，效率低，現(xiàn)基本已被淘汰。

2）熱風(fēng)解凍庫是利用被空氣加熱器加熱的空氣作為熱媒，由風(fēng)機(jī)帶動(dòng)室內(nèi)熱空氣循環(huán)流通，加熱物料直至解凍。該解凍方式以熱風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流為主，熱風(fēng)管道輻射傳熱為輔，加熱空氣的熱媒可采用蒸汽或燃燒爐。熱風(fēng)解凍速度快，可隨時(shí)開停，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低。部分熱風(fēng)解凍庫還采用了熱風(fēng)循環(huán)技術(shù)，可有效的節(jié)約能耗[5]。

3）紅外線解凍是利用石英管產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外線進(jìn)行電磁高溫輻射解凍。根據(jù)所用介質(zhì)的不同，紅外線解凍還可以細(xì)分為電紅外線解凍和煤氣紅外線解凍兩種。該方法是利用紅外線熱源直接發(fā)射電磁波傳遞熱量作用于受熱體，解凍能量損失少，速度快，熱效率高，且可隨時(shí)開啟和關(guān)閉，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低。

1.2? 解凍時(shí)間和溫度要求

鋼鐵、電力等企業(yè)的散裝物料由火車運(yùn)輸進(jìn)廠，因此一般采用連帶火車車廂一起進(jìn)行解凍。解凍時(shí)間和溫度取決于工廠對(duì)原材料儲(chǔ)運(yùn)的需要，同時(shí)還需要考慮降低鐵路部門征收的火車車輛損害和車輛延時(shí)帶來的額外費(fèi)用[6]。

根據(jù)《鄭州鐵路局鐵路貨車翻車機(jī)和散裝貨物解凍庫檢測(cè)實(shí)施辦法》：“解凍庫熱風(fēng)溫度在60 ℃以下時(shí)，解凍時(shí)間不限。在60～100 ℃時(shí)，解凍時(shí)間不應(yīng)超過1 h”。首鋼京唐解凍庫所屬鐵路局規(guī)定解凍庫內(nèi)平均溫度≤130 ℃[8]。因此，鋼鐵、電力等行業(yè)大部分解凍庫解凍溫度在60～110 ℃，解凍時(shí)間在2～8 h。

1.3? 現(xiàn)有解凍庫的調(diào)研

本項(xiàng)目解凍庫設(shè)計(jì)前期，筆者對(duì)黑龍江齊齊哈爾某發(fā)電廠煤解凍庫和吉林琿春某銅精礦解凍庫進(jìn)行了調(diào)研，庫內(nèi)現(xiàn)狀分別如圖1、圖2所示。

其中，齊齊哈爾某發(fā)電廠煤解凍庫設(shè)計(jì)類型為熱風(fēng)解凍庫，建筑形式采用隧道式，長(zhǎng)320 m，庫內(nèi)布置雙列鐵軌，每列 20 節(jié)車廂，散料整車解凍。該解凍庫熱媒為蒸汽加熱，每天消耗蒸汽量約為24 t，蒸汽入口壓力為0.6 MPa。解凍室內(nèi)上部溫度為 100 ℃，下部溫度為 70 ℃，煤車解凍時(shí)間為3.0 h。

凍煤車進(jìn)入解凍室后，熱風(fēng)系統(tǒng)投入運(yùn)行，當(dāng)解凍室下部溫度高于 70 ℃時(shí)，逐漸減少暖風(fēng)器的供熱量。約2.0～2.5 h后熱風(fēng)系統(tǒng)停運(yùn)，風(fēng)機(jī)停止，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥全閉，煤車則在高溫的解凍室內(nèi)繼續(xù)加熱到3.0 h完成解凍。該解凍庫的缺點(diǎn)是在70～100 ℃的溫度下解凍時(shí)間超過了1.0 h，對(duì)貨車會(huì)造成不利影響，包括：制動(dòng)閥內(nèi)橡膠件熔化、老化;軟管連接器老化、燒毀，制動(dòng)系統(tǒng)充風(fēng)后出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象;各種法蘭連接處橡膠老化，導(dǎo)致漏風(fēng);潤(rùn)滑油溶化流出，潤(rùn)滑效果變差;油漆脫落，車號(hào)標(biāo)簽損壞、脫落等[7]。鐵路部門會(huì)因此收取高額的煤車維護(hù)費(fèi)用。目前該電廠煤解凍庫已經(jīng)停用。

吉林琿春某銅精礦解凍庫的對(duì)象解凍為集裝箱和部分噸袋。該庫房為大跨度車間，車間長(zhǎng)90 m、寬34 m、高12 m，車間內(nèi)集裝箱布置為4排，每排堆高為2層，間距0.5～1.0 m，最大庫容為250箱。解凍庫內(nèi)沒有設(shè)置分隔墻，地面采用灑水方式降塵。該解凍庫的解凍溫度為30～40 ℃，冬季最冷月解凍時(shí)間為15 h。白天進(jìn)行裝卸和碼垛作業(yè)，夜晚解凍，每天庫存100箱，出庫50箱。集裝箱裝、卸、碼垛機(jī)械為1臺(tái)三一重工移動(dòng)式45 t正面吊車，每個(gè)集裝箱的裝、卸、碼作業(yè)時(shí)間約為3 min。該解凍庫使用中存在的主要問題是集裝箱進(jìn)出庫時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度影響較大。

2?? 銅精礦解凍庫設(shè)計(jì)方案比選

2.1? 解凍庫類型選擇

本項(xiàng)目銅精礦鐵路運(yùn)輸采用集裝箱和噸袋2種包裝方式，不同于鋼鐵、電力等企業(yè)采用鐵路敞車散裝運(yùn)輸鐵礦粉和煤炭等物料，集裝箱和噸袋具有裝卸方便的特性，可以不用連帶火車車廂一起整車解凍。因此，不存在火車車廂的周轉(zhuǎn)問題，在解凍庫面積足夠的條件下，解凍時(shí)間可以不用限定在2～8 h之間。

此外，本項(xiàng)目采用火法銅冶煉余熱發(fā)電后剩余的大量低溫低壓余熱蒸汽進(jìn)行解凍，解凍時(shí)間可根據(jù)生產(chǎn)需要選定。因此，本項(xiàng)目銅精礦解凍庫的設(shè)計(jì)選型為熱風(fēng)解凍庫，加熱熱媒為低溫低壓蒸汽。

2.2? 解凍庫設(shè)計(jì)方案比選

本項(xiàng)目原料銅精礦的運(yùn)輸方式包括鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸，運(yùn)輸量比例基本相當(dāng)。銅精礦包裝方式為集裝箱和噸袋兩種，其中集裝箱數(shù)量較多。解凍庫的建設(shè)方案有兩個(gè)選擇：一個(gè)是在鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)建設(shè)，另一個(gè)是在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)。選擇位置不同，搬運(yùn)方式不同，解凍庫的設(shè)計(jì)方案也會(huì)有區(qū)別。

方案1為在鐵路貨場(chǎng)建設(shè)解凍庫。由于該項(xiàng)目鐵路專用線沒有進(jìn)入廠區(qū)，采用方案1需要在鐵路貨運(yùn)站北側(cè)或東側(cè)擴(kuò)建解凍庫及調(diào)車鐵路專用線，解凍后的貨物轉(zhuǎn)為汽車短途運(yùn)輸進(jìn)入廠區(qū)。方案1的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1）解凍庫長(zhǎng)度為180 m，跨度為33 m，凈高為18 m;2）配置跨度為33 m的50 t橋式起重行車2臺(tái);3）集裝箱貨柜容量378個(gè)，分為3區(qū)，集裝箱按照3層碼放。每個(gè)區(qū)126個(gè)集裝箱，每箱銅精礦約為27 t，箱自身質(zhì)量約為2 t;4）解凍時(shí)間按照24 h設(shè)計(jì)，采用散熱器+熱風(fēng)采暖系統(tǒng);5）日解凍銅精礦量為3 402 t，滿足廠區(qū)生產(chǎn)日用銅精礦量為2 172 t的需求。方案1平面布置如圖3所示。

方案2為在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)解凍庫，該方案解凍庫布置靠近原料庫，只需考慮汽車進(jìn)入解凍庫的方案，集裝箱由汽車從鐵路貨場(chǎng)運(yùn)輸至廠區(qū)解凍庫內(nèi)。方案2的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1）解凍庫長(zhǎng)度為139 m，跨度為27 m，凈高為17.5 m;2）配置跨度為27 m的50 t橋式起重行車2臺(tái);3）集裝箱貨柜容量為324個(gè)，分為三區(qū)，集裝箱按照3層碼放。每個(gè)區(qū)可容納108個(gè)集裝箱，每箱銅精礦約27 t，箱自身質(zhì)量約為2 t。三區(qū)按照進(jìn)庫、解凍、出庫交替運(yùn)行;4）解凍時(shí)間按照24 h設(shè)計(jì)，采用散熱器+熱風(fēng)采暖系統(tǒng);5）日解凍銅精礦量為2 916 t，滿足廠區(qū)生產(chǎn)日用銅精礦量2 172 t的需求。方案2平面布置如圖4所示。

解凍庫設(shè)計(jì)方案1和方案2的主要優(yōu)缺點(diǎn)比選如表1所示。

從表1可以看出，方案2在工程投資和運(yùn)營(yíng)成本均優(yōu)于方案1，且方案1需報(bào)鐵路部門批準(zhǔn)，建設(shè)手續(xù)落實(shí)緩慢，工期較長(zhǎng)。因此，最后業(yè)主決定選取設(shè)計(jì)方案2，解凍庫在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)。

2.3? 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

本項(xiàng)目最終采用方案2在冶煉廠區(qū)原料車間的北側(cè)建設(shè)汽車解凍庫，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

1）車間結(jié)構(gòu)形式，建筑主體采用鋼結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩板加保溫。

2） 車間尺寸、行車配置、集裝箱設(shè)計(jì)容量等見2.2節(jié)。

3）暖通設(shè)計(jì)。熱源利用冶煉廠余熱發(fā)電后減壓到0.3 MPa的飽和蒸汽，解凍庫冬季室外計(jì)算溫度為-23.8 ℃，庫內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20～40 ℃，熱負(fù)荷為3 581.3 kW，采用散熱器+熱風(fēng)機(jī)采暖系統(tǒng)，散熱器布置在離地面0.8 m高的位置，熱風(fēng)機(jī)布置在離地面4.3 m高的位置。冬季正常情況下，低位置的散熱器連續(xù)采暖維持解凍庫內(nèi)溫度至20 ℃，當(dāng)銅精礦集裝箱入庫后開啟4.3 m高位置的熱風(fēng)采暖系統(tǒng)，將解凍庫內(nèi)溫度加熱至40 ℃，24 h后完成庫內(nèi)的銅精礦解凍。采暖系統(tǒng)其中一個(gè)單元示意如圖5所示。

在解凍庫實(shí)際施工過程中，業(yè)主為了節(jié)約投資，縮短建設(shè)工期，取消了上部高位置的熱風(fēng)機(jī)，僅安裝了低位置的蒸汽暖氣片。

3?? 解凍庫運(yùn)行過程中存在的問題

3.1? 問題的發(fā)現(xiàn)

1）本項(xiàng)目竣工投產(chǎn)1 a后，廠房組織了設(shè)計(jì)回訪?；卦L發(fā)現(xiàn)該解凍庫在實(shí)際使用過程中，雖然解凍庫未安裝高位熱風(fēng)機(jī)，庫內(nèi)高處的溫度仍然較高，行車處溫度約有60 ℃。由于銅精礦原料中水分含量較高，導(dǎo)致解凍過程中水蒸氣較多，車間上部溫度及濕度均較高，行車設(shè)備電氣元件經(jīng)常失效，行車駕駛員操作環(huán)境惡劣。

2） 解凍庫內(nèi)地面溫度較低，僅為20 ℃。這是由于一方面，庫內(nèi)大門處未設(shè)門斗，汽車出入庫時(shí)溫度下降較快;另一方面，建筑外墻采用彩鋼夾保溫棉且開窗面積過多，對(duì)庫內(nèi)地面、墻面的保溫不利。

3） 解凍庫的大門原設(shè)計(jì)尺寸（寬×高）為4.2 m×4.2 m，無法滿足集裝箱運(yùn)輸車輛的通行需求。后業(yè)主自行將大門尺寸（寬×高）改為5.0 m×4.8 m。

4）行車駕駛艙位于解凍庫出入大門同側(cè)，行車駕駛員作業(yè)視線不好，集中箱運(yùn)輸卡車必須深入到庫內(nèi)中心部位才能裝卸，影響庫容和作業(yè)效率。如圖6所示。

圖6? 集裝箱裝卸

3.2? 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及優(yōu)化措施

筆者設(shè)計(jì)回訪時(shí)發(fā)現(xiàn)的解凍庫運(yùn)行過程中存在的上述問題，在可以為后續(xù)銅精礦解凍庫設(shè)計(jì)獲得以下經(jīng)驗(yàn)。

1）針對(duì)車間上部溫度及濕度均較高的情況，可在解凍庫設(shè)置循環(huán)干燥風(fēng)機(jī)，將屋頂高處的濕熱空氣干燥后引到庫內(nèi)地面，形成空氣對(duì)流。這樣既能解決高處濕熱的問題，又可為地面低溫進(jìn)行加熱，節(jié)約能源。

2）解凍庫行車設(shè)備選型時(shí)，電氣元件應(yīng)考慮特定的濕熱使用環(huán)境，行車駕駛室內(nèi)應(yīng)密封并加強(qiáng)通風(fēng)，為駕駛員提供舒適的工作環(huán)境，也可以考慮選擇無人駕駛行車。

4）解凍庫外墻設(shè)計(jì)宜采用磚混結(jié)構(gòu)，并盡量減小低處的開窗面積，避免庫房墻面、地面、屋面反復(fù)吸熱，減小解凍庫內(nèi)的熱量損失。

5）解凍庫大門設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)滿足集裝箱運(yùn)輸車輛的通行需求，高度和寬度可按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的尺寸（寬×高）5.0 m×4.8 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。大門處宜設(shè)計(jì)汽車出入庫門斗，采用雙門光控開啟，以避免冷空氣趁大門開啟時(shí)進(jìn)入庫內(nèi)。

6）行車訂貨時(shí)，應(yīng)根據(jù)大門的位置要求廠家將集裝箱布置到大門的另一側(cè)，擴(kuò)大駕駛員的視線范圍，減少裝卸時(shí)集裝箱運(yùn)輸車深入庫房?jī)?nèi)的距離，提高作業(yè)效率和庫房面積利用率。

4?? 結(jié)語

綜上所述，銅精礦解凍庫與鋼鐵、電力等行業(yè)的鐵精礦解凍庫和煤解凍庫因物料包裝形式的不同而存在一定差別，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文通過對(duì)黑龍江某銅冶煉項(xiàng)目銅精礦解凍庫的設(shè)計(jì)過程的介紹和對(duì)解凍庫使用情況的分析，總結(jié)了該項(xiàng)目銅精礦解凍庫設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了優(yōu)化建議，能夠?yàn)楹罄m(xù)類似銅精礦解凍庫的工程設(shè)計(jì)提供有益借鑒，以便更有效地避免設(shè)計(jì)缺陷，為生產(chǎn)企業(yè)提供優(yōu)良的設(shè)計(jì)服務(wù)。

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