影响防冻液喷淋系统冬季车皮低冻黏率关键因素

高瑞峰， 包全民， 高贵文， 郭建珠， 邵 和

(1.国家能源集团神华准煤生产服务中心，内蒙古 鄂尔多斯 010399；2.太原理工大学，山西 太原 030024)

1 冬季火车运煤车皮防冻措施的必要性

我国煤炭资源80%以上分布在新疆、内蒙古、山西、陕西，全国四大煤田均分布于西部和北部地区。而煤炭消费主要在东部地区，错位性的资源分布与消费布局决定了我国煤炭资源“北煤南运，西煤东运”格局。现阶段铁路运输仍然是主要的煤炭运输方式，在我国北方冬季煤炭铁路运输过程中，由于煤炭生产加工过程都含有一定的水分，极易导致煤块结冰与车皮底部或四壁冻结，给煤炭卸载工作带来不便，铁路运输作为煤炭物流运输的重要环节，结块的煤炭直接进仓会造成堵仓或导致下一运输环节物料运输不均匀等故障，不仅影响正常工业流程的进行，更重要的影响是使得铁路运输效能大大降低，大量宝贵的运输资源浪费在车辆重新编组和调配中，再加上重新处理费用更是“触目惊心”；实现防冻液降低车皮冻黏率意义重大，是业内冬季运输需要重点解决的老大难问题。

2 防冻液喷淋防冻基本机理

图1为单一水分子结构图；水在摄氏零下温度时，易冻结为固体，冻结时体积会膨胀，膨胀的结果就是水分子间的距离会扩大；

基于水冻结机理，利用无水钙易于吸收水分子机理，无水氯化钙成品，其反应方程式见式(1)。

(1)

图1 单一水分子结构图

基于无水钙这一良好的吸附水分子性能，完全可以填补水分子在结冰时拉大的距离空间，使无水钙分子填补水在摄氏零下温度时产生的分子间隙，这样水就不会结冰了，还会处于液态状；如图2所示，为典型的二水钙分子结合图。

图2 典型的二水钙分子结合图

防冻液车皮喷淋防冻基本机理就是在车厢四壁和底部喷洒一层防冻液，使得煤中的水分子与车箱不能直接接触或者接触的水分子受防冻液控制不会产生冻结，这样车皮冻黏现象就不会发生。

3 冻黏率高居不下的原因

提高喷洒均匀度，量的控制无疑是重要的，是防冻的基本问题。当车皮冻黏率低于1%后，继续降低难度很大，成本剧增，车皮冻黏率降低成效有限，喷淋质量钝化特征明显，管理费用居高不下，冻黏率也相对居高不下，似乎冻黏率继续下降的实现与喷洒质量关联性不大，而且成本似乎也不支持继续降低，继续降低冻黏率前提下运行成本也高的离奇，冻黏率高居不下成为业界共性难题。

笔者通过多年的实践，探索发现冻黏率越低与防冻液质量相关性越强，防冻液质量的提高对冻黏率的进一步降低影响作用明显。首先应解决在气候条件变化剧烈的情况下，如何通过质量的匹配性来适应气候急剧变化的需求，冬季防冻液是多种化合物的混合物。防冻原理是依靠无水钙或者是二水钙填充了水分子之间的空隙，从而实现水分子不能固化为冰；分散剂甲醇用途是使得无水钙或者是二水钙均布；纤维素的作用是使得冬季防冻液黏稠度增稠这样实现列车四壁上能挂更多的防冻液液体；通过上述方法基本解决了气候温度变化突变的干扰因素。如图3所示，为分散剂的均布作用和纤维素的增稠效果示意图。通过质量控制这一关键因素实现了冻黏率小于0.1%，似乎冻黏问题得以解决，好像达到了极限，正确率为99.9%，如图4所示，为极端温度变化条件下防冻液液体变化图。

图3 分散剂的均布作用和纤维素的增稠效果示意图

图4 极端温度变化条件下防冻液液体变化图

但是冻黏问题还会无规律出现，问题有时还会反复出现，千分之一的冻黏率，还是危害很大，港口好几百人的处理黏结问题队伍，加上间接费用的高居不下，让公司上下认为应该突破业内这一问题悖论，“冬季人会生冻疮，车皮极寒就会生冻黏”，敢不敢攻克业界这一共性，公司从制度上首先进行了深层次改革，将防冻液从市场价运行管理转变为成本运行管理方式，解决了喷洒质量、数量与成本挂钩的两难选择窘迫困境，制度上为这一问题的解决创造了有利条件。冻黏率是一负指标，冻黏率越低与防冻液质量相关性越强，但是质量因素在一定范围内0.1%的相关性规律性明显，继续降低冻黏率前提下运行成本也高的离奇，进入质量降低冻黏率成本怪圈；与温度关联性很大但是是可控的，给人一个新的启示冻黏率与防冻液的动态质量密切相关，进一步分析还有多个非质量因素指标影响因子存在，关键点是实现有益因子的可控并让其发挥效能，同时需要剔除其它因素对低冻黏率指标的影响，很明显喷洒冷冻液系统是离散工业系统，也是复杂工业系统，做到精准控制必须有专用装备将离散的各个工业场景有效关联，借助于无线网络测控技术平台，建立防冻液喷淋全生产流程实时动态计量技术和管理体系，实行防冻液从生产端始到港口卸载终一站式动态标签式管理方式才能满足工业现场车皮低冻黏率的要求。

4 冻黏率质量与时间的动态关系控制管理体系

借助于无线网络测控技术平台，建立防冻液喷淋全生产流程实时动态计量技术和管理体系，实行防冻液从生产端开始到港口卸载，一站式动态标签式管理方式，实现了冻黏率质量与时间的动态关系控制管理。热效应的时间累积效应是把利刃，分散剂甲醇，增稠剂纤维素，无水钙有聚集性和扩散性倾向，时间久了冬季防冻液质量指标会下降，借助于无线测控技术平台的，通过精确的动态计量技术，完善公司上下一致的精细计量管理体系；我们把防冻液从生产开始到出厂就贴上动态标签，到输送罐车，到喷洒罐车，再到喷洒过程，到车皮装煤，到港口卸载，全程动态标签化计量管理。2017年冬季所有冻黏车辆均是因铁路运输时间超长造成的事故，但是这一因素产生的冻黏率占比是很小的，仅为几列车的个别车厢，当年实现的冻黏率是很低的，全年冻黏率为十万分之一；2018年全路段冻黏率为零的创纪录事件。

5 其他影响因素的剔除

防冻液喷洒经济指标的控制一直是实施运行单位必不可少的运行指标之一，在多年实践应用中逐步认识到这一指标对冻黏率进一步下降控制技术的推进不仅没有益处，而且还有误导。防冻液成本控制与低冻黏率进一步降低本质上是两个相矛盾的指标，万分之几的降低率不是仅仅受制于成本这一因素所决定的，而这之间没有本质关联。喷洒防冻液市场成本为2 000元/t，节约几十吨，还不够冻黏一列车的清理费用，再附加上运输效率和调度这两项费用更是惊人，防冻液喷洒经济指标的控制一直作为实施运行单位必不可少的运行指标之一去考核，没有可操作的技术和经济意义，对冻黏率进一步降低有害无益，取消这一指标势在必行，基于上述理念和思路，通过零利润法将防冻液的管理从利润体系中剔除，为防冻液喷洒效果这一工作环节的可靠性评估体系的建立，确立了可信且可操作的置信空间。现在，相对于同行业防冻液2 000元/t的运行费用，我们将防冻液成本控制在300元/t范围内；这一措施不仅使得成本得到控制而且在冬季煤炭外运总量年年增加的情况下，但是喷洒总成本取得基本维持不变这一管理最佳效果，连续多年相较上一年度成本费用节支近80余万元，难能可贵的是低冻黏率指标是在小于0.001%条件下实现的。

6 结语

从生产到运输，再到喷洒，再到铁路运输，再到港口卸载的各个环节的标签管理体系，实现了冬季煤炭铁路运输车皮冻黏率趋于零这一成绩，充分显示了计量动态在线跟踪这一管理目标，精确的计量就像给防冻液贴了标签一样，从生产环节开始，直到港口卸载，全寿命期跟踪动态管理，达到了这一业界管理目标的奇迹。

成本上也大大降低，相比2015年业界防冻液成本加利润2 000元/t，不仅因吨煤防冻液使用量减少使得直接成本每年降低300多万元，而且相对2 000元业界平均成本，仅以成本运行法300元/t实际运行带来得间接利润为1 700元/t，实际产生间接经济效益核算为3 000万元以上，2016、2017、2018三年累计产生的直接间接经济效益为1亿元以上。