焦炉炉体加罩封闭技术改造方案分析

王爱霞

晋城凤泰矿建工程有限责任公司，山西 晋城 048007

1 前言

为切实落实大气、水污染防治行动计划，强力推进污染治理，有效改善区域环境质量，根据国家、省有关法律法规、标准及临汾市大气污染防治行动指挥部办公室的要求，结合项目实际情况［1］，对焦炉无组织排放进行深度治理，按照政府下达的时间提前完成整治任务，确保污染物排放到达《临汾市2019年钢铁、焦化行业深度减排实施方案》规定。

2 超低排放政策与要求

焦炉生产过程中无组织面源产生的主要有害物质有烟尘、BaP、SO2、CO、NOX、CmHn、NH3［2］，污染物排放点位主要有：装煤过程中，由于密封问题有烟气从上升管、装煤侧、炉门等处逸散；推焦过程中，有烟气从拦焦车、上升管子和熄焦车等处排放；炼焦过程中，焦炉本体、装煤侧、炉门及上升管盖等处泄漏［3-4］。

临汾市《关于环保部约谈暨全市环保突出问题整改工作实施方案》，要求焦炉治理设施实施提档升级，达到《炼焦化学工业污染物排放标准》中表2.2超低特别排放限值的规定。

（1）车间、生产设施的排气筒（有组织排放）

表1 污染物特别排放限值 mg/m3

（2）焦炉炉顶（无组织排放）、企业边界

表2 焦炉炉顶及企业边界大气污染物浓度限值 mg/m3

（3）临汾市大气污染防治行动指挥部办公室关于印发《临汾市2019年钢铁、焦化行业深度减排实施方案》的通知（临气指办发〔2019〕35号）要求：19年10月底前焦化企业需要全面达到无组织排放源周边1m处，颗粒物小于5mg/m3。

本次改造主要是为了落实《山西省打赢蓝天保卫战2019年行动计划》的通知要求。综上，本次方案污染物排放要求为：焦炉周边1m处，排放颗粒物小于5mg/m3，经收集处理后的颗粒物有组织排放应小于10mg/m3。

3 改造方案分析

3.1 无梁拱棚顶改造方案

无梁拱顶棚也就是拱形波纹钢屋盖，其主要特点有：

（1）无梁无檩、结构无支撑、空间可以很开阔、跨度可达8～36m；

（2）结构造价低、投资少；

（3）设计、施工周期都很短（1万m2顶棚施工周期仅需25d左右）；

（4）整体结构科学、合理，抗风、抗震性能良好；

（5）自重轻，对原有的基础影响小，适合改造项目；

（6）造型美观，色彩丰富，形式多样；

（7）屋面集保温、隔热、通风、采光于一体；

（8）外观美，坚固耐用，使用年限长；

（9）彩色镀锌钢板，机械锁边链接；

（10）这种结构拼接时是内扣连接的，自然防水。

本次方案焦侧跨度10500mm，净高15000mm；机侧跨度23500mm；净高10400mm。无梁拱的起拱高度和钢丝束应进行强度和稳定性计算。

图1 无梁拱顶棚改造方案示意图（单位：mm）

3.2 网架顶棚改造方案

网架是一种空间结构，由多根杆件依一定的网格形式的空间结构。工业上可用作双向大柱距车间等建筑的屋盖。

（1）杆件相互作用形成一个整体性非常好的结构，其空间刚度大、结构稳定；

（2）通过轴力传递杆件荷载，材料强度可以充分利用，因此其自重较轻。比混凝土轻70%～80%；比钢结构轻20%～50%；

（3）抗震性能好。其自重轻、钢材延性好，因此地震时产生的地震力小，其空间刚度大，结构稳定；

（4）构件高度小，能减小建筑物的总高度，大跨度的结构更为明显。网架高跨比仅为1/14～1/20（普通钢构件的高跨比通常为1/8～1/10）。

（5）建造速度快。由于网架杆件的材料、尺寸是相同的，因此可在工厂批量生产。由于不受现场施工环境影响，其质量好、效率高、可大大缩短工期。

（6）结构轻巧。形状多样，造型美观大方。

（7）其缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，其制作安装较平面结构复杂。

（8）对于网架设计和制作不需要预起拱，网架的初始几何缺陷（安装误差），对一些对整体稳定敏感的网架（壳）来说是很致命的一个因素。

本次方案焦侧跨度10500mm，净高15000mm；机侧跨度23500mm；净高10400mm。网架结构的杆件截面设计应根据根强度和稳定性计算确定。

图2 网架顶棚改造方案示意图（单位：mm）

3.3 两种方案对比

这两种方案在工艺安全上都是可行的，无梁拱棚顶改造方案和网架棚顶改造方案相比：

（1）无梁拱棚顶改造方案比网架棚顶改造方案的投资更少；

（2）无梁拱棚顶改造方案比网架棚顶改造方案的工期更短；

（3）网架棚顶改造方案比无梁拱棚顶改造方案结构刚度大、稳定性好。

4 方案设计注意事项

4.1 荷载取值

恒荷载：根据结构构件尺寸及材料重度按实际计算取值。

活荷载：初步可考虑按照不上人屋面考虑活荷载，取值为0.5kN/m2（当使用荷载较大或情况特殊时，按实际情况取值）

特殊情况：

（1）由于本次方案焦炉周围温度较高，因此在设计过程中要考虑由于温度影响，可能发生的局部存在应力集中的情况（比如考虑雪荷载时，应当分析由于顶棚跨度较大，靠近焦炉区域的积雪融化速度快，远离焦炉区域积雪融化速度慢，就会在顶棚上出现不均匀的雪载荷的情况）

（2）由于本次方案焦炉无组织深度治理项目主要对机、焦两侧顶部进行加罩，四周不做封闭处理，因此考虑风载荷时，要注意形成风洞的影响。

4.2 基础设计

对于在原有结构上生根的部位，应当对原有结构基础和承载能力进行校核；根据现场实际情况无法借助原有结构或者原有结构影响较大影响原有结构安全的部位，应当单独设置基础（比如机侧外围立柱，可在推焦装煤车尾部滑线外侧设置独立基础）

4.3 结构设计

在结构设计时应当注意以下内容：

（1）屋盖靠近焦炉部分采用炉柱做支撑，远离焦炉部分新做钢柱支撑。

（2）考虑到焦炉焦侧温度较高，所以方案中考虑加高顶棚高度，在实际计算是应当考虑焦侧温度因素，若不满足要求，可以采用隔热措施。

（3）顶棚侧上端围护采用防风抑尘网，其高度应在设计时通过详细计算确定。

（4）集气管、荒煤气、回炉煤气管必须在设置在顶棚外部。

5 小结

本技术方案对焦炉机、焦两侧加罩处理提出两种处理方案：无梁拱棚顶改造方案和网架棚顶改造方案。这两种方案在工艺安全上都是可行的，两种方案相比，无梁拱棚顶改造方案的投资更少、工期更短；网架棚顶改造方案结构刚度大、稳定性好。该项目实施后，可实现：无组织排放源周边1m处，颗粒物小于5mg/m3，经收集处理后的颗粒物有组织排放小于10mg/m3。该工程是《山西省打赢蓝天保卫战2019年行动计划》的通知中的技术试点工程，这一项目的顺利实施将会为山西省焦化行业4.3m焦炉无组织排放达到特别排放限值提供有效参考，为解决山西省乃至全国焦化行业环保问题做出贡献。