焦丁焦末料场封闭改造工程水系统设计

刘志刚 钟振兴

(1.北京首钢矿山建设工程有限责任公司 河北迁安 064404; 2.武汉纺织大学环境工程学院 武汉 430200)

0 引言

随着我国经济和社会持续快速发展，近40年积累的大气污染问题逐渐爆发，全国多个省市持续出现重度雾霾事件，特别是重工业聚集的京津冀地区，已连续多年成为我国空气污染最严重、雾霾爆发最频繁的地区之一，对民众健康造成极大危害。

首钢矿业烧结厂位于重工业汇聚的河北省唐山市，唐山市也是我国大气污染治理的重点区域。针对当地大气污染严重的基本情况，近几年地方政府密集出台了一系列环保政策，主要包括煤改气、工业企业料场“露天改封闭”等。露天焦丁焦末料场由于风刮、雨冲等自然原因造成年物料损失达0.3%，且料场附近空气中粉尘质量浓度最高可达100 mg/m3，是造成大气污染的重要原因之一[1-3]。为了切实执行 “棚化、仓化”密闭储存要求和空气质量治理行动，对首钢矿业烧结厂露天焦丁焦末料场进行封闭改造，将对当地空气质量改善、雾霾治理和民众健康具有重要的现实意义。

1 工程概况

首钢矿业公司自建矿以来陆续建设配套料场14座，其中烧结厂室外露天焦丁焦末料场于1992年建设完成并投入使用，最高存储量为2万t。现对该料场进行重新规划并封闭改造，在满足环保要求的前提下，同时满足公司生产流程物料需求，合理压缩储料数量，优化物料管理，减少企业资金占用。封闭料场为网架结构，采用钢筋混凝土独立基础，周围为2 m高钢筋混凝土挡墙，料场封闭后断面示意如图1所示，尺寸如表1所示。

图1 封闭料场断面示意(单位：m)

表1 焦丁焦末封闭料场尺寸

在封闭料场内运卸物料的过程中会产生大量粉尘并悬浮在空气中，作业环境差，易诱发呼吸系统疾病，同时空气中粉尘达到一定浓度时遇火星易爆炸。因此，在封闭料场内，有必要设置水抑尘和水消防设施。该封闭料场特点是大空间、大跨度，焦丁焦末储料集中量大且内部空间无法进行分隔，国家现行规范对其消防设计尚无明确规定[4]，但国内相关研究表明，消防水炮是大空间场所比较理想的灭火设施[5-7]。

2 水系统设计

水系统设计主要包括水抑尘系统设计和水消防系统设计，料场封闭后为密闭空间，其特性类似于仓库，设计中建筑性质按照工业建筑仓库执行。

2.1 水抑尘系统

2.1.1 抑尘设备选型

改造前的露天料场周边设有抑尘喷枪，采用的是美国尼尔森SR系列大喷枪，该类型喷枪具有连接拆卸快速方便、独特水力驱动旋转喷射和重量轻等优点，但缺点是耗水量大且对水源水压要求高。考虑到节水和抑尘效果，对抑尘系统重新设计，采用固定式远程射雾器，该设备是目前世界上最新、最有效的抑尘设备。根据料场封闭后的平面尺寸，选择FCF-60型射雾器，在料场两长边各设2台，共4台，实现全面积覆盖，具体平面布置如图2所示。改造前后抑尘设备型号及性能参数对比如表2所示，相同射程时射雾器较喷枪用水量少，水源水压要求低，且抑尘水滴粒径更小。水源接自料场附近生产水管，水量水压满足抑尘设备使用要求。

a—固定式远程射雾器；b—消防水炮；c—室内消火栓图2 抑尘消防平面布置(单位：m)

表2 喷枪与射雾器性能参数对比

2.1.2 抑尘设备安装高度

固定式远程射雾器设置高度应能满足其射出的水雾滴不受料棚上部建筑构件的影响，保证水雾滴对扬尘的捕捉及覆盖，以达到较好的抑尘效果。基于该料棚内部大空间、大跨度的特点，内部无任何遮挡物，因此根据工艺设计和料棚结构形式，固定式远程射雾器设置高度只需保证其射出的水雾滴能覆盖整个料堆即可，具体立面布置形式如图3所示。

图3 固定式远程射雾器立面布置(单位：m)

2.1.3 控制运行机制及抑尘效果

4台射雾器可同时运行，也可单独或分组轮流作业，每台射雾器启停控制方式有：①现场手动控制；②遥控器就地遥控；③集中控制室远程手动控制。改造前后从现场运行效果来看，射雾器的抑尘效果比喷枪更加理想。

2.2 水消防系统

2.2.1 消防用水量

该封闭料场为大空间场所，净高15 m，内部空间无法分隔且屋顶不具备安装自动喷水洒水喷头的条件，因此室内设置消防水炮主灭火系统，同时考虑到消防水炮由于射程和俯仰角在使用过程中可能存在消防盲区，设置室内消火栓系统作为辅助灭火系统，消防水炮和室内消火栓布置形式如图2所示。封闭料场外设置室外消火栓系统。各消防给水系统用水量如表3所示。

表3 消防用水量

2.2.2 消防水源及泵房

室内外消火栓系统采用常高压消防给水系统，消防水源由生产水供给，持续供水量满足消火栓系统要求，水压不小于0.45 MPa，满足消火栓出口水压要求。室内消防水炮系统采用临时高压给水系统，水源由消防水池及消防水泵房独立供给，水池利用料场附近现有水池，长×宽×高=12 m×8 m×3 m；消防水泵房利用现有循环冷却水泵房，长×宽×高=35 m×15 m×4 m，泵房内重新考虑消防水炮泵基础。

2.2.3 消防供水管网

本工程共设两套消防供水管网：①室内外消火栓系统合用一套供水管网，环状布置，管径DN200，管材选用焊接钢管，地埋敷设，环氧煤沥青漆加强防腐；②消防水炮系统设独立供水管网，环状布置，管径DN200，管材选用无缝钢管，地埋敷设，环氧煤沥青漆加强防腐。

2.2.4 消火栓及消防水炮布置

本工程为铲车上料，汽车卸料，料场中间无设置室内消火栓和消防水炮的位置，在保证消火栓水柱和消防水炮射流不受堆料及上部建筑构件影响的前提下，沿封闭料场周边均匀布置室内消火栓和消防水炮[5]，使消防水炮满足两股水柱同时到达室内任意一点，室内消火栓布置间距不大于30 m，消防水炮的立面布置形式如图4所示。沿封闭料场室外道路均匀布置室外消火栓，间距不大于120 m，距路边0.5～2.0 m。

图4 消防水炮立面布置(单位：m)

2.2.5 设备选型

(1)消防水炮：ZDMS0.8/30SEx防爆型自动消防水炮8台；性能参数：额定流量30 L/s，额定压力1.0 MPa，最大保护半径55 m，水平旋转角度360°，俯角-90°，仰角+30°。

(2)消防水炮泵：XBD10/60G立式消防泵；性能参数：额定流量60 L/s，额定压力1.0 MPa，转速2 980 r/min，功率110 kW·h。

(3)增压稳压设备：25LGW3-10×13稳压泵2台，1用1备，配SQL1200×1.5立式隔膜式气压罐。

2.2.6 控制及运行机制

消火栓系统为手动控制，阀门开启时立即出水，阀门关闭时停水，为常高压消防给水系统。自动消防水炮兼具手动、自动及远程控制功能，灭火及时且可靠性高。

(1)手动控制：现场发现火情，人工操作水炮现场控制箱，打开水炮前电动阀和启动水泵，并可通过方向键调整水炮喷射方位实现有效灭火。

(2)自动控制：自动水炮探测到火源时报警，联动控制器显示动作水炮的地址信息，打开电动阀并启动水泵进行灭火。

(3)远程控制：根据消控室主机上视频图像定位并打开相应水炮，启动的同时通过主机上的摇柄控制水炮喷射方位进行灭火。

3 结论

(1)从现场运行效果看，固定式远程射雾器抑尘效果优异，在满足露天料场扬尘污染治理要求的同时，相较于喷枪，更加节水且便于运行管理。料场封闭后不仅减小了自然因素造成的物料损失，而且解决了恶劣天气对烧结厂日常运行的影响，优化了生产组织，保障公司正常生产运营。

(2)改造完成后，水消防系统运行良好，消防水炮实现全自动控制，能实时自动监测火灾并有效进行控火灭火，确保不适合设喷淋系统的大空间封闭式焦丁焦末料场消防安全，运行维护管理方便。实践证明，消防水炮是大空间封闭料场理想的消防设施。

(3)室内消火栓布置虽不能全面覆盖整个料堆，但其对消防水炮的消防盲区具有很好的辅助防控作用；同时，固定式远程射雾器在火灾时也可作为消防设施使用，均有较好的防护冷却作用。因此，整个料棚以消防水炮为主灭火设施，兼以室内消火栓和固定式远程射雾器作为辅助灭火设施，多方位保证整个料棚的消防安全。

(4)鉴于当前国内露天料场的改造工程和水系统设计均没有明确的规定和规范，因此，该项焦丁焦末露天料场封闭改造工程的成功应用，可为国内类似工程设计提供重要参考，具有很好的借鉴意义。