大型储焦筒仓工艺设计探讨

2022-08-26牟金合

天津冶金 2022年4期

牟金合

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

0 引言

焦炭是高炉生产的重要原料，要求水分尽可能低，但水分低带来的缺点是易扬尘、污染环境。2019年4月国家五部委联合下发环大气〔2019〕35号文件《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，明确要求烧结矿、球团矿、焦炭等高炉入炉原料必须采用密闭料仓或封闭料棚等方式储存。烧结矿、球团矿一般随着主生产工序建有缓冲仓，且不需要大规模存储，符合超低排放要求。由于焦炭生产企业污染较高，一般钢铁联合企业不设焦化工序，只能外购焦炭，所以需要大量存储，储存时间一般7～15天，主流存储方式为B型料场。根据环办大气函〔2020〕340号文件《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南》及环办大气函〔2019〕922号《关于做好钢铁企业超低排放评估监测工作的通知》，环保绩效A级企业对于无组织排放的要求为，物料储存、输送等环节无可见烟尘外逸。

冶金焦炭目前均为干熄焦，干熄焦在B型料场堆、取均会产生扬尘，如果喷水抑尘，则会增加物料水分。本文结合B型料场储存焦炭存在的问题，探讨了焦炭采用筒仓储存的设计方案，并对筒仓储存方案存在的问题及设计要点进行了分析。

1 储存方式选择

目前钢铁企业原料储存方式有A、B、C、D型料场及封闭式储料仓。各种型式的原料场均有高效的系统控制技术，可实现铁前中间产品双储及物流一体化管控。各种型式的原料场特点对比如表1所示。

经特点对比，封闭式储料仓的环保效果、节能、占地等指标最优，但缺点是投资太高，易于堵仓，摔碎率高。对于高炉的各种矿原料，堆比重高，如采用筒仓储存，其建设成本和技术难度成倍提升。而焦炭的堆比重仅为0.5t/m³，低于煤炭的0.8～1.0t/m³，而筒仓储存煤在焦化、电厂、煤炭矿山已经是非常成熟的技术，应用非常普遍。筒仓存储焦炭除表1所列优势外，还易于实现无人值守、物料先进先出等功能，故本文主要探讨焦炭采用筒仓存储的工艺设计。

表1 各种型式的原料场特点对比

2 筒仓工艺设计要点

筒仓自上而下，由仓顶入料系统、出料系统、仓体锥段等组成。

2.1 筒仓入料系统设计

筒仓入料系统一般为带式输送机运来原料，通过带式输送机头部直接落料、卸料车、环式布料器布料、移动可逆带式输送机卸料等几种设备设施来实现物料的入仓。带式输送机头部直接落料一般适用于单仓布置，仓体直径较小（12m及以下）的料仓；环式布料器及移动可逆带式输送机适于直径30m以上的筒仓，所以环式布料器优点多，其可以使落料点成为两个不同直径的圆组成的环。这种形式充满系数最大，但该种方式适于单仓布料。

钢铁联合企业焦炭的存储量一般需为几万吨到十几万吨，需要一组仓群，且单仓直径一般为15m以上，才能满足焦炭的储存需求。根据该特点，一般需要采取带式输送机头部和中部多点直接卸料来实现仓群的入料，这种形式的落料点，一般为头部1个，中间若干个或者连续式落料点，落料较均匀，充满系数较大，仓容损失较少，但同样可能产生不均匀侧压。

带式输送机中部卸料点一般通过移动卸料车实现，卸料车可以采用格雷母线定位系统实现连续行走卸料，也可以采用接近开关实现多点停止进行卸料。配置卸料车的带式输送机头部可以免设驱动站，可节省土建投资，另外也可以将卸料车未卸完的粉料和带面粘的物料卸入仓中。卸料车的分料器可设置为四通分料器，物料可经过卸料车落回带面，经带式输送机头部进入料仓。图1为典型的筒仓群仓顶入料系统工艺布置，采用4点落料，仓体充满系统较高。

筒仓仓顶一般有两种形式。一种为圆台形（见图2），即仓壁到一定高度后逐渐收缩，仓顶平台直径小于仓体直径，如此即能减小仓顶平台的范围，使得工程量下降。但该形式仓顶施工难度并不低，其缺点是仓顶平台小，布置输入系统受限，仓体充满系数小，适于仓体直径24m以上的筒仓或者24m以下单输入系统的筒仓。另一种仓顶为圆柱体（见图1），即仓壁竖直延伸到仓顶标高，适合于直径24m以下的筒仓，该形式仓顶可以布置两路卸料系统，既能适应冶金企业原料输入系统多、作业率高的工况，又可以提高仓体充满系数。但该种形式仓顶平台的施工难度大，对于结构的整体性而言性，混凝土仓顶平台更稳定，但是钢筋绑扎、模板支护、仓体内的满堂红脚手架，工程量巨大。近几年偶有工程为了抢工期，采用钢结构仓顶。

图1 焦炭筒仓的典型入料布置

图2 改进后回转窑法处理含锌冶金尘泥洁净生产工艺流程

图2 圆台形筒仓仓顶

2.2 筒仓出料系统设计

2.2.1 筒仓出料系统形式

筒仓出料系统布置形式较多，大致可归纳为3种。

（1）叶轮给料机出料系统。适用于小型料仓或是火车、汽车受煤槽下的受煤漏斗。

（2）单环或双环给料机出料系统。出料口中央有蘑菇锥，其断面为“W”或“WW”形，多应用于煤化工、电厂的大直径储煤筒仓。

（3）单斗或群斗式出料口，采用振动或其他形式给料机给料。出料斗分圆形和方形锥斗，结构较简单，系统落料点多，可以输出多路系统，满足多座高炉同时要料的需求，还可以实现简单的配料。该形式给料设备多为振动给料机，设备成本低、易于维护，且数量多、互备性强，符合高炉生产连续性的特点。

2.2.2 筒仓出料口尺寸设计

焦炭筒仓一般采用多料斗出料口形式，料斗在出料时易于堵料。堵料原因一般是形成了料拱，料拱在突然垮塌时对仓体影响较大。如果将出料口做得足够大，料拱便不会形成。由于焦炭为易于流动的物料，能够形成稳定料流的出料口尺寸由公式（1）求出。

式中：a为放料口边长（方形料仓）或直径（圆形料仓）尺寸，m：d0为物料标准块尺寸，m。

选定料仓口尺寸后需要对放料能力进行验算，见公式（2）。

式中：Q为放料口通过能力，t/h；ρd为物料体积质量，t/m3；A为放料口面积，m2，方形放料口按公式（3）计算，圆形放料口按公式（4）计算；v为放料速度，m/s，其计算公式见式（5）。

式中：a为放料口边长，m；db为物料标准块尺寸，m；D为放料口直径，m；λ为放料系数，对于焦炭宜取0.55～0.65；g为重力加速度，9.8m/s2；R为放料口水力半径，m，方形放料口按公式（6）计算，圆形放料口按公式（7）计算。

2.3 筒仓锥段设计

筒仓锥段一般有两种形式，一种为斜直线，一种为指数曲线。斜直线锥段截面收缩率自上而下增长很快，截面收缩率越大，焦炭在靠近仓壁处摩擦阻力就越大，就越容易堵料。而指数曲线斗嘴（见图3），由于料仓截面积收缩率为一个常数，而且曲线自上而下漏斗倾角逐渐增大，因此下部物料下滑力大，卸料时流速自上而下逐渐增大，从而有效地防止堵仓。指数曲线斗嘴设计计算见公式（8）、（9）。

图3 指数曲线斗嘴

式中：x为与圆形截面对应的各截面半径，m；d0为卸料嘴下口尺寸，m；k为截面形状系数，圆形截面，k=1.0，方形截面，k=0.75～1.0；c1为截面收缩率，%；y为对应于x的垂直距离，m；e为自然对数值；h为斗嘴高度，m；D为斗嘴上口尺寸，m。

筒仓锥段在采用上述设计之后还需要设置破拱设备，包括机械振动设备、空气振动设备等，以便在极端情况下处理堵料。

3 一体化安全系统

焦炭筒仓因其存储可燃物质，根据防火分类属于丙级，且随着物料转运易产生焦炭粉尘，需考虑一体化安全系统。在筒仓的顶部、中部、底部设置相应N2惰化系统、O2含量监测、烟气组合传感器、竖壁测温电缆、防爆门等，以保证筒仓和人员的安全。

3.1 惰化装置

作用：惰化装置主要用于出现异常情况时惰化仓内气氛，筒仓在正常储存和出料的过程中，惰化装置处于待机状态，当出现长时间储料或仓内出现自燃倾向时启动安全惰化气保护。

安装位置：筒仓下部泄料口处安装一层封气管网；筒仓柱体部分三分之一高度以上的空间，应按照间隔不大于6m的距离布置注气层；筒仓顶部向下3m处布置一层释气层。

3.2 O 2、CO含量检测装置

作用：主要用于检测筒仓外部空气中的O2含量，保证不低于20%，防止N2含量超标造成的窒息风险。同时检测CO、N2浓度，防止人员中毒。

安装位置：分别位于筒仓顶部雨棚及筒仓底部平面，及附近的地下转运站内。

3.3 烟气组合传感器

作用：主要用于分析仓内是否存在可燃性气体；分析仓内O2含量，判断是否需要冲入或者停止输送N2。该装置可探测甲烷气体、CO、烟雾、O2、粉尘浓度等。

安装位置：筒仓顶部。

3.4 筒仓竖壁预埋测温电缆。

作用：监测仓壁温度，若仓壁温度急剧升高，说明仓内局部发生了燃烧，该系统与惰化系统连动可自动冲入N2，消灭危险源。温度测量范围-55～125℃，精度误差≤1℃。

安装位置：筒仓竖壁预埋不锈钢套管，测温电缆分别安装于不锈钢套内。

3.5 防爆门

作用：在筒仓发生爆炸时候，对整个筒仓进行泄压，保护结构安全，每个仓可设置数个防爆门。防爆门分为膜板式、自动启闭式（重力式、超导磁预紧式）和弹簧预紧式。

安装位置：筒仓顶部侧面。

4 降碎设计

为了降低焦炭在筒仓卸料过程中的破碎率，拟采用以下几种措施：

4.1 降低筒仓高度

筒仓的高度对于焦炭的破碎率是最直接的影响因素，但降低高度意味着牺牲储量。筒仓的高度需要与许用地块面积综合考虑，在地块允许范围内尽可能增加筒仓直径和数量，以降低筒仓高度。

4.2 保持高仓位

当料仓高度较高时，可采用高仓位操作，以降低焦炭破碎率。因料仓的储料特点为先进先出，故不存在压料的情况，可与焦炭供应物流协商，保持焦炭匀速供应，尽可保持足每天供、需平衡，以满足高仓位操作。

对于高仓位焦炭自重压碎问题，经查，室温焦炭抗压强度大约为12～30MPa。计算最低处物料承受的压强分两种情况：第一种情况是浅料仓，即直壁部分高度小于等于直壁部分宽度，物料所受压强见公式（9）；第二种情况是深料仓，即直壁部分高度大于直壁部分宽度，物料所受压强见公式（10）。

式中：R为水力学半径，见式（6）和（7）；ρd为物料堆比重，kg/m3；f1为物料内摩擦系数，焦炭为0.7～1.0；K为侧压力系数，焦炭为0.171～0.271；K0为操作特点系数，一般≥1.5。

以上两种情况计算后仓底处的压强不超过0.2MPa，证明不能靠自重压碎。

4.3 螺旋滑道

除降低仓体高度和落料高度外，还可以降低焦炭的落料速度，目前普遍采用螺旋滑道来降低垂直落料速度。螺旋滑道分内螺旋和外螺旋两种：内螺旋是置于筒仓中心区域，直径较小，由钢板制成，优点是卸料均匀，缺点是下料时易被料流产生的拉力带垮塌；外螺旋是固定于仓壁上，受料流影响小，维护量小，目前被广泛应用。

4.4 斗式防碎设备

该设备类似于斗式提升机，但其改向轮是可以随着料面信号上升或下降。该设施是通过机械运输设备降低焦炭卸料落差，与传统防碎设计比，主要缺点是设备复杂，维护量大，特别是仓内部分。

5 智能化

筒仓是一种高处装料，低处卸料，可集储、配于一体的工艺设施，易于实现智能化设计。

5.1 设备选型

为实现智能化作业，需要注意几种设备的选型：

（1）卸料车定位系统。采用编码电缆定位系统，可以实现卸料车的连续定位，定位精度高，以mm计。可随时了解卸料车的位置以及在位置监控盲区的情况。

（2）卸料车行走采用变频控制。定速行走的卸料车停靠时，不容易准确对准卸料口。而变频行走，可以缓慢启动，接近卸料点时缓慢停止，精确停止到位。

（3）仓位采用连续料位+开关料位组合方式监测。连续料位宜采用三维激光扫描料位仪，用于准确了解仓位。当激光扫描受干扰时，还有开关料位计确保不发生冒料事故，开关料位计需与落料点数量相同。

（4）监控系统。智能化无人值守系统需设置完善的视频监控系统，以确保系统能安全运行。

5.2 智能化管控系统

智能化管控系统分为智能化作业系统、智能控制系统、智能管理系统。

（1）智能作业系统是控制筒仓的入料和出料设备，建立筒仓内焦炭的3d画面，能够实现入料设备和出料设备的自动调度、自动定位、连续安全作业，实时跟踪筒仓内焦炭体积量变化，实时盘库上传库存数据，为智能管理系统提供库存管理数据。

（2）智能控制系统遵循智慧物流理念，实现入库流程和供应高炉流程的自动组网、自动选线、视频监控全程及画面仿真，接受指令实现筒仓设备全天候无人值守自动运转。

（3）智能管理系统是收集厂内外物流信息、设备运行信息、焦炭库存信息等，建立规范的物料编码、设备编码体系，采用焦炭筒仓仓群、流程网群、计量网群、库存仿真等组成生产管理智能系统，并与高炉矿槽交换仓内焦炭储量信息，提供最低焦炭储存方案和焦炭进厂、采购预测。并可在循环作业菜单引领下，实现无人直接参与的生产、运营和管理，保障高炉焦炭安全储运。