铜精矿解冻库设计实践研究

丁中秋 易世友

〔摘 要〕针对黑龙江某铜冶炼项目货运散装铜精矿冬季因冻结而无法卸车的现象，对散装货物解冻库的类型以及北方地区已存在的解冻库应用情况进行了详细分析，并提出了在铁路货场建设解冻库和在厂区内建设解冻库两种方案。经过方案比选，认为在厂区内建设解冻库的工程投资和运营成本更好。对该解冻库设计参数以及后期运行过程中存在问题进行了分析，提出了相应的设计优化措施。

〔关键词〕解冻库;铜精矿;方案比选;暖通设计;总图

中图分类号：U294.1;TF808     文献标志码：B  文章编号：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

作者简介：丁中秋（1965—），男，正高级工程师，主要从事总图设计工作。

在严寒地区的冬季，铁路货车的大宗散装货物经常因冻结而无法卸车，这就需要建设加温解冻的库房及相关设施[1-2]，以提高铁路货车的周转效率。某铜冶炼项目位于黑龙江省齐齐哈尔市，项目原料铜精矿采用集装箱包装形式通过铁路和公路长途运输至厂区。由于铜精矿原料中含有超过12%的水分，冬季运输至厂区时铜精矿会出现冻结现象，在原料库内卸车非常困难，为此该项目设计建造了解冻库对铜精矿进行解冻。本文拟结合该项目的解冻库设计实践，对解冻库设计调研和方案比选情况进行介绍，分析解冻库使用过程中发现的问题，从而提出优化设计的改进措施，为后续类似铜精矿解冻库的设计提供有益借鉴。

1   解冻库现状调研

1.1  散装货物解冻库分类

我国应用解冻库比较多的行业为钢铁、电力和焦化企业，其解冻对象主要为受低气温影响而结冻的精矿粉、煤炭等散装物料解冻。根据解冻所用介质的不同，解冻库可以分为蒸汽解冻库、热风解冻库和红外线解冻库三大类[3-4]。

1）蒸汽解冻库是以蒸汽作为热媒、排管为加热设备，利用热空气的自然对流和排管辐射传热对物料进行解冻的。这种解冻方式多见于火力发电厂中。蒸汽解冻库因解冻时间长，对设备腐蚀严重，维修工作量大，在蒸汽热量的二次转换过程中，能量损失较大，效率低，现基本已被淘汰。

2）热风解冻库是利用被空气加热器加热的空气作为热媒，由风机带动室内热空气循环流通，加热物料直至解冻。该解冻方式以热风强制对流为主，热风管道辐射传热为辅，加热空气的热媒可采用蒸汽或燃烧炉。热风解冻速度快，可随时开停，操作简单，运行及维护费用低。部分热风解冻库还采用了热风循环技术，可有效的节约能耗[5]。

3）红外线解冻是利用石英管产生的远红外线进行电磁高温辐射解冻。根据所用介质的不同，红外线解冻还可以细分为电红外线解冻和煤气红外线解冻两种。该方法是利用红外线热源直接发射电磁波传递热量作用于受热体，解冻能量损失少，速度快，热效率高，且可随时开启和关闭，操作简单，运行及维护费用低。

1.2  解冻时间和温度要求

钢铁、电力等企业的散装物料由火车运输进厂，因此一般采用连带火车车厢一起进行解冻。解冻时间和温度取决于工厂对原材料储运的需要，同时还需要考虑降低铁路部门征收的火车车辆损害和车辆延时带来的额外费用[6]。

根据《郑州铁路局铁路货车翻车机和散装货物解冻库检测实施办法》：“解冻库热风温度在60 ℃以下时，解冻时间不限。在60～100 ℃时，解冻时间不应超过1 h”。首钢京唐解冻库所属铁路局规定解冻库内平均温度≤130 ℃[8]。因此，钢铁、电力等行业大部分解冻库解冻温度在60～110 ℃，解冻时间在2～8 h。

1.3  现有解冻库的调研

本项目解冻库设计前期，笔者对黑龙江齐齐哈尔某发电厂煤解冻库和吉林珲春某铜精矿解冻库进行了调研，库内现状分别如图1、图2所示。

其中，齐齐哈尔某发电厂煤解冻库设计类型为热风解冻库，建筑形式采用隧道式，长320 m，库内布置双列铁轨，每列 20 节车厢，散料整车解冻。该解冻库热媒为蒸汽加热，每天消耗蒸汽量约为24 t，蒸汽入口压力为0.6 MPa。解冻室内上部温度为 100 ℃，下部温度为 70 ℃，煤车解冻时间为3.0 h。

冻煤车进入解冻室后，热风系统投入运行，当解冻室下部温度高于 70 ℃时，逐渐减少暖风器的供热量。约2.0～2.5 h后热风系统停运，风机停止，电动调节阀全闭，煤车则在高温的解冻室内继续加热到3.0 h完成解冻。该解冻库的缺点是在70～100 ℃的温度下解冻时间超过了1.0 h，对货车会造成不利影响，包括：制动阀内橡胶件熔化、老化;软管连接器老化、烧毁，制动系统充风后出现漏风现象;各种法兰连接处橡胶老化，导致漏风;润滑油溶化流出，润滑效果变差;油漆脱落，车号标签损坏、脱落等[7]。铁路部门会因此收取高额的煤车维护费用。目前该电厂煤解冻库已经停用。

吉林珲春某铜精矿解冻库的对象解冻为集装箱和部分吨袋。该库房为大跨度车间，车间长90 m、宽34 m、高12 m，车间内集装箱布置为4排，每排堆高为2层，间距0.5～1.0 m，最大库容为250箱。解冻库内没有设置分隔墙，地面采用洒水方式降尘。该解冻库的解冻温度为30～40 ℃，冬季最冷月解冻时间为15 h。白天进行装卸和码垛作业，夜晚解冻，每天库存100箱，出库50箱。集装箱装、卸、码垛机械为1台三一重工移动式45 t正面吊车，每个集装箱的装、卸、码作业时间约为3 min。该解冻库使用中存在的主要问题是集装箱进出库时对室内温度影响较大。

2   铜精矿解冻库设计方案比选

2.1  解冻库类型选择

本项目铜精矿铁路运输采用集装箱和吨袋2种包装方式，不同于钢铁、电力等企业采用铁路敞车散装运输铁矿粉和煤炭等物料，集装箱和吨袋具有装卸方便的特性，可以不用连带火车车厢一起整车解冻。因此，不存在火车车厢的周转问题，在解冻库面积足够的条件下，解冻时间可以不用限定在2～8 h之间。

此外，本项目采用火法铜冶炼余热发电后剩余的大量低温低压余热蒸汽进行解冻，解冻时间可根据生产需要选定。因此，本项目铜精矿解冻库的设计选型为热风解冻库，加热热媒为低温低压蒸汽。

2.2  解冻库设计方案比选

本项目原料铜精矿的运输方式包括铁路运输和公路运输，运输量比例基本相当。铜精矿包装方式为集装箱和吨袋两种，其中集装箱数量较多。解冻库的建设方案有两个选择：一个是在铁路货运站场建设，另一个是在厂区内建设。选择位置不同，搬运方式不同，解冻库的设计方案也会有区别。

方案1为在铁路货场建设解冻库。由于该项目铁路专用线没有进入厂区，采用方案1需要在铁路货运站北侧或东侧扩建解冻库及调车铁路专用线，解冻后的货物转为汽车短途运输进入厂区。方案1的主要设计参数如下：1）解冻库长度为180 m，跨度为33 m，净高为18 m;2）配置跨度为33 m的50 t桥式起重行车2台;3）集装箱货柜容量378个，分为3区，集装箱按照3层码放。每个区126个集装箱，每箱铜精矿约为27 t，箱自身质量约为2 t;4）解冻时间按照24 h设计，采用散热器+热风采暖系统;5）日解冻铜精矿量为3 402 t，满足厂区生产日用铜精矿量为2 172 t的需求。方案1平面布置如图3所示。

方案2为在厂区内建设解冻库，该方案解冻库布置靠近原料库，只需考虑汽车进入解冻库的方案，集装箱由汽车从铁路货场运输至厂区解冻库内。方案2的主要设计参数如下：1）解冻库长度为139 m，跨度为27 m，净高为17.5 m;2）配置跨度为27 m的50 t桥式起重行车2台;3）集装箱货柜容量为324个，分为三区，集装箱按照3层码放。每个区可容纳108个集装箱，每箱铜精矿约27 t，箱自身质量约为2 t。三区按照进库、解冻、出库交替运行;4）解冻时间按照24 h设计，采用散热器+热风采暖系统;5）日解冻铜精矿量为2 916 t，满足厂区生产日用铜精矿量2 172 t的需求。方案2平面布置如图4所示。

解冻库设计方案1和方案2的主要优缺点比选如表1所示。

从表1可以看出，方案2在工程投资和运营成本均优于方案1，且方案1需报铁路部门批准，建设手续落实缓慢，工期较长。因此，最后业主决定选取设计方案2，解冻库在厂区内建设。

2.3  设计参数的确定

本项目最终采用方案2在冶炼厂区原料车间的北侧建设汽车解冻库，具体设计参数如下。

1）车间结构形式，建筑主体采用钢结构，围护结构为彩板加保温。

2） 车间尺寸、行车配置、集装箱设计容量等见2.2节。

3）暖通设计。热源利用冶炼厂余热发电后减压到0.3 MPa的饱和蒸汽，解冻库冬季室外计算温度为-23.8 ℃，库内设计温度为20～40 ℃，热负荷为3 581.3 kW，采用散热器+热风机采暖系统，散热器布置在离地面0.8 m高的位置，热风机布置在离地面4.3 m高的位置。冬季正常情况下，低位置的散热器连续采暖维持解冻库内温度至20 ℃，当铜精矿集装箱入库后开启4.3 m高位置的热风采暖系统，将解冻库内温度加热至40 ℃，24 h后完成库内的铜精矿解冻。采暖系统其中一个单元示意如图5所示。

在解冻库实际施工过程中，业主为了节约投资，缩短建设工期，取消了上部高位置的热风机，仅安装了低位置的蒸汽暖气片。

3   解冻库运行过程中存在的问题

3.1  问题的发现

1）本项目竣工投产1 a后，厂房组织了设计回访。回访发现该解冻库在实际使用过程中，虽然解冻库未安装高位热风机，库内高处的温度仍然较高，行车处温度约有60 ℃。由于铜精矿原料中水分含量较高，导致解冻过程中水蒸气较多，车间上部温度及湿度均较高，行车设备电气元件经常失效，行车驾驶员操作环境恶劣。

2） 解冻库内地面温度较低，仅为20 ℃。这是由于一方面，库内大门处未设门斗，汽车出入库时温度下降较快;另一方面，建筑外墙采用彩钢夹保温棉且开窗面积过多，对库内地面、墙面的保温不利。

3） 解冻库的大门原设计尺寸（宽×高）为4.2 m×4.2 m，无法满足集装箱运输车辆的通行需求。后业主自行将大门尺寸（宽×高）改为5.0 m×4.8 m。

4）行车驾驶舱位于解冻库出入大门同侧，行车驾驶员作业视线不好，集中箱运输卡车必须深入到库内中心部位才能装卸，影响库容和作业效率。如图6所示。

图6  集装箱装卸

3.2  经验总结及优化措施

笔者设计回访时发现的解冻库运行过程中存在的上述问题，在可以为后续铜精矿解冻库设计获得以下经验。

1）针对车间上部温度及湿度均较高的情况，可在解冻库设置循环干燥风机，将屋顶高处的湿热空气干燥后引到库内地面，形成空气对流。这样既能解决高处湿热的问题，又可为地面低温进行加热，节约能源。

2）解冻库行车设备选型时，电气元件应考虑特定的湿热使用环境，行车驾驶室内应密封并加强通风，为驾驶员提供舒适的工作环境，也可以考虑选择无人驾驶行车。

4）解冻库外墙设计宜采用砖混结构，并尽量减小低处的开窗面积，避免库房墙面、地面、屋面反复吸热，减小解冻库内的热量损失。

5）解冻库大门设计尺寸应满足集装箱运输车辆的通行需求，高度和宽度可按照现场实际使用的尺寸（宽×高）5.0 m×4.8 m进行设计。大门处宜设计汽车出入库门斗，采用双门光控开启，以避免冷空气趁大门开启时进入库内。

6）行车订货时，应根据大门的位置要求厂家将集装箱布置到大门的另一侧，扩大驾驶员的视线范围，减少装卸时集装箱运输车深入库房内的距离，提高作业效率和库房面积利用率。

4   结语

综上所述，铜精矿解冻库与钢铁、电力等行业的铁精矿解冻库和煤解冻库因物料包装形式的不同而存在一定差别，设计时需要根据实际情况进行设计。本文通过对黑龙江某铜冶炼项目铜精矿解冻库的设计过程的介绍和对解冻库使用情况的分析，总结了该项目铜精矿解冻库设计的经验教训，提出了优化建议，能够为后续类似铜精矿解冻库的工程设计提供有益借鉴，以便更有效地避免设计缺陷，为生产企业提供优良的设计服务。

参考文献

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[4] 王志刚， 闫立梅， 李志霞. 对如何提高解冻库效率和提升宣钢解冻能力问题的探讨[C]//中国金属学会. 第七届（2009）中国钢铁年会论文集（下）. 北京：冶金工业出版社，2009：1038-1044..

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