牟金合

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

[摘 要] 焦炭作為高爐冶煉的一種重要原料，原儲存方式多為落地儲存，環保效果差強人意，成為企業環保績效創A的絆腳石。目前國家明確要求燒結礦、球團礦、焦炭等高爐原料采用密閉料倉或封閉料棚等方式儲存，因此各設計單位陸續開展研究，探討焦炭密閉儲存的方法。本文主要分析了焦炭采用筒倉儲存方式時存在的問題，探討了相應的設計要點，并從筒倉入料系統、筒倉出料系統、錐段、一體化安全系統、降低破損率、智能化、環保等多個方面對設計要點進行了介紹，這些可作為鋼鐵企業和設計單位的參考。

[關鍵詞] 焦炭；筒倉；密閉儲存；降低破損率；智能化

0  引言

焦炭是高爐生產的重要原料，要求水分盡可能低，但水分低帶來的缺點是易揚塵、污染環境。 2019 年 4 月國家五部委聯合下發環大氣〔2019〕35號文件《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，明確要求燒結礦、球團礦、焦炭等高爐入爐原料必須采用密閉料倉或封閉料棚等方式儲存。燒結礦、球團礦一般隨著主生產工序建有緩沖倉，且不需要大規模存儲，符合超低排放要求。由于焦炭生產企業污染較高，一般鋼鐵聯合企業不設焦化工序，只能外購焦炭，所以需要大量存儲，儲存時間一般7～15天，主流存儲方式為B型料場。根據環辦大氣函〔2020〕340 號文件《重污染天氣重點行業應急減排措施制定技術指南》及環辦大氣函〔2019〕922號《關于做好鋼鐵企業超低排放評估監測工作的通知》，環保績效A級企業對于無組織排放的要求為，物料儲存、輸送等環節無可見煙塵外逸。

冶金焦炭目前均為干熄焦，干熄焦在 B型料場堆、取均會產生揚塵，如果噴水抑塵，則會增加物料水分。本文結合B型料場儲存焦炭存在的問題，探討了焦炭采用筒倉儲存的設計方案，并對筒倉儲存方案存在的問題及設計要點進行了分析。

1 儲存方式選擇

目前鋼鐵企業原料儲存方式有A、B、C、D型料場及封閉式儲料倉。各種型式的原料場均有高效的系統控制技術，可實現鐵前中間產品雙儲及物流一體化管控。各種型式的原料場特點對比如表1所示。

經特點對比，封閉式儲料倉的環保效果、節能、占地等指標最優，但缺點是投資太高，易于堵倉，摔碎率高。對于高爐的各種礦原料，堆比重高，如采用筒倉儲存，其建設成本和技術難度成倍提升。而焦炭的堆比重僅為 0.5t/m³，低于煤炭的 0.8～1.0t/m³，而筒倉儲存煤在焦化、電廠、煤炭礦山已經是非常成熟的技術，應用非常普遍。筒倉存儲焦炭除表 1所列優勢外，還易于實現無人值守、物料先進先出等功能，故本文主要探討焦炭采用筒倉存儲的工藝設計。

2 筒倉工藝設計要點

筒倉自上而下，由倉頂入料系統、出料系統、倉體錐段等組成。

2.1 筒倉入料系統設計

筒倉入料系統一般為帶式輸送機運來原料，通過帶式輸送機頭部直接落料、卸料車、環式布料器布料、移動可逆帶式輸送機卸料等幾種設備設施來實現物料的入倉。帶式輸送機頭部直接落料一般適用于單倉布置，倉體直徑較小（12m及以下）的料倉；環式布料器及移動可逆帶式輸送機適于直徑30m 以上的筒倉，所以環式布料器優點多，其可以使落料點成為兩個不同直徑的圓組成的環。這種形式充滿系數最大，但該種方式適于單倉布料。

鋼鐵聯合企業焦炭的存儲量一般需為幾萬噸到十幾萬噸，需要一組倉群，且單倉直徑一般為15m 以上，才能滿足焦炭的儲存需求。根據該特點，一般需要采取帶式輸送機頭部和中部多點直接卸料來實現倉群的入料，這種形式的落料點，一般為頭部 1 個，中間若干個或者連續式落料點，落料較均勻，充滿系數較大，倉容損失較少，但同樣可能產生不均勻側壓。

帶式輸送機中部卸料點一般通過移動卸料車實現，卸料車可以采用格雷母線定位系統實現連續行走卸料，也可以采用接近開關實現多點停止進行卸料。配置卸料車的帶式輸送機頭部可以免設驅動站，可節省土建投資，另外也可以將卸料車未卸完的粉料和帶面粘的物料卸入倉中。卸料車的分料器可設置為四通分料器，物料可經過卸料車落回帶面，經帶式輸送機頭部進入料倉。圖 1為典型的筒倉群倉頂入料系統工藝布置，采用 4 點落料，倉體充滿系統較高。

筒倉倉頂一般有兩種形式。一種為圓臺形（見圖 2），即倉壁到一定高度后逐漸收縮，倉頂平臺直徑小于倉體直徑，如此即能減小倉頂平臺的范圍，使得工程量下降。但該形式倉頂施工難度并不低，其缺點是倉頂平臺小，布置輸入系統受限，倉體充滿系數小，適于倉體直徑 24m以上的筒倉或者 24m以下單輸入系統的筒倉。另一種倉頂為圓柱體（見圖 1），即倉壁豎直延伸到倉頂標高，適合于直徑24m以下的筒倉，該形式倉頂可以布置兩路卸料系統，既能適應冶金企業原料輸入系統多、作業率高的工況，又可以提高倉體充滿系數。但該種形式倉頂平臺的施工難度大，對于結構的整體性而言性，混凝土倉頂平臺更穩定，但是鋼筋綁扎、模板支護、倉體內的滿堂紅腳手架，工程量巨大。近幾年偶有工程為了搶工期，采用鋼結構倉頂。

2.2 筒倉出料系統設計

2.2.1 筒倉出料系統形式

筒倉出料系統布置形式較多，大致可歸納為3種。

（1）葉輪給料機出料系統。適用于小型料倉或是火車、汽車受煤槽下的受煤漏斗。

（2）單環或雙環給料機出料系統。出料口中央有蘑菇錐，其斷面為“W”或“WW”形，多應用于煤化工、電廠的大直徑儲煤筒倉。

（3）單斗或群斗式出料口，采用振動或其他形式給料機給料。出料斗分圓形和方形錐斗，結構較簡單，系統落料點多，可以輸出多路系統，滿足多座高爐同時要料的需求，還可以實現簡單的配料。該形式給料設備多為振動給料機，設備成本低、易于維護，且數量多、互備性強，符合高爐生產連續性的特點。

2.2.2 筒倉出料口尺寸設計

焦炭筒倉一般采用多料斗出料口形式，料斗在出料時易于堵料。堵料原因一般是形成了料拱，料拱在突然垮塌時對倉體影響較大。如果將出料口做得足夠大，料拱便不會形成。由于焦炭為易于流動的物料，能夠形成穩定料流的出料口尺寸由公式（1）求出。

a ≥（3~6）d₀ （1）

式中：a 為放料口邊長（方形料倉）或直徑（圓形料倉）尺寸，m：d₀為物料標準塊尺寸，m。

選定料倉口尺寸后需要對放料能力進行驗算，見公式（2）。

Q= 3600ρ_d A_v （2）

式中：Q 為放料口通過能力，t/h；ρ_d為物料體積質量，t/m³ ；A 為放料口面積，m²，方形放料口按公式（3）計算，圓形放料口按公式（4）計算；v 為放料速度，m/s，其計算公式見式（5）。

式中：a為放料口邊長，m；d_b為物料標準塊尺寸，m；D 為放料口直徑，m；λ 為放料系數，對于焦炭宜取 0.55～0.65；g 為重力加速度，9.8m/s² ；R 為放料口水力半徑，m，方形放料口按公式（6）計算，圓形放料口按公式（7）計算。

2.3 筒倉錐段設計

筒倉錐段一般有兩種形式，一種為斜直線，一種為指數曲線。斜直線錐段截面收縮率自上而下增長很快，截面收縮率越大，焦炭在靠近倉壁處摩擦阻力就越大，就越容易堵料。而指數曲線斗嘴（見圖 3），由于料倉截面積收縮率為一個常數，而且曲線自上而下漏斗傾角逐漸增大，因此下部物料下滑力大，卸料時流速自上而下逐漸增大，從而有效地防止堵倉。指數曲線斗嘴設計計算見公式（8）、（9）。

式中：x 為與圓形截面對應的各截面半徑，m；d₀為卸料嘴下口尺寸，m；k為截面形狀系數，圓形截面，k=1.0，方形截面，k=0.75～1.0；c1 為截面收縮率，%；y 為對應于x 的垂直距離，m；e為自然對數值；h為斗嘴高度，m；D為斗嘴上口尺寸，m。

筒倉錐段在采用上述設計之后還需要設置破拱設備，包括機械振動設備、空氣振動設備等，以便在極端情況下處理堵料。

3 一體化安全系統

焦炭筒倉因其存儲可燃物質，根據防火分類屬于丙級，且隨著物料轉運易產生焦炭粉塵，需考慮一體化安全系統。在筒倉的頂部、中部、底部設置相應N₂惰化系統、O₂含量監測、煙氣組合傳感器、豎壁測溫電纜、防爆門等，以保證筒倉和人員的安全。

3.1 惰化裝置

作用：惰化裝置主要用于出現異常情況時惰化倉內氣氛，筒倉在正常儲存和出料的過程中，惰化裝置處于待機狀態，當出現長時間儲料或倉內出現自燃傾向時啟動安全惰化氣保護。

安裝位置：筒倉下部泄料口處安裝一層封氣管網；筒倉柱體部分三分之一高度以上的空間，應按照間隔不大于6m 的距離布置注氣層；筒倉頂部向下3m處布置一層釋氣層。

3.2 O₂、CO含量檢測裝置

作用：主要用于檢測筒倉外部空氣中的 O₂含量，保證不低于 20%，防止 N₂含量超標造成的窒息風險。同時檢測CO、N₂濃度，防止人員中毒。

安裝位置：分別位于筒倉頂部雨棚及筒倉底部平面，及附近的地下轉運站內。

3.3  煙氣組合傳感器

作用：主要用于分析倉內是否存在可燃性氣體；分析倉內 O₂含量，判斷是否需要沖入或者停止輸送 N₂。該裝置可探測甲烷氣體、CO、煙霧、O₂、粉塵濃度等。

安裝位置：筒倉頂部。

3.4 筒倉豎壁預埋測溫電纜。

作用：監測倉壁溫度，若倉壁溫度急劇升高，說明倉內局部發生了燃燒，該系統與惰化系統連動可自動沖入 N₂，消滅危險源。溫度測量范圍-55～125℃，精度誤差≤1℃。

安裝位置：筒倉豎壁預埋不銹鋼套管，測溫電纜分別安裝于不銹鋼套內。

3.5 防爆門

作用：在筒倉發生爆炸時候，對整個筒倉進行泄壓，保護結構安全，每個倉可設置數個防爆門。

防爆門分為膜板式、自動啟閉式（重力式、超導磁預緊式）和彈簧預緊式。

安裝位置：筒倉頂部側面。

4 降碎設計

為了降低焦炭在筒倉卸料過程中的破碎率，擬采用以下幾種措施：

4.1 降低筒倉高度

筒倉的高度對于焦炭的破碎率是最直接的影響因素，但降低高度意味著犧牲儲量。筒倉的高度需要與許用地塊面積綜合考慮，在地塊允許范圍內盡可能增加筒倉直徑和數量，以降低筒倉高度。

4.2 保持高倉位

當料倉高度較高時，可采用高倉位操作，以降低焦炭破碎率。因料倉的儲料特點為先進先出，故不存在壓料的情況，可與焦炭供應物流協商，保持焦炭勻速供應，盡可保持足每天供、需平衡，以滿足高倉位操作。

對于高倉位焦炭自重壓碎問題，經查，室溫焦炭抗壓強度大約為 12～30MPa。計算最低處物料承受的壓強分兩種情況：第一種情況是淺料倉，即直壁部分高度小于等于直壁部分寬度，物料所受壓強見公式（9）；第二種情況是深料倉，即直壁部分高度大于直壁部分寬度，物料所受壓強見公式（10）。

式中：R為水力學半徑，見式（6）和（7）；ρ_d為物料堆比重，kg/m³ ；f₁ 為物料內摩擦系數，焦炭為 0.7～1.0；K為側壓力系數，焦炭為0.171～0.271；K₀ 為操作特點系數，一般≥1.5。

以上兩種情況計算后倉底處的壓強不超過0.2MPa，證明不能靠自重壓碎。

4.3 螺旋滑道

除降低倉體高度和落料高度外，還可以降低焦炭的落料速度，目前普遍采用螺旋滑道來降低垂直落料速度。螺旋滑道分內螺旋和外螺旋兩種：內螺旋是置于筒倉中心區域，直徑較小，由鋼板制成，優點是卸料均勻，缺點是下料時易被料流產生的拉力帶垮塌；外螺旋是固定于倉壁上，受料流影響小，維護量小，目前被廣泛應用。

4.4 斗式防碎設備

該設備類似于斗式提升機，但其改向輪是可以隨著料面信號上升或下降。該設施是通過機械運輸設備降低焦炭卸料落差，與傳統防碎設計比，主要缺點是設備復雜，維護量大，特別是倉內部分。

5 智能化

筒倉是一種高處裝料，低處卸料，可集儲、配于一體的工藝設施，易于實現智能化設計。

5.1 設備選型

為實現智能化作業，需要注意幾種設備的選型：

（1）卸料車定位系統。采用編碼電纜定位系統，可以實現卸料車的連續定位，定位精度高，以mm計。可隨時了解卸料車的位置以及在位置監控盲區的情況。

（2）卸料車行走采用變頻控制。定速行走的卸料車停靠時，不容易準確對準卸料口。而變頻行走，可以緩慢啟動，接近卸料點時緩慢停止，精確停止到位。

（3）倉位采用連續料位+開關料位組合方式監測。連續料位宜采用三維激光掃描料位儀，用于準確了解倉位。當激光掃描受干擾時，還有開關料位計確保不發生冒料事故，開關料位計需與落料點數 量相同。

（4）監控系統。智能化無人值守系統需設置完善的視頻監控系統，以確保系統能安全運行。

5.2 智能化管控系統

智能化管控系統分為智能化作業系統、智能控制系統、智能管理系統。

（1）智能作業系統是控制筒倉的入料和出料設備，建立筒倉內焦炭的 3d畫面，能夠實現入料設備和出料設備的自動調度、自動定位、連續安全作業，實時跟蹤筒倉內焦炭體積量變化，實時盤庫上傳庫存數據，為智能管理系統提供庫存管理數據。

（2）智能控制系統遵循智慧物流理念，實現入庫流程和供應高爐流程的自動組網、自動選線、視頻監控全程及畫面仿真，接受指令實現筒倉設備全天候無人值守自動運轉。

（3）智能管理系統是收集廠內外物流信息、設備運行信息、焦炭庫存信息等，建立規范的物料編碼、設備編碼體系，采用焦炭筒倉倉群、流程網群、計量網群、庫存仿真等組成生產管理智能系統，并與高爐礦槽交換倉內焦炭儲量信息，提供最低焦炭儲存方案和焦炭進廠、采購預測。并可在循環作業菜單引領下，實現無人直接參與的生產、運營和管理，保障高爐焦炭安全儲運。

6 環保設施

筒倉的環保設施有卸料車通風槽、卸料車車載除塵、卸料車覆倉膠帶、帶式輸送機轉運點除塵、環保導料槽等設施。

（1）卸料車通風槽。作為一種傳統的除塵方式， 通風槽的小車易脫軌、密封性差，一直深受業主詬病，解決好這兩個問題不失為一種實用的環保設施。

（2）卸料車車載除塵。該種除塵方式是在通風槽效果不滿足要求的基礎上，近年來采用的一種除塵方式。這種方式需要卸料車背負一臺、兩臺甚至三臺除塵器，另外還需要背負空氣壓縮機或者拖著一根壓縮空氣管，系統有些繁瑣。

（3）卸料車覆倉膠帶。卸料車在向筒倉卸料時會外溢揚塵，單點落料時一般采用重力翻板閥。但由于物料品種單一，卸料孔一般為通長孔，故覆倉膠帶為一種常用的抑塵措施。

（4）帶式輸送機轉運點除塵。倉上帶式輸送機和倉下帶式輸送機轉運點均需要設置除塵點，由集中布袋除塵器進行收集粉塵。

（5）環保導料槽。該設備為一種新型專利設備。傳統導料槽為單層，空間狹小，環保導料槽為雙層密封，內部設置迷宮，引導粉塵氣流逐漸降低流速，粉塵自主下降，可以有效降低除塵系統風量，節能降耗。

7 結語

筒倉作為煤炭行業、糧食行業常見的一種儲料方式，技術成熟。在冶金行業環保政策收緊，企業環保壓力加大的趨勢下，焦炭進入筒倉儲存可以大幅提升鋼鐵企業生產作業環境，而且易于實現智能化操作和管控，同時能夠大幅節約占地。該方案尤其在老廠區內進行焦炭封閉倉儲改造項目中具備一定優勢，未來具有良好的應用前景。

本文的設計要點，參照了煤炭行業的設計規范，同時結合了冶金焦炭的運輸、儲存和使用特點和要求，拋磚引玉，希望能夠為鋼鐵企業環保、工業智能化提供些許參考，尤其對環保績效要進入A級的鋼鐵企業來說，焦炭進入筒倉儲存是一個優選改造方案。

參考文獻

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