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        大直徑混凝土儲煤倉雙曲線漏斗的設(shè)計與優(yōu)化

        2021-10-05 06:31:12
        露天采礦技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:煤倉筒倉收縮率

        曹 亮

        (中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110015)

        近年來,我國對環(huán)境保護(hù)越來越重視,燃煤的開采、運(yùn)輸和儲存等要求也逐步提升,而筒倉具有加載快、儲量大、占地小、環(huán)境保護(hù)好等特點(diǎn),因此用筒倉儲煤的方式得到了廣泛認(rèn)可?;炷羶γ簜}卸料漏斗多采用錐型漏斗[1],這種漏斗壁板由4 個平面組成,傾角通常為60°。由于2 個相鄰平面相貫線處傾角較小,在生產(chǎn)過程中會發(fā)生不通暢、容易堵塞倉口等問題,需要配置專業(yè)的動力促流設(shè)備,當(dāng)遇到含水量大、粉煤多、煤質(zhì)黏結(jié)時,機(jī)械動力促流也不能完全解決堵塞問題。實踐證明,雙曲線漏斗不僅解決了堵塞問題,還取消了機(jī)械動力促流設(shè)備,系統(tǒng)簡單可靠。雙曲線型卸料漏斗在實際應(yīng)用中必須面對一些問題[2],如填料多、施工難度大、有效倉容降低等。

        1 工程簡介

        勝利一號露天煤礦至勝利電廠輸煤系統(tǒng)工程是國家能源集團(tuán)神華勝利電廠和華能集團(tuán)北方勝利電廠的廠外輸煤、輸灰專線。采用同1 條帶式輸送機(jī)上帶正向運(yùn)煤、下帶反向運(yùn)灰的特殊設(shè)計方式,輸煤最大運(yùn)力為3 000 t/h,輸灰最大運(yùn)力為500 t/h。輸煤起點(diǎn)為勝利一號露天煤礦,終點(diǎn)為神華勝利電廠廠外儲煤倉,總長度約13.8 km;輸灰起點(diǎn)為儲煤倉附近的中轉(zhuǎn)灰?guī)欤K點(diǎn)為露天礦排土場附近的粉煤灰裝車倉,總長度約10 km。此工程是集科研成果、技術(shù)創(chuàng)新為一體的高寒地區(qū)“煤來灰去”煤電一體化的典型工程,為國內(nèi)乃至世界首創(chuàng)。

        勝利一號露天煤礦開采褐煤,煤層形成時間較晚,煤質(zhì)較輕,針對高含水量的褐煤及傳統(tǒng)筒倉易堵料的問題,急需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),使其在不借用輔助設(shè)備的情況下,料流順暢卸載,不發(fā)生堵倉現(xiàn)象。勝利褐煤具有吸水性強(qiáng)、易風(fēng)化、風(fēng)化后呈團(tuán)塊狀及鱗片狀、易自燃發(fā)火等特點(diǎn),主要為5#煤和6#煤。

        2 倉口布置

        廠外輸煤系統(tǒng)終點(diǎn)為儲煤倉,倉后為廠內(nèi)輸煤系統(tǒng),屬神華勝利發(fā)電廠設(shè)計范圍。倉下設(shè)計采用3條普通槽型帶式輸送機(jī),中間1 條預(yù)留。一期工程時,外側(cè)2 條帶式輸送機(jī)均單向運(yùn)行,1 用1 備,待電廠二期工程建成后,倉下帶式輸送機(jī)全部改造成可逆帶式輸送機(jī),任意1 條帶式輸送機(jī)都可為一期、二期供煤,實現(xiàn)2 用1 備。因此,儲煤倉倉口的布置不僅要考慮2 條帶式輸送機(jī)的給料方式,還要考慮后期中間帶式輸送機(jī)的給料方式。

        根據(jù)初步計算,儲量3.5 萬t 褐煤選用直徑36 m 的圓形儲煤倉是最經(jīng)濟(jì)的。為使電廠二期工程建成后最大限度降低改造難度,每個倉口預(yù)埋基礎(chǔ)螺栓對稱布置,倉口至帶式輸送機(jī)中心線的間距均為3.25 m,二期工程建設(shè)完成后,只需將部分給料機(jī)旋轉(zhuǎn)90°安裝即可實現(xiàn)為中間帶式輸送機(jī)供煤。

        筒倉為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),倉上倉下采暖,倉壁保溫,直徑36 m,有效儲量3.5 萬t。每個筒倉倉下設(shè)有卸煤點(diǎn)16 個,每個倉口尺寸2.2 m×2.2 m,采用全座式振動給煤機(jī)給料,每臺給煤機(jī)最大給料能力為1 000 t/h。

        3 雙曲線漏斗

        1)常規(guī)錐型漏斗的特點(diǎn)。常規(guī)混凝土儲煤倉卸料漏斗多采用錐型漏斗,漏斗壁板由4 個平面組成,傾角通常為60°,這種結(jié)構(gòu)施工簡單、快速,市場占用率很高。對塊煤、煙煤等流動性較好的煤,錐型漏斗的優(yōu)勢很明顯,對末煤、褐煤等流動性差的煤來說,由于錐形漏斗2 個相鄰平面相貫線處傾角較小,在生產(chǎn)過程中會發(fā)生不通暢、易堵塞、自燃等問題。

        2)雙曲線漏斗的提出。有關(guān)專家學(xué)者在研究漏斗漏煤原理時認(rèn)為:由于漏斗的橫截面的收縮變化,煤粒在漏斗內(nèi)的流動過程中迫使煤粒之間互相錯動、重新排列,煤與煤之間的流動阻力增大,這是影響貯煤流動、產(chǎn)生堵煤現(xiàn)象的一個不可忽略的原因[3]。漏斗截面收縮率的數(shù)學(xué)公式可表示為:

        式中:K 為漏斗的截面形狀系數(shù),當(dāng)截面呈圓形時,K=1.0,截面呈方形時,K=0.75~1.0;C 為漏斗的截面收縮率,m-1;dA 為與微小量dy 相對應(yīng)的截面積的微小變量;A 為漏斗任一水平截面的截面積,m2;dy 為與A 截面垂直方向上的微小變量。

        3)雙曲線漏斗的關(guān)鍵點(diǎn)。雙曲線形卸料漏斗不易出現(xiàn)卸料不通暢、堵塞問題,除倉口尺寸外,關(guān)鍵是其截面積收縮率是常量。這是一種按負(fù)高斯曲率旋轉(zhuǎn)而成的殼體結(jié)構(gòu),早期應(yīng)用在小儲量的單口卸料圓筒倉設(shè)計中,將其設(shè)計成無需填料的殼體結(jié)構(gòu)形式,如鋼結(jié)構(gòu)倉。但對于大直徑、多個卸料口的圓筒倉,設(shè)計上一般是鋼筋混凝土梁板帶錐形漏斗,倉底結(jié)構(gòu)保持不變,用陶?;炷疗鲶w、C15 素混凝土等輕質(zhì)材料將錐形漏斗逐漸填成雙曲線形漏斗,表層再采用高強(qiáng)耐磨料。這就需要大量的填料,特別是倉口不均勻布置時,遠(yuǎn)離倉壁的倉口填料量是巨大的,雙曲線形漏示意圖如圖1。

        圖1 雙曲線形漏示意圖

        4)雙曲線漏斗存在的問題及解決方法。無論是單口卸料還是多口卸料的圓筒倉,雙曲線形漏斗高度都較高。雙曲線形漏斗與60°錐形漏斗相比,前者對筒倉的有效容積損失較大,這也是采用雙曲線形卸料漏斗必須解決的設(shè)計問題。本工程設(shè)計將1 條曲線分為2 段,每段采用不同的截面收縮率,不僅解決了卸料不通暢、堵塞問題,又減小了有效倉容的損失及填料高度,優(yōu)化后的雙曲線漏斗示意圖如圖2。

        圖2 優(yōu)化后的雙曲線漏斗示意圖

        4 雙曲線漏斗的曲線優(yōu)化

        針對勝利一號露天煤礦褐煤含水量高的特點(diǎn),結(jié)合雙曲線漏斗的設(shè)計理論,筒倉倉口采用不同角度雙曲線設(shè)計,實現(xiàn)降低填料高度,且不采取輔助設(shè)備,保證不堵倉[4-5]。

        4.1 雙曲線形漏斗的設(shè)計原理

        錐形卸料漏斗之所以不通暢,出現(xiàn)卸料堵塞,并不完全是由于錐形漏斗的傾角a0取的不夠大,主要原因是錐形漏斗的截面積收縮率C 不是常量,而是變量,在物料排出的過程中,下部的料流通過量小,上部的料流通過量大,逐漸形成堆積堵料[6-8]。不同曲線的漏斗口如圖3。

        圖3 不同曲線的漏斗口

        截面積收縮率C 的表達(dá)式為:

        式中:C 為截面積收縮率,m-1;r 為沿錐形漏斗任一高度h 處的圓半徑,m;α0為傾角,(°)。

        錐形漏斗截面收縮率C 隨其高度h 的下降而急劇增大,至卸料漏斗底部時C 值最大,這是錐形漏斗卸料不通暢、發(fā)生卸料堵塞的根本原因。

        1 段雙曲線漏斗的角度α0隨漏斗半徑變化而變化,而C 值為常量,在物料排出的過程中,物料通過量穩(wěn)定,消除卸料堵塞問題。但是,對于大直徑筒倉來說,1 段雙曲線漏斗的填料太多,倉容降低,進(jìn)一步增大工程投資。

        4.2 雙曲線形漏斗曲線的分段設(shè)計

        由于筒倉上部半徑很大,漏斗的C 值數(shù)值很小,變化不大,不存在堵煤現(xiàn)象;當(dāng)下部靠近漏斗口時,由于半徑逐漸變小,C 值急劇增大,這時就會出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象。于是只需要將下部的錐形漏斗改為雙曲線即可,相比1 條雙曲線設(shè)置,這樣設(shè)計的筒倉容積減少很小,而卸煤的優(yōu)勢又得以發(fā)揮,這種設(shè)計稱之為部分雙曲線漏斗。

        考慮到勝利褐煤具有很高的含水率、黏性較大,如采用部分雙曲線漏斗設(shè)計時,上部錐形角度需要很大,填料仍然很高,于是本次設(shè)計將采用分段型雙曲線設(shè)計。所謂分段設(shè)計,是按雙曲線形漏斗設(shè)計原理將1 段曲線分上、下2 段分別設(shè)計,上段取較小的傾角α2,下段曲線取較大傾角α1。這并不違反雙曲線形漏斗設(shè)計原理,只不過是修改了雙曲線形漏斗的設(shè)計原則,即將雙曲線形漏斗同一C 值設(shè)計原則修改為按2 個C 值設(shè)計,用2 個不同C 值的雙曲線形漏斗連接成為1 個雙曲線形漏斗。

        對于大直徑筒倉,受倉下帶式輸送機(jī)布置影響,帶式輸送機(jī)兩側(cè)的倉口填料較多。考慮到倉內(nèi)落煤時物料粒度分布不均的特點(diǎn),即筒倉中心物料粒度小,四周粒度大的原則,可降低上部雙曲線的起始角度。根據(jù)以往工程經(jīng)驗,塊煤漏斗傾角可選40°,優(yōu)化后的雙曲線漏斗主要參數(shù)如圖4。

        圖4 優(yōu)化后的雙曲線漏斗主要參數(shù)

        由圖1 和圖2 是雙曲線形漏斗優(yōu)化前后對比圖,優(yōu)化后的雙曲線可減少填料體積3 024 m3,褐煤松散密度按0.85 t/ m3算,可多裝煤2 570 t。顯然,對于大直徑筒倉來說,分段設(shè)計解決了填料太多、倉容降低的問題。

        4.3 倉口尺寸設(shè)計

        根據(jù)截面積收縮量C 的表達(dá)式中可以得知,當(dāng)傾角固定時,截面積收縮量與倉口半徑成反比。因此,儲煤倉漏斗的設(shè)計不僅僅是雙曲線的設(shè)計,倉口尺寸更是不能忽略的。根據(jù)近幾年內(nèi)工程實踐來看,倉口尺寸大于1.7 m×1.7 m 時不易堵料,本工程結(jié)合工藝布置及倉下給料機(jī)給料能力,最終確定倉口尺寸為2.2 m×2.2 m。

        5 結(jié)語

        1)勝利一號露天煤礦至勝利發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)分段型雙曲線漏斗儲煤倉于2019 年8 月開始是施工,2020 年10 月完成建設(shè)。直徑36 m,主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu),屋面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),1#儲煤倉倉上建筑層數(shù)3 層,檐高77.561 m;2#儲煤倉,倉上建筑層數(shù)為1 層,檐高為66.561 m。通過優(yōu)化,雙曲線漏斗可減少填料體積3 024 m3,增加的倉容可使倉體高度降低3 m。

        2)采用分段型雙曲線漏斗,可降低倉體高度、上倉帶式輸送機(jī)提升高度、棧橋長度和驅(qū)動功率等,節(jié)省了大量填料,降低了工程投資。

        3)采用2.2 m×2.2 m 大倉口設(shè)計,使料流卸載通暢、不堵倉,取消了空氣炮等輔助生產(chǎn)設(shè)施,簡化系統(tǒng)流程,降低生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用,具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

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