鋁土礦裝船碼頭裝卸工藝方案研究

朱本飛，葉成華

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

引 言

鋁土礦是生產氧化鋁的重要原料。氧化鋁是生產電解鋁的中間產品，被廣泛應用于航空航天業、汽車業、消費品加工、半導體工業等工業領域。據美國地質調查統計資料顯示，全球鋁土礦已探明儲量約 270億t，可滿足鋁工業約130年的開采需求。但是，鋁土礦資源分布不平衡，幾內亞和澳大利亞兩國的儲量總和約占全球總儲量的近50 %[1]。

近年來，我國對鋁土礦的需求也越來越大。隨著國家一帶一路政策的推進，中資企業逐步向非洲等海外市場尋求鋁土礦原料供應，國外豐富的鋁土礦資源成為目標市場之一。在此背景下，逐步形成了由鋁土礦礦區、裝船碼頭、海上運輸線至國內進口碼頭等國際運輸線路。隨著鋁礦石出口份額的逐年增加，鋁土礦出口國落后的礦石出口基礎設施建設水平已成為未來鋁礦石出口的關鍵限制條件。因此，擴大鋁土礦出口裝船碼頭規模、改善鋁土礦出口條件是保障鋁土礦國際供應鏈穩定的重要工程。本項目著眼于新建若干鋁土礦裝船泊位，以完成每年一定量的鋁土礦裝船的生產任務，并配套建設相應的引堤、陸域堆場等配套設施。

鋁土礦的物料特性與煤炭和鐵礦石等傳統干散貨不同。鋁土礦的堆積密度為1.4～1.7 t/m3，靜安息角約35°～50°，動安息角約 30°～40°，物料粒度在 1～10 mm，表面含水率為13 %～16 %。鐵礦石的動安息角15°，表面含水率小于10 %；煤炭的動安息角15°～20°，表面含水率為8 %～13 %[2]。可以看出，鋁土礦的含水量較大，安息角大，粘連性較強，運輸過程中容易出現粘料、堵料的現象，從而影響了鋁土礦的裝卸作業效率。本文重點研究鋁土礦在碼頭前沿和堆場兩個主要環節的裝卸工藝方案，分析了不同方案的優缺點，為碼頭建設提供參考。

1 碼頭前沿區域的裝船方案

碼頭前沿區域是主要生產環節之一。針對該區域的裝卸工藝方案，結合鋁土礦出口國的生產作業的現狀及其經濟發展情況，本次研究提出三種主要的裝船工藝方案。即：

1）碼頭裝船方案1：自卸汽車+裝載機+固定式起重機抓斗裝船工藝；

2）碼頭裝船方案 2：帶式輸送機+圓弧軌道式裝船機裝船工藝；

3）碼頭裝船方案 3：帶式輸送機+移動式裝船機裝船工藝。

1.1 碼頭裝船方案1

在當地已運營的一個鋁土礦裝船碼頭中，采用了固定式起重機的抓斗裝船工藝。自卸汽車將鋁土礦運輸至碼頭前沿，卸至前沿的臨時堆場上。碼頭前沿配置帶抓斗的固定式起重機。船舶靠泊后，通過固定式起重機的抓斗將鋁土礦抓取后卸料至駁船上。考慮到鋁土礦的堆高及輔助作業的需要，配置必要的裝載機，配合固定式起重機的裝卸作業。這種方案的裝卸作業流程為：后方堆場/礦區—自卸汽車—臨時堆場—帶抓斗的固定式起重機—駁船。

采用這種裝卸工藝方案時，碼頭除在后方設置鋁土礦的堆場外，在前沿區域也應設置臨時堆場。汽車運輸過來的鋁土礦全部堆積在前沿平臺上，要求碼頭設計時需考慮前沿的堆貨荷載。這種方式比較適合于碼頭前沿與后方堆場布置在一起的連片式布置。這種作業方式，鋁土礦的水平運輸全部采用自卸汽車，因而碼頭需要配置較多的自卸汽車。相對于其他碼頭，它增加了碼頭前沿區域的二次倒運，一定程度上會帶來鋁土礦對碼頭平臺的污染。尤其對于采用較長引堤延伸至外海的碼頭，這種作業方式下引橋及碼頭的污染會較嚴重。

1.2 碼頭裝船方案2

為減小自卸汽車運輸帶來的碼頭前沿的交通組織以及環境污染等問題，可以采用帶式輸送機用于鋁土礦的水平運輸。碼頭的裝船作業采用圓弧軌道式裝船機。這種連續式裝船設備比較適用于碼頭前沿的散貨駁船裝船作業，常與后方帶式輸送機系統銜接。裝船機的支承旋轉中心與碼頭供料帶式輸送機的落料點處于同一垂線上。供料皮帶機落下的物料通過裝船機上的帶式輸送機輸送至臂架頭部，進而通過裝船溜筒落入船艙。這種方案的裝卸作業流程為：后方堆場—帶式輸送機—圓弧軌道式裝船機—駁船。

這種裝船工藝方案采用圓弧軌道式裝船機。碼頭前沿設置圓弧形軌道，裝船機可以在弧形軌道上行走。借助于大車行走機構、臂架伸縮結構等工作，裝船機可以實現裝船作業范圍在船艙長度方向和寬度方向的覆蓋，以實現裝料的均勻和裝載的平穩。依靠臂架俯仰和溜筒伸縮功能，它可以適應不同的裝船水位以及船舶物料的堆高的變化。

這種裝船工藝方案的主要特征有：

1）碼頭前沿的長寬尺寸僅需要滿足船舶靠泊和裝船機的正常工作要求即可。因而，為了降低碼頭建設投資，常采用墩式碼頭布置形式，即碼頭由若干靠船墩、系纜墩以及裝船工作平臺構成，如圖1所示。

圖1 墩式碼頭布置

2）所采用的圓弧軌道式裝船機往往難以完全覆蓋到全部船艙，尤其是船艙長度方向難以全覆蓋，而增加工作幅度會導致設備造價快速的上漲。因而，為解決船艙覆蓋面不足的問題，一方面對于大型船舶常常采用2臺甚至多臺設備，另一方面可以借助拖輪采取移船的作業方式。

3）水平運輸采用帶式輸送機。通過設置帶式輸送機罩扣，以及在接料漏斗處設除塵設施，可較大程度上降低采用自卸汽車作業時的環境污染。

4）在鋁土礦含水率較大時，可能存在皮帶機粘料問題。

1.3 碼頭裝船方案3

為解決圓弧軌道式裝船機的裝船覆蓋面問題，裝船碼頭可采用移動式裝船機。水平運輸同樣采用固定帶式輸送機給碼頭裝船機供料。裝船設備采用移動式裝船機。移動式裝船機具有伸縮、回轉、俯仰等功能，可以實現不同工況下的裝船作業需求。移動式裝船機可沿著碼頭前沿布置的軌道行走，因而在船艙長度方向可以覆蓋全部船艙，在寬度方向的覆蓋通過控制移動裝船機的外伸距來實現。移動式裝船機在國內大型干散貨裝船碼頭應用較廣泛。這種方案的裝卸作業流程為：后方堆場—帶式輸送機—移動式裝船機—駁船。

這種裝船工藝方案的特征有：

1）移動裝船機的軌道沿著碼頭長度方向布置，整機可以沿著碼頭運行，碼頭前沿區域應該整體連片布置。因而碼頭水工結構的投資相對會較大。

2）移動式裝船機作業方式靈活，機動性好，對船型的適應性非常好，且裝船作業的效率高。它可以滿足碼頭大運量、高效率和頻繁作業的需要。

3）碼頭前沿區域具有較大的工作空間，可以滿足消防及檢修車輛等工作要求，碼頭運營期間的日常維修保養等工作較為方便。

4）采用帶式輸送機輸送鋁土礦同樣存在帶式輸送機的粘料和堵料問題。

2 堆場區域的物料裝卸方案

堆場環節是連接礦區和碼頭前沿的貨物中轉場所。由于礦區至碼頭的水平運輸已確定采用公路運輸的方式，因而堆場中鋁土礦的進堆場已經明確為自卸汽車方式。因而，對于鋁土礦堆場，擬結合自卸汽車的方式提出四種堆取料作業方案。即：

1）堆場作業方案1：自卸汽車+裝載機+移動皮帶機+自卸汽車工藝；

2）堆場作業方案2：自卸汽車+裝載機+移動皮帶機+漏斗+帶式輸送機工藝；

3）堆場作業方案 3：自卸汽車+帶式輸送機棧橋堆料+卸料孔卸料+帶式輸送機工藝；

4）堆場作業方案4：自卸汽車+受料坑+堆料機+取料機+帶式輸送機工藝。

2.1 堆場作業方案1

對于碼頭前沿采用的帶抓斗的固定式起重機的裝船作業方式，堆場的堆取料方案為：自卸汽車將鋁土礦運輸至指定的堆放位置，再借助于單斗裝載機和移動皮帶機進行鋁土礦的堆高作業。取料時，單斗裝載機將鋁土礦直接裝載至自卸汽車上，或借助于移動皮帶機進行必要的轉接。自卸汽車再將鋁土礦運輸至碼頭前沿區域。這種方案的堆取料作業流程為：礦區—自卸汽車—（裝載機—移動皮帶機）—堆場—單斗裝載機—自卸汽車—碼頭前沿。

這種作業方式下，堆場均采用裝載機、移動皮帶機等流動機械，裝卸設備的投資較少，設備的配置可根據實際需要逐步購買。堆場的土建工程也相對比較簡單，直接進行場地平整后就可作為堆場使用，甚至無需進行場地硬化等土建工程。因此，這種作業方式比較適合于碼頭工程的前期投資額度有限、對裝卸作業效率要求不高的情況下采用。

2.2 堆場作業方案2

對于使用帶式輸送機給碼頭前沿供料的作業方式，堆場的裝卸工藝擬結合裝載機的使用考慮如下方案：自卸汽車將鋁土礦自卸至指定料堆處，并配置若干臺裝載機和移動皮帶機對鋁土礦進行堆高作業。堆場中配置若干臺鋁土礦專用漏斗。取料作業時，單斗裝載機將堆場中的鋁土礦裝載至漏斗中。漏斗下方為固定帶式輸送機。通過控制漏斗的落料實現對帶式輸送機的給料。物料落入帶式輸送機后被送往碼頭前沿區域。當堆場的范圍較大時，可以配置若干臺移動帶式輸送機搭配單斗裝載機為接料漏斗供料，以縮短單斗裝載機的行駛距離。這種方案的堆取料作業流程為：礦區—自卸汽車—（單斗裝載機—移動皮帶機）—堆場—單斗裝載機—（移動帶式輸送機）—漏斗—帶式輸送機—碼頭前沿。

這種堆取料作業方式，既采用了自卸汽車和裝載機的堆料作業功能，又與碼頭前沿的帶式輸送機的運輸方式兼容，同時具備了流動機械的周期性作業和連續性裝船設備作業的特征。它需要配備數量較多的裝載機用于堆場作業。相對于國內散貨堆場常見的堆取料機的作業方式，它的作業效率相對不高，且要求港區勞動定員多，運營期間的運營成本較高。但是，鋁土礦出堆場的方式是采用帶式輸送機，較好的匹配了碼頭前沿裝船機的作業方式。

2.3 堆場作業方案3

為了降低堆場運營期間的成本，提出采用帶式輸送機棧橋堆料、卸料孔卸料的作業方案。自卸汽車將鋁土礦運輸至堆場，卸至受料坑。卸下的鋁土礦通過卸料坑下的帶式輸送機輸送至堆場。堆場上方設置帶式輸送機棧橋。如圖2所示，受料坑輸送過來的鋁土礦被提升至一定的高度，再通過棧橋上的卸料小車將鋁土礦卸至棧橋兩側的料堆。在棧橋的兩側分別設置兩條地下皮帶機廊道。沿皮帶機廊道布置若干個卸料孔，每個卸料孔下面均配置震動給料機。鋁土礦通過卸料孔落料至廊道皮帶機，進而輸送至碼頭前沿的裝船機。這種作業方式的斷面圖如圖所示。這種方案的堆取料作業流程為：礦區—自卸汽車—受料坑—帶式輸送機—卸料小車—堆場—卸料孔+震動給料機—地下廊道皮帶機—碼頭前沿。

圖2 “棧橋堆料+卸料孔+地下廊道”作業方式示意

這種作業方式在砂石料堆場中偶有使用。相對于方案一和方案二，它最大的特點是利用物料的重力自由落入卸料孔，而不是采用裝載機來取料。它在一定程度上降低了堆場的取料耗能和運營成本。但是，堆場上需要增加進場的皮帶機棧橋及卸料小車等設施，同時也要增加廊道皮帶機等設備和土建投資等。

這種方案最大的缺點是在物料經卸料孔進入廊道皮帶機的過程中，存在粘料和堵料的可能性。鋁土礦的含水量較大，粘連性較強，物料的流動性較差。在堆場的運營過程中，發生堵料的可能性較大。這種情況一旦發生，堆場的取料作業將不得不停止。且由于此時堆場上的鋁土礦的庫存量非常大，疏通卸料孔也將會是一個難題。為了降低堵料發生的概率，可采取一些措施。例如，考慮在堆場上方設置防雨棚，可有效地避免當地雨季長時間的降雨導致的堆場無法作業。此外，卸料孔的內壁的斜度盡可能在要陡，且卸料孔的下面均配置震動給料機。這些措施一定程度上可以降低堵料發生的概率。

2.3 堆場作業方案4

這種方案是國內煤炭和礦石等專業化干散貨碼頭比較常見的堆場作業方式。鋁土礦進堆場的作業采用自卸車+受料坑+帶式輸送機的方式。即，自卸汽車將運輸過來的鋁土礦卸至受料坑。卸下的鋁土礦通過受料坑下面的帶式輸送機輸送至堆場。堆料機將進入堆場的鋁土礦堆料至兩側的堆場。取料作業采用斗輪式取料機。取料機取得的物料通過堆場帶式輸送機被輸送至碼頭前沿。這種方案的堆取料作業流程為：礦區—自卸汽車—受料坑—帶式輸送機—堆料機—堆場—取料機—帶式輸送機—碼頭前沿。

這種堆取料工藝方案中，盡管鋁土礦的進港是采用自卸汽車，但是它通過卸料坑的設置，進而很好地與堆料機和取料機等自動化設備進行有機的結合。這種作業方式的裝卸作業效率較高，碼頭的自動化程度較高。但是，它的前期工程投資較大。除了堆料機、取料機、帶式輸送機等裝卸設備的投資外，還包括設備基礎以及供電等必要的配套設施等。因而，這種作業方式一般用于經濟發展水平較高的國家，或者是用于裝卸那些經濟附加值較高的貨種。

3 鋁土礦裝船工藝方案對比分析

以上章節分析了三種碼頭前沿區域的裝船方案和四種堆場區域的堆取料方案。針對這些方案的優缺點進行綜合性分析，得出如表1和表2所示的性能分析。

表1 裝船區域工藝方案對比分析

表2 堆場區域工藝方案對比分析

從表1和表2的分析對比可以看出，每種裝卸作業方式均有其優缺點。其中，裝船區域的方案一與堆場環節的方案一的組合方案，即裝船作業采用“自卸汽車+裝載機+固定式起重機抓斗”方式，堆場作業采用“自卸汽車+裝載機+移動皮帶機+自卸汽車”方式，它的系統可靠性最高，且工程前期投資較低，但是運營能耗較高，環境污染較嚴重。而裝船區域的方案三與堆場環節的方案四的組合方案的作業效率高，但是工程投資大。其中，就堆場環節工藝方案而言，方案三的運營能耗最低，但它的系統可靠性沒有其他方案的高。

4 結 語

國內鋁土礦碼頭多以進口碼頭為主，鋁土礦裝船碼頭并不多見。非洲為鋁土礦重要產區，隨著當地鋁土礦資源的逐步開發，裝船碼頭的建設也日益增多。目前，非洲區域的鋁土礦裝船工藝主要有“自卸車水平運輸+固定式起重機抓斗裝船”的方式，也出現了“帶式輸送機+圓弧軌道式簡易裝船機”的作業方式。鋁土礦的物料粘性較大，運輸過程中存在著堵料的可能性。針對這種情況，本研究分別討論了碼頭前沿區域和堆場區域可能存在的幾種裝卸工藝方案，并分析了不同裝卸作業方案的優缺點，以期為鋁土礦裝船碼頭的建設提供參考。