銅精礦解凍庫設計實踐研究

丁中秋 易世友

〔摘 要〕針對黑龍江某銅冶煉項目貨運散裝銅精礦冬季因凍結而無法卸車的現象，對散裝貨物解凍庫的類型以及北方地區已存在的解凍庫應用情況進行了詳細分析，并提出了在鐵路貨場建設解凍庫和在廠區內建設解凍庫兩種方案。經過方案比選，認為在廠區內建設解凍庫的工程投資和運營成本更好。對該解凍庫設計參數以及后期運行過程中存在問題進行了分析，提出了相應的設計優化措施。

〔關鍵詞〕解凍庫;銅精礦;方案比選;暖通設計;總圖

中圖分類號：U294.1;TF808?? ? 文獻標志碼：B? 文章編號：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

作者簡介：丁中秋（1965—），男，正高級工程師，主要從事總圖設計工作。

在嚴寒地區的冬季，鐵路貨車的大宗散裝貨物經常因凍結而無法卸車，這就需要建設加溫解凍的庫房及相關設施[1-2]，以提高鐵路貨車的周轉效率。某銅冶煉項目位于黑龍江省齊齊哈爾市，項目原料銅精礦采用集裝箱包裝形式通過鐵路和公路長途運輸至廠區。由于銅精礦原料中含有超過12%的水分，冬季運輸至廠區時銅精礦會出現凍結現象，在原料庫內卸車非常困難，為此該項目設計建造了解凍庫對銅精礦進行解凍。本文擬結合該項目的解凍庫設計實踐，對解凍庫設計調研和方案比選情況進行介紹，分析解凍庫使用過程中發現的問題，從而提出優化設計的改進措施，為后續類似銅精礦解凍庫的設計提供有益借鑒。

1?? 解凍庫現狀調研

1.1? 散裝貨物解凍庫分類

我國應用解凍庫比較多的行業為鋼鐵、電力和焦化企業，其解凍對象主要為受低氣溫影響而結凍的精礦粉、煤炭等散裝物料解凍。根據解凍所用介質的不同，解凍庫可以分為蒸汽解凍庫、熱風解凍庫和紅外線解凍庫三大類[3-4]。

1）蒸汽解凍庫是以蒸汽作為熱媒、排管為加熱設備，利用熱空氣的自然對流和排管輻射傳熱對物料進行解凍的。這種解凍方式多見于火力發電廠中。蒸汽解凍庫因解凍時間長，對設備腐蝕嚴重，維修工作量大，在蒸汽熱量的二次轉換過程中，能量損失較大，效率低，現基本已被淘汰。

2）熱風解凍庫是利用被空氣加熱器加熱的空氣作為熱媒，由風機帶動室內熱空氣循環流通，加熱物料直至解凍。該解凍方式以熱風強制對流為主，熱風管道輻射傳熱為輔，加熱空氣的熱媒可采用蒸汽或燃燒爐。熱風解凍速度快，可隨時開停，操作簡單，運行及維護費用低。部分熱風解凍庫還采用了熱風循環技術，可有效的節約能耗[5]。

3）紅外線解凍是利用石英管產生的遠紅外線進行電磁高溫輻射解凍。根據所用介質的不同，紅外線解凍還可以細分為電紅外線解凍和煤氣紅外線解凍兩種。該方法是利用紅外線熱源直接發射電磁波傳遞熱量作用于受熱體，解凍能量損失少，速度快，熱效率高，且可隨時開啟和關閉，操作簡單，運行及維護費用低。

1.2? 解凍時間和溫度要求

鋼鐵、電力等企業的散裝物料由火車運輸進廠，因此一般采用連帶火車車廂一起進行解凍。解凍時間和溫度取決于工廠對原材料儲運的需要，同時還需要考慮降低鐵路部門征收的火車車輛損害和車輛延時帶來的額外費用[6]。

根據《鄭州鐵路局鐵路貨車翻車機和散裝貨物解凍庫檢測實施辦法》：“解凍庫熱風溫度在60 ℃以下時，解凍時間不限。在60～100 ℃時，解凍時間不應超過1 h”。首鋼京唐解凍庫所屬鐵路局規定解凍庫內平均溫度≤130 ℃[8]。因此，鋼鐵、電力等行業大部分解凍庫解凍溫度在60～110 ℃，解凍時間在2～8 h。

1.3? 現有解凍庫的調研

本項目解凍庫設計前期，筆者對黑龍江齊齊哈爾某發電廠煤解凍庫和吉林琿春某銅精礦解凍庫進行了調研，庫內現狀分別如圖1、圖2所示。

其中，齊齊哈爾某發電廠煤解凍庫設計類型為熱風解凍庫，建筑形式采用隧道式，長320 m，庫內布置雙列鐵軌，每列 20 節車廂，散料整車解凍。該解凍庫熱媒為蒸汽加熱，每天消耗蒸汽量約為24 t，蒸汽入口壓力為0.6 MPa。解凍室內上部溫度為 100 ℃，下部溫度為 70 ℃，煤車解凍時間為3.0 h。

凍煤車進入解凍室后，熱風系統投入運行，當解凍室下部溫度高于 70 ℃時，逐漸減少暖風器的供熱量。約2.0～2.5 h后熱風系統停運，風機停止，電動調節閥全閉，煤車則在高溫的解凍室內繼續加熱到3.0 h完成解凍。該解凍庫的缺點是在70～100 ℃的溫度下解凍時間超過了1.0 h，對貨車會造成不利影響，包括：制動閥內橡膠件熔化、老化;軟管連接器老化、燒毀，制動系統充風后出現漏風現象;各種法蘭連接處橡膠老化，導致漏風;潤滑油溶化流出，潤滑效果變差;油漆脫落，車號標簽損壞、脫落等[7]。鐵路部門會因此收取高額的煤車維護費用。目前該電廠煤解凍庫已經停用。

吉林琿春某銅精礦解凍庫的對象解凍為集裝箱和部分噸袋。該庫房為大跨度車間，車間長90 m、寬34 m、高12 m，車間內集裝箱布置為4排，每排堆高為2層，間距0.5～1.0 m，最大庫容為250箱。解凍庫內沒有設置分隔墻，地面采用灑水方式降塵。該解凍庫的解凍溫度為30～40 ℃，冬季最冷月解凍時間為15 h。白天進行裝卸和碼垛作業，夜晚解凍，每天庫存100箱，出庫50箱。集裝箱裝、卸、碼垛機械為1臺三一重工移動式45 t正面吊車，每個集裝箱的裝、卸、碼作業時間約為3 min。該解凍庫使用中存在的主要問題是集裝箱進出庫時對室內溫度影響較大。

2?? 銅精礦解凍庫設計方案比選

2.1? 解凍庫類型選擇

本項目銅精礦鐵路運輸采用集裝箱和噸袋2種包裝方式，不同于鋼鐵、電力等企業采用鐵路敞車散裝運輸鐵礦粉和煤炭等物料，集裝箱和噸袋具有裝卸方便的特性，可以不用連帶火車車廂一起整車解凍。因此，不存在火車車廂的周轉問題，在解凍庫面積足夠的條件下，解凍時間可以不用限定在2～8 h之間。

此外，本項目采用火法銅冶煉余熱發電后剩余的大量低溫低壓余熱蒸汽進行解凍，解凍時間可根據生產需要選定。因此，本項目銅精礦解凍庫的設計選型為熱風解凍庫，加熱熱媒為低溫低壓蒸汽。

2.2? 解凍庫設計方案比選

本項目原料銅精礦的運輸方式包括鐵路運輸和公路運輸，運輸量比例基本相當。銅精礦包裝方式為集裝箱和噸袋兩種，其中集裝箱數量較多。解凍庫的建設方案有兩個選擇：一個是在鐵路貨運站場建設，另一個是在廠區內建設。選擇位置不同，搬運方式不同，解凍庫的設計方案也會有區別。

方案1為在鐵路貨場建設解凍庫。由于該項目鐵路專用線沒有進入廠區，采用方案1需要在鐵路貨運站北側或東側擴建解凍庫及調車鐵路專用線，解凍后的貨物轉為汽車短途運輸進入廠區。方案1的主要設計參數如下：1）解凍庫長度為180 m，跨度為33 m，凈高為18 m;2）配置跨度為33 m的50 t橋式起重行車2臺;3）集裝箱貨柜容量378個，分為3區，集裝箱按照3層碼放。每個區126個集裝箱，每箱銅精礦約為27 t，箱自身質量約為2 t;4）解凍時間按照24 h設計，采用散熱器+熱風采暖系統;5）日解凍銅精礦量為3 402 t，滿足廠區生產日用銅精礦量為2 172 t的需求。方案1平面布置如圖3所示。

方案2為在廠區內建設解凍庫，該方案解凍庫布置靠近原料庫，只需考慮汽車進入解凍庫的方案，集裝箱由汽車從鐵路貨場運輸至廠區解凍庫內。方案2的主要設計參數如下：1）解凍庫長度為139 m，跨度為27 m，凈高為17.5 m;2）配置跨度為27 m的50 t橋式起重行車2臺;3）集裝箱貨柜容量為324個，分為三區，集裝箱按照3層碼放。每個區可容納108個集裝箱，每箱銅精礦約27 t，箱自身質量約為2 t。三區按照進庫、解凍、出庫交替運行;4）解凍時間按照24 h設計，采用散熱器+熱風采暖系統;5）日解凍銅精礦量為2 916 t，滿足廠區生產日用銅精礦量2 172 t的需求。方案2平面布置如圖4所示。

解凍庫設計方案1和方案2的主要優缺點比選如表1所示。

從表1可以看出，方案2在工程投資和運營成本均優于方案1，且方案1需報鐵路部門批準，建設手續落實緩慢，工期較長。因此，最后業主決定選取設計方案2，解凍庫在廠區內建設。

2.3? 設計參數的確定

本項目最終采用方案2在冶煉廠區原料車間的北側建設汽車解凍庫，具體設計參數如下。

1）車間結構形式，建筑主體采用鋼結構，圍護結構為彩板加保溫。

2） 車間尺寸、行車配置、集裝箱設計容量等見2.2節。

3）暖通設計。熱源利用冶煉廠余熱發電后減壓到0.3 MPa的飽和蒸汽，解凍庫冬季室外計算溫度為-23.8 ℃，庫內設計溫度為20～40 ℃，熱負荷為3 581.3 kW，采用散熱器+熱風機采暖系統，散熱器布置在離地面0.8 m高的位置，熱風機布置在離地面4.3 m高的位置。冬季正常情況下，低位置的散熱器連續采暖維持解凍庫內溫度至20 ℃，當銅精礦集裝箱入庫后開啟4.3 m高位置的熱風采暖系統，將解凍庫內溫度加熱至40 ℃，24 h后完成庫內的銅精礦解凍。采暖系統其中一個單元示意如圖5所示。

在解凍庫實際施工過程中，業主為了節約投資，縮短建設工期，取消了上部高位置的熱風機，僅安裝了低位置的蒸汽暖氣片。

3?? 解凍庫運行過程中存在的問題

3.1? 問題的發現

1）本項目竣工投產1 a后，廠房組織了設計回訪。回訪發現該解凍庫在實際使用過程中，雖然解凍庫未安裝高位熱風機，庫內高處的溫度仍然較高，行車處溫度約有60 ℃。由于銅精礦原料中水分含量較高，導致解凍過程中水蒸氣較多，車間上部溫度及濕度均較高，行車設備電氣元件經常失效，行車駕駛員操作環境惡劣。

2） 解凍庫內地面溫度較低，僅為20 ℃。這是由于一方面，庫內大門處未設門斗，汽車出入庫時溫度下降較快;另一方面，建筑外墻采用彩鋼夾保溫棉且開窗面積過多，對庫內地面、墻面的保溫不利。

3） 解凍庫的大門原設計尺寸（寬×高）為4.2 m×4.2 m，無法滿足集裝箱運輸車輛的通行需求。后業主自行將大門尺寸（寬×高）改為5.0 m×4.8 m。

4）行車駕駛艙位于解凍庫出入大門同側，行車駕駛員作業視線不好，集中箱運輸卡車必須深入到庫內中心部位才能裝卸，影響庫容和作業效率。如圖6所示。

圖6? 集裝箱裝卸

3.2? 經驗總結及優化措施

筆者設計回訪時發現的解凍庫運行過程中存在的上述問題，在可以為后續銅精礦解凍庫設計獲得以下經驗。

1）針對車間上部溫度及濕度均較高的情況，可在解凍庫設置循環干燥風機，將屋頂高處的濕熱空氣干燥后引到庫內地面，形成空氣對流。這樣既能解決高處濕熱的問題，又可為地面低溫進行加熱，節約能源。

2）解凍庫行車設備選型時，電氣元件應考慮特定的濕熱使用環境，行車駕駛室內應密封并加強通風，為駕駛員提供舒適的工作環境，也可以考慮選擇無人駕駛行車。

4）解凍庫外墻設計宜采用磚混結構，并盡量減小低處的開窗面積，避免庫房墻面、地面、屋面反復吸熱，減小解凍庫內的熱量損失。

5）解凍庫大門設計尺寸應滿足集裝箱運輸車輛的通行需求，高度和寬度可按照現場實際使用的尺寸（寬×高）5.0 m×4.8 m進行設計。大門處宜設計汽車出入庫門斗，采用雙門光控開啟，以避免冷空氣趁大門開啟時進入庫內。

6）行車訂貨時，應根據大門的位置要求廠家將集裝箱布置到大門的另一側，擴大駕駛員的視線范圍，減少裝卸時集裝箱運輸車深入庫房內的距離，提高作業效率和庫房面積利用率。

4?? 結語

綜上所述，銅精礦解凍庫與鋼鐵、電力等行業的鐵精礦解凍庫和煤解凍庫因物料包裝形式的不同而存在一定差別，設計時需要根據實際情況進行設計。本文通過對黑龍江某銅冶煉項目銅精礦解凍庫的設計過程的介紹和對解凍庫使用情況的分析，總結了該項目銅精礦解凍庫設計的經驗教訓，提出了優化建議，能夠為后續類似銅精礦解凍庫的工程設計提供有益借鑒，以便更有效地避免設計缺陷，為生產企業提供優良的設計服務。

參考文獻

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