節能環保型攪拌樓站的設計分析

賈志成/JIA Zhi-cheng

（上海華東建筑機械廠有限公司，上海 200137）

環保的本質是節能減排，環保型攪拌樓站的設計理念就是減少粉塵、污水、噪音的排放和節約能源消耗。本文主要討論攪拌樓、站設計時在確保達到設計主參數的前提下采用何種配置或形式能做到最小的能源消耗，以達到節能環保的要求。

1 樓或站型式的選擇

在混凝土生產工藝中，按砂石骨料提升的次數分為攪拌樓和攪拌站兩種型式。骨料一次提升的稱攪拌樓，兩次提升的稱攪拌站。其工藝流程框圖見圖1。

圖1 攪拌樓、站工藝流程圖

就節能而言，應該首選攪拌樓配置，因對相同生產率的攪拌樓和攪拌站，樓的裝機總功率要小于攪拌站。先看骨料輸送系統的功率情況。由于攪拌樓和攪拌站的骨料稱量分別在主樓內和主樓外，因此在皮帶機上輸送的骨料對攪拌樓而言是未經稱量的，而對攪拌站而言是已經稱量的。這樣攪拌樓皮帶機輸送的骨料基本是連續的，而攪拌站在每一個循環周期T內皮帶機上輸送的骨料是斷續的。因為每1m3混凝土中骨料總量約為1.9t，因此對相同生產率的攪拌樓和攪拌站，每小時骨料的消耗量是相同的。因此，攪拌樓皮帶機要求的輸送能力要小于攪拌站皮帶機要求的輸送能力，即Q樓

例如：對3m3主機生產率180m3/h的攪拌樓（以下簡稱180樓），其每小時發生的骨料總量為1.9×180=342t

要求皮帶機的輸送能力：

式中系數1.5是考慮換倉時皮帶機上前一種骨料要清空而增加的系數。

而對3m3主機生產率180m3/h的攪拌站（以下簡稱180站），循環周期T=60s，即對骨料輸送系統而言，60s完成一次平皮帶輸送、斜皮帶輸送和中間斗投料。其中骨料輸送系統的時序見圖2。

圖2 攪拌站骨料輸送系統時序圖

圖中t0——第1個骨料秤斗開始放料到平皮帶機頭輪開始出料的時間；

t1——平皮帶機頭輪連續出料的時間；

t2——平皮帶機頭輪處出料結束到斜皮帶機上骨料全部進入中間斗的時間；

t3——中間斗向攪拌主機投料的時間。

對180站，其t0=2s，t2=17s，t3=13s。

由此t1=T-t0-t2-t3=60-2-17-13=28s

即在28s內平皮帶機要把1.9×3=5.7t骨料連續送到斜皮帶機上，相當于Q平=0.20357t/s=733t/h,因為斜皮帶機要把平皮帶機送來的骨料繼續輸送而不能堆積，因此斜皮帶機的輸送能力要求Q站≥Q平=733t/h

斜皮帶機電動機功率N∝Qh

式中Q——斜皮帶機的輸送能力，t/h；

h——斜皮帶機的輸送高度，m。

雖然攪拌樓有高位儲料倉后斜皮帶機的輸送高度要大于攪拌站斜皮帶機的輸送高度，但只要Q樓h樓＜Q站h站，則斜皮帶機電機功率N樓＜N站。

對于180樓和180站，設攪拌站的斜皮帶機h站=16m，

另外，攪拌樓平皮帶機電機功率也小于攪拌站的功率。例如180樓平皮帶電機功率只要11kW，而180站平皮帶機電機功率要15kW。所以，只要主樓不超過一定高度，攪拌樓的骨料輸送系統的裝機功率要小于攪拌站的裝機功率。

又根據相同的原因，攪拌樓因配置有高位水箱而水泵供水基本是連續的，而攪拌站一般無高位水箱而水泵向水秤直接供水是間斷的，所以樓的水泵功率要小于站的水泵功率。例如：對3m3主機的攪拌樓和攪拌站，水泵功率分別為5.5kW和7.5kW。

2 攪拌樓高位儲料倉容量的確定

攪拌樓相比攪拌站有許多優點都與砂、石骨料倉置于攪拌樓主體上部即高位儲料倉有關。高位儲料倉容量多大才合適是擺在設計者面前的一個現實問題。

從節能環保的理念來講，高位儲料倉容量宜小不宜大。這樣可以減少主樓鋼材的用量，減輕主樓的重量，減輕對地基的壓力以節省土建施工量和成本，降低主樓高度以減短上料斜皮帶機長度從而減少電機功率以節省能耗。

攪拌樓在生產混凝土的過程中，一方面高位骨料倉里的料位隨著稱量批次的發生而逐漸下降，另一方面骨料輸送系統（地坑供料斗、平皮帶機、斜皮帶機、回轉分料器）把地面料倉里的骨料不斷地送入高位儲料倉。只要補充的骨料≥消耗的骨料，即m補≥m耗，就能確保稱量要料，確保生產混凝土不中斷。在此前提下，高位儲料倉容量越小越有利節能環保。這就是高位儲料倉容量確定的原則。

下面分析滿足稱量要料的最小高位料倉容量。

如圖3,高位儲料倉一般設置4個倉（兩砂兩石），圖中A-A截面所示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，分別與地面料倉S1、S2、G1和G2對應。骨料輸送時，先啟動回轉分料器，使其溜槽對準某一倉位，到位后才能啟動相應地坑供料斗開門（自動控制時電氣聯鎖），然后骨料通過平皮帶機、斜皮帶機、回轉分料器進入高位儲料倉。定時時間到或高料位開關信號到即關閉地坑供料斗門，然后平皮帶機、斜皮帶機繼續將剩余在帶面上的余料送入高位儲料倉。余料送完后，回轉分料器可轉到第2個工位。

圖3 攪拌樓骨料輸送系統示意圖

假設回轉分料器轉動一個工位所需時間為t3，平皮帶機將骨料由供料斗相應位置送到平皮帶機頭輪處所需時間為t1，斜皮帶機將骨料由底部送到頭輪處所需時間為t2，則從回轉分料器轉動開始，到骨料進入溜槽到達高位儲料倉所需時間為t換=t1+t3+t3。該時間稱為換倉時間。與t換相對應的稱補料時間t補，t補的含義為高位儲料倉補料時間也即地坑供料斗開門時間也即平、斜皮帶機某一截面連續有料的時間。t=t換+t補稱為一倉補料周期，現以180樓為例計算換倉時間，見圖3。

v1——平皮帶機帶速，取v1=1.6m/s。

式中l2——斜皮帶機長度，取l2=70m

v2——斜皮帶機帶速，取v2=2.5m/s。

t3=7s

則t換=9.4+28+7=45s

由前面計算攪拌樓皮帶機生產率公式可知換倉系數為1.5，其含義為在一段時間內換倉時間t換=(1.5-1)/1.5=1/3，而補料時間t補=1-t換=2/3，即皮帶機某一截面有料時間與無料時間之比為2∶1，即占空比為2∶1。

上面算出180樓一倉t換=45s

則t補=90s，t=45+90=135s，T=4t=4×135=540s。

以上分別是一倉最小補料周期和4倉最小補料周期。圖4畫出了補料時序。

圖4 補料時序

由圖4可看出，在540s的周期內，4個倉每倉分別補料是

那么耗料情況怎樣呢？假設4個倉平均耗料，每罐次（60s）每倉耗料量為

540s包含9罐次耗料，故540s時間內每倉耗料量為m耗=9×Δm=9×1.425=12.825t，即在540s周期內m補=m耗，各倉的耗料和補料達到動態平衡。

圖5畫出了Ⅳ倉的耗料時序，并將圖4中對Ⅳ倉的補料時序疊加在圖5中，形成了Ⅳ倉耗料補料時序圖。

圖5 IV倉耗料、補料時序

從圖5可看出，在540s周期中，Ⅳ倉共耗去骨料12.825t，同時在405秒至540秒補料周期內又補來了12.825t骨料，與0秒時的數量一樣。其他三個倉由于補料時間在Ⅳ倉之前，各自補料完成時的骨料總量均大于0秒時的數量。因此只要初始時各倉均有12.825t的骨料，便可確保稱量用料的要求。因此從理論上講，每倉初始存料量的最小值為Mmin=12.825t。

實際上，考慮到料倉的死角、料倉錐體部分的流動性、骨料的含水率、各倉耗料的不均勻性、補料時間的誤差等等，初始存料量要大于Mmin。

若取每倉初始存料量M=2Mmin=2×12.825=25.65t

式中：γ——砂、石骨料松散狀態的密度，一般取γ=1.4t/m3

系數0.7是考慮料堆上部由于安息角而不能填滿長方體的上部料倉的容積利用系數。

4倉總容積：4V=4×26.2=104.8m3

所以，對于180樓高位儲料倉，容量大約在100～120m3已足夠。

同理，對4m3主機生產率240m3/h的攪拌樓高位儲料倉，容量大約150～160m3。

3 粉料喂料形式的選擇

攪拌樓站粉料（水泥、粉煤灰、礦粉、其他粉狀摻合料）喂料裝置主要有旋轉喂料器、螺旋輸送機和空氣輸送斜槽。

其中旋轉喂料器應用較少，因其需配用氣力輸送裝置將低置筒倉中的粉料送入高位粉料儲料倉。一方面，高位粉料倉要擠占高位骨料倉的空間，迫使主樓總高度增加；另一方面，氣力輸送一般選用羅茨風機，其裝機功率較大，而料氣比較小，一般僅0.03～0.04t/m3，在輸送粉料進入高位粉料倉的同時，大量的多余氣體須從除塵器過濾排出，對除塵器的規格要求較高。

螺旋輸送機雖應用最普遍，但對生產率200m3/h以上的攪拌樓站，開始顯現其輸送能力的不足，造成喂料稱量時間過長而影響生產率。

從節能減排角度講，空氣輸送斜槽作為粉料喂料裝置是最理想的。例如4套輸送斜槽僅需一臺2.0m3/min的空壓機，裝機功率僅15kW。而4套螺旋機的裝機功率要18.5×2+15×2=67kW。因此相比螺旋機，輸送斜槽可減少52kW的裝機功率，這對節能減排是相當可觀的。

除此以外，輸送斜槽還有輸送能力大，一般可達120～180t/h，而?323螺旋機僅100t/h。特別適合大中型攪拌樓生產商品混凝土，可大大縮短第一罐的生產周期。

還有輸送斜槽在平面布置上可以彎折以繞開主樓立柱和斜撐等結構承重件。空氣輸送斜槽不僅可在新建樓站中選用，在舊設備改造中也可很方便地替換原有的螺旋機。因此，隨著節能減排理念的逐步被接受，空氣輸送斜槽在攪拌樓站中有廣闊的應用前景。

4 投料方式的選擇

稱量好的各種料投放到攪拌主機的過程稱為投料。對雙臥軸攪拌主機一般的投料過程是先投砂、石骨料，1～2s后投水，待80%～90%的砂、石料進入主機后再投水泥等粉料。整個投料過程大約在20s以內，其中砂、石骨料在15s以內投完。這種投料時序的優點簡單方便，既適合攪拌站設備也適合攪拌樓設備，同時可避免水泥等粉料粘附在攪拌機主軸上。但其缺點是砂石骨料集中在短時間內投入主機，對主機的沖擊較大，使主機電流峰值較高，且較大的攪拌電流要維持較長一段時間。同時，投料時間愈短，對主機除塵器的要求愈高。

從節能減排角度講，裹漿法投料工藝已逐漸被廣大商混用戶接受。裹漿法投料工藝是先投入砂和水，3～4s后投入水泥、粉煤灰，攪拌8～10s形成砂漿后再投入石子，使漿水裹覆在石子上再攪拌8～10s便可出料。其投料、攪拌、出料過程見圖6。

圖6 裹漿法投料工序過程

裹漿法投料工藝的優點是高效、優質、節能。這樣的投料、攪拌工藝在保證混凝土質量性能的前提下，對主機沖擊小，主機電流峰值小，主機電流高位經歷的時間短。同時投料時間拉長后對主機除塵器要求不高。商品混凝土技術較發達的日本，因廣泛使用裹漿法工藝，3.0m3雙臥軸攪拌機電機功率僅45kW×2，而我國同類主機功率均在55kW×2。

裹漿法投料工藝原先僅為攪拌樓設備可應用，現攪拌站設備略經改造或參數調整，也可方便地使用裹漿法工藝，這對擁有以攪拌站為主的我國來說，推廣應用裹漿法工藝對節能減排有相當大的現實意義。

5 變頻技術的應用

隨著變頻調速技術的日益成熟和發展，推廣應用到攪拌樓站后將對節能環保做出貢獻。

攪拌樓站可以應用變頻調速技術的部分很多，骨料輸送系統、粉料喂料系統、攪拌系統等都有成功應用的先例。例如：攪拌站平皮帶機和斜皮帶機因其輸送骨料是間斷的，因此在帶面上無料的時段，其帶速可以降低，以節省能耗。在料斗提升型式的攪拌站中，若應用變頻調速，除了在空斗下降時速度加快以縮短循環周期T提高骨料輸送效率外，還可在料斗重載提升初段和末段，逐步加速和逐步減速以減少沖擊，增加運行平穩性。

圖7 變頻運行與等速運行周期對比

圖7所示應用變頻調速的料斗運行曲線與等速運行曲線的對比。又例如用于粉料喂料的螺旋機采用變頻調速，可實現粗精稱量，既可滿足稱量的時間要求，又可保證稱量精度。至于攪拌主機應用變頻調速后，則可在完成攪拌時段后把主機轉速降低以等待接料輸送設備到位后出料。這樣既不浪費能耗，又可避免混凝土因攪拌時間過長而產生離析。

6 結 語

綜上所述，節能環保型攪拌樓站的設計應首選攪拌樓型式，同時高位骨料倉容量宜小不宜大，粉料喂料選用空氣輸送斜槽，投料攪拌選用裹漿法工藝，再在骨料輸送系統、粉料喂料稱量系統和攪拌系統等采用變頻調速技術等。以這樣的配置設計的攪拌樓站其節能效果是相當明顯的。若在總體布局中再利用地形高差以進一步縮短物料輸送距離和高度，則節能效果更能錦上添花。