焦爐爐體加罩封閉技術改造方案分析

王愛霞

晉城鳳泰礦建工程有限責任公司，山西 晉城 048007

1 前言

為切實落實大氣、水污染防治行動計劃，強力推進污染治理，有效改善區域環境質量，根據國家、省有關法律法規、標準及臨汾市大氣污染防治行動指揮部辦公室的要求，結合項目實際情況［1］，對焦爐無組織排放進行深度治理，按照政府下達的時間提前完成整治任務，確保污染物排放到達《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業深度減排實施方案》規定。

2 超低排放政策與要求

焦爐生產過程中無組織面源產生的主要有害物質有煙塵、BaP、SO2、CO、NOX、CmHn、NH3［2］，污染物排放點位主要有：裝煤過程中，由于密封問題有煙氣從上升管、裝煤側、爐門等處逸散；推焦過程中，有煙氣從攔焦車、上升管子和熄焦車等處排放；煉焦過程中，焦爐本體、裝煤側、爐門及上升管蓋等處泄漏［3-4］。

臨汾市《關于環保部約談暨全市環保突出問題整改工作實施方案》，要求焦爐治理設施實施提檔升級，達到《煉焦化學工業污染物排放標準》中表2.2超低特別排放限值的規定。

（1）車間、生產設施的排氣筒（有組織排放）

表1 污染物特別排放限值 mg/m3

（2）焦爐爐頂（無組織排放）、企業邊界

表2 焦爐爐頂及企業邊界大氣污染物濃度限值 mg/m3

（3）臨汾市大氣污染防治行動指揮部辦公室關于印發《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業深度減排實施方案》的通知（臨氣指辦發〔2019〕35號）要求：19年10月底前焦化企業需要全面達到無組織排放源周邊1m處，顆粒物小于5mg/m3。

本次改造主要是為了落實《山西省打贏藍天保衛戰2019年行動計劃》的通知要求。綜上，本次方案污染物排放要求為：焦爐周邊1m處，排放顆粒物小于5mg/m3，經收集處理后的顆粒物有組織排放應小于10mg/m3。

3 改造方案分析

3.1 無梁拱棚頂改造方案

無梁拱頂棚也就是拱形波紋鋼屋蓋，其主要特點有：

（1）無梁無檁、結構無支撐、空間可以很開闊、跨度可達8～36m；

（2）結構造價低、投資少；

（3）設計、施工周期都很短（1萬m2頂棚施工周期僅需25d左右）；

（4）整體結構科學、合理，抗風、抗震性能良好；

（5）自重輕，對原有的基礎影響小，適合改造項目；

（6）造型美觀，色彩豐富，形式多樣；

（7）屋面集保溫、隔熱、通風、采光于一體；

（8）外觀美，堅固耐用，使用年限長；

（9）彩色鍍鋅鋼板，機械鎖邊鏈接；

（10）這種結構拼接時是內扣連接的，自然防水。

本次方案焦側跨度10500mm，凈高15000mm；機側跨度23500mm；凈高10400mm。無梁拱的起拱高度和鋼絲束應進行強度和穩定性計算。

圖1 無梁拱頂棚改造方案示意圖（單位：mm）

3.2 網架頂棚改造方案

網架是一種空間結構，由多根桿件依一定的網格形式的空間結構。工業上可用作雙向大柱距車間等建筑的屋蓋。

（1）桿件相互作用形成一個整體性非常好的結構，其空間剛度大、結構穩定；

（2）通過軸力傳遞桿件荷載，材料強度可以充分利用，因此其自重較輕。比混凝土輕70%～80%；比鋼結構輕20%～50%；

（3）抗震性能好。其自重輕、鋼材延性好，因此地震時產生的地震力小，其空間剛度大，結構穩定；

（4）構件高度小，能減小建筑物的總高度，大跨度的結構更為明顯。網架高跨比僅為1/14～1/20（普通鋼構件的高跨比通常為1/8～1/10）。

（5）建造速度快。由于網架桿件的材料、尺寸是相同的，因此可在工廠批量生產。由于不受現場施工環境影響，其質量好、效率高、可大大縮短工期。

（6）結構輕巧。形狀多樣，造型美觀大方。

（7）其缺點是匯交于節點上的桿件數量較多，其制作安裝較平面結構復雜。

（8）對于網架設計和制作不需要預起拱，網架的初始幾何缺陷（安裝誤差），對一些對整體穩定敏感的網架（殼）來說是很致命的一個因素。

本次方案焦側跨度10500mm，凈高15000mm；機側跨度23500mm；凈高10400mm。網架結構的桿件截面設計應根據根強度和穩定性計算確定。

圖2 網架頂棚改造方案示意圖（單位：mm）

3.3 兩種方案對比

這兩種方案在工藝安全上都是可行的，無梁拱棚頂改造方案和網架棚頂改造方案相比：

（1）無梁拱棚頂改造方案比網架棚頂改造方案的投資更少；

（2）無梁拱棚頂改造方案比網架棚頂改造方案的工期更短；

（3）網架棚頂改造方案比無梁拱棚頂改造方案結構剛度大、穩定性好。

4 方案設計注意事項

4.1 荷載取值

恒荷載：根據結構構件尺寸及材料重度按實際計算取值。

活荷載：初步可考慮按照不上人屋面考慮活荷載，取值為0.5kN/m2（當使用荷載較大或情況特殊時，按實際情況取值）

特殊情況：

（1）由于本次方案焦爐周圍溫度較高，因此在設計過程中要考慮由于溫度影響，可能發生的局部存在應力集中的情況（比如考慮雪荷載時，應當分析由于頂棚跨度較大，靠近焦爐區域的積雪融化速度快，遠離焦爐區域積雪融化速度慢，就會在頂棚上出現不均勻的雪載荷的情況）

（2）由于本次方案焦爐無組織深度治理項目主要對機、焦兩側頂部進行加罩，四周不做封閉處理，因此考慮風載荷時，要注意形成風洞的影響。

4.2 基礎設計

對于在原有結構上生根的部位，應當對原有結構基礎和承載能力進行校核；根據現場實際情況無法借助原有結構或者原有結構影響較大影響原有結構安全的部位，應當單獨設置基礎（比如機側外圍立柱，可在推焦裝煤車尾部滑線外側設置獨立基礎）

4.3 結構設計

在結構設計時應當注意以下內容：

（1）屋蓋靠近焦爐部分采用爐柱做支撐，遠離焦爐部分新做鋼柱支撐。

（2）考慮到焦爐焦側溫度較高，所以方案中考慮加高頂棚高度，在實際計算是應當考慮焦側溫度因素，若不滿足要求，可以采用隔熱措施。

（3）頂棚側上端圍護采用防風抑塵網，其高度應在設計時通過詳細計算確定。

（4）集氣管、荒煤氣、回爐煤氣管必須在設置在頂棚外部。

5 小結

本技術方案對焦爐機、焦兩側加罩處理提出兩種處理方案：無梁拱棚頂改造方案和網架棚頂改造方案。這兩種方案在工藝安全上都是可行的，兩種方案相比，無梁拱棚頂改造方案的投資更少、工期更短；網架棚頂改造方案結構剛度大、穩定性好。該項目實施后，可實現：無組織排放源周邊1m處，顆粒物小于5mg/m3，經收集處理后的顆粒物有組織排放小于10mg/m3。該工程是《山西省打贏藍天保衛戰2019年行動計劃》的通知中的技術試點工程，這一項目的順利實施將會為山西省焦化行業4.3m焦爐無組織排放達到特別排放限值提供有效參考，為解決山西省乃至全國焦化行業環保問題做出貢獻。