利用充氣膜棚進行煤炭倉儲的實踐

苗春光

(中國神華計劃發展部項目處，北京 100101)

0 引言

為保障生產的連續性，大型煤礦、選煤廠、火電廠、煤化工企業需在廠區內儲存大量的燃料煤和原料煤，儲存量從幾萬噸到幾十萬噸不等，此類煤炭需按照環保要求，實行全封閉存儲，儲存的方式有鋼筋混凝土筒倉和鋼結構全封閉煤棚[1]。氣承式充氣膜棚成本低、建造速度快、空間跨度大的優點被廣泛認同，并在大型體育館、倉庫等建筑行業得到實踐應用[2]。氣承式充氣膜棚的出現，打破了傳統的儲煤方式，為煤炭存儲提供了一種建造快捷且造價低廉[3]的新方式，神華巴彥淖爾公司對這種儲煤方式進行了首次實踐應用。

1 工程概述

1.1 建設位置

神華巴彥淖爾公司(以下簡稱公司)選煤廠，位于內蒙古烏拉特中旗甘其毛都口岸加工園區。該選煤廠洗選能力600萬t/a，建設有2座氣承式充氣膜儲煤棚，其中一座火車原煤倉儲棚400 m×110 m×42 m，倉儲量20萬t；一座汽運原煤倉儲棚232 m×100 m×38 m，倉儲量10萬t。

1.2 煤炭的存儲

汽車運輸來的原煤，進入汽車受煤槽(上設600 mm×600 mm篦子)，經篩分破碎后，通過皮帶轉載進入充氣儲煤棚，由堆取料機堆至棚內存儲。

火車運輸來的原煤，經翻車機卸入原煤緩沖倉(上設300 mm×300 mm篦子)，通過皮帶轉載進入充氣儲煤棚，由堆取料機堆至棚內存儲。

1.3 煤炭的取用

棚內堆取料機鏟斗旋轉，將堆存的煤炭取入刮板臂上，運往中心漏斗后，通過帶式輸送機運出氣模儲煤棚，如圖1所示。

圖1 工程實景Fig.1 Real scene of the project

2 充氣膜煤棚特征分析

充氣膜煤棚的基本原理是用氣壓撐起膜棚，形成空曠且密閉的工作空間[4]，如圖2所示。

圖2 充氣膜棚剖面示意Fig.2 Section of inflatable membrane shed

2.1 無梁柱設計

充氣膜棚是通過機械系統向室內空間充氣，使膜面逐漸膨脹成穩定形態，并承受外部荷載與作用的一種建筑形式[5]。室內外壓力差一般在250 Pa左右，相當于住宅樓1～9層大氣壓差，普通人生理上并無感覺。由于是氣壓承載，充氣膜結構內并無梁柱，空間高跨比[6]一般為1/4～1/2，結構跨度最大可達180 m，長度可達1 km。

2.2 覆膜特性

力學性能[8]:覆膜材料是中等強度的PVC膜，厚度1.0 mm，彈性模量較低，但它的拉伸強度相當于鋼材的一半，這有利于膜材形成復雜的曲面造型。

透光性能：覆膜膜材料可濾除大部分紫外線，防止內部物品褪色，對自然光的透射率可達10%，透射光在結構內部會產生均勻的漫射光，無陰影，無眩光，具有良好的顯色性。夜晚在周圍環境光和內部照明的共同作用下，膜結構表面發出自然柔和的光線。

保溫節能[9]：氣承膜結構簡單，沒有搭接件，密閉性良好。氣承膜結構的高反射率、輕質保溫材料以及全密封結構，使得其比鋼結構儲煤棚保溫方面節能70%左右。

防火性能：覆膜材料具有很好的阻燃和耐高溫性能，滿足防火標準。

自潔性能[9]：經過特殊表面處理的PVC膜材具有很好的自潔性能，雨水會在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。

3 鋼結構煤棚特征分析

鋼結構儲煤棚是目前應用較多的儲煤方式，形狀有圓形或條形[10]。儲煤棚底部由鋼筋混凝土側墻組成，頂部由鋼網架結構頂蓋構成[11-12]，網架頂蓋上設有采光板。如圖3所示。

圖3 鋼結構煤棚剖面示意Fig.3 Section of steel structure coal shed

建筑結構穩固[13]，耐久度高：鋼結構儲煤棚采用鋼筋混凝土圍墻及鋼網架結構組成，建筑結構堅固，耐久性高。

結構強度高，抵御機械破壞能力強：鋼筋混凝土和鋼網架均有一定的抵抗機械破壞能力，對棚內作業機械的碰撞具有一定的抵御能力。

受環境氣候影響小：鋼網架結構堅固，對自然界強風、暴雪等抵抗能力強，在惡劣自然條件下能夠維持棚內工作環境。

4 充氣膜煤棚在選煤廠的應用分析

考慮到筒倉不適宜大體量存儲，公司主要對充氣膜棚和鋼結構棚的存儲方式進行了對比分析。

4.1 充氣膜棚的優點分析

棚內簡潔，利于機械作業:氣膜式儲煤棚全憑氣壓支持起整個充氣膜棚，不需要剛性支撐，棚內無梁無柱；其最大跨度可達180 m，長度不限可任意延伸；在同等跨度情況下，其高度也能比其他建筑形式高出3～4倍，利于巨型機械在內部回轉和移動。

全封閉環境，節能保暖:透光膜設計減少了室內光照的能量消耗[3]；發散光設計不僅使室內光照無死角，還做到了省電高效；充氣膜棚可保證棚內溫度在合理范圍，在北方冬季酷寒的外部環境下，無需對機械設備做特殊的保暖處理，機械和車輛能正常運轉。

造價低廉[10]:在前期方案比選階段，公司將充氣膜棚與鋼結構煤棚進行了比較。鋼結構煤棚需要建造鋼筋混凝土結構底座、鋼筋砼結構受煤坑、鋼筋砼落煤塔、鋼結構屋面、壓型鋼板頂圍等，建造工程復雜，人工、鋼材、土建的費用較高，且需對地基進行局部加固。而充氣膜棚施工簡單高效，成本低廉。經測算，建設的2座充氣膜棚造價11 707萬元，而同等容積的鋼結構煤棚造價16 084萬元，充氣膜棚相當于鋼結構煤棚造價的70%。如圖4所示。

圖4 充氣膜煤棚和鋼結構煤棚造價對比Fig.4 Cost comparison between inflatable membrane coal shed and steel structure coal shed

維護保養簡單:鋼結構儲煤棚防腐性能差，在涂刷防腐油漆的基礎上仍需定期檢查銹蝕程度[12]，保障結構安全，此項維護工作量較大，費用偏高且影響生產。而充氣膜棚的膜材具有耐酸堿腐蝕、耐老化的特點，理論上可25 a不做更換。

良好的抗震性:充氣膜棚輕盈的結構，使其具有良好的抗震性能，不存在老化墜落物傷人現象。即使出現意外的塌膜現象也不會對昂貴的生產設備造成破壞，更能保證棚內人員的安全。

4.2 充氣膜棚的缺點分析

4.2.1 除塵難度高

起塵因素:棚內的作業設備是起塵的主要因素，包括堆取料機的來煤堆存、輪斗取煤、邊角煤的清理、皮帶轉運環節等。

降塵措施[14]:第1種是噴霧降塵，即在充氣棚頂部布置噴霧降塵管路，在適當間隔位置布置電動蝶閥，實現間隔噴霧降塵、限時噴霧降塵等多種噴霧方式；第2種是霧炮降塵，即增加6臺射程80 m的霧炮機降塵，設備功率30 kW，每2 h啟動一次，啟動20～40 min；第3種是在起塵點降塵，即在皮帶轉載點增設擋塵簾，堆取料機輪斗位置增加噴霧嘴等。

降塵效果:公司采取了多種除塵措施相結合的方式，其中霧炮降塵效果最為明顯，但由于煤質干燥(外蒙古進口煤炭)，棚內仍有少量煤塵揚起，棚內人員需佩戴口罩作業。

4.2.2 密閉空間有瓦斯聚集的可能

瓦斯積聚的原因[16]:棚內存儲的煤炭屬于低瓦斯煤，在存儲過程中也會少量釋放瓦斯氣體。由于充氣棚天然的密閉條件，棚內部四角空氣弱流動區域，存在瓦斯聚集的可能，具有一定的瓦斯爆炸隱患(爆炸濃度限值5%～16%)。

采取的措施:雖然開采出的煤炭極少釋放瓦斯，但不排除煤塊裂隙中釋放微量瓦斯，出現瓦斯聚集濃度超限情況。為做到絕對安全，充氣膜棚頂部和四角均布設透氣小孔，排除瓦斯聚集的可能。同時，充氣棚頂部和四角區域安裝多臺瓦斯傳感器，24 h監測瓦斯濃度，在運行過程中無瓦斯讀數。

4.2.3 維持內部空氣壓力持續消耗電能

為維持充氣棚內氣壓，保障充氣棚的支撐力，充氣棚內共安裝有39臺40 000 m3/h的風機，通過控制系統控制風機交替作業，正常運行時16臺風機啟動。同時，為保障停電情況下的充氣棚安全，系統配備了應急自啟動柴油發電機3組，作為自備應急電源。經生產單位統計，為維持充氣棚內壓力，充氣棚年耗費用約97萬元，其中39臺風機年耗電量1.30×106kWh，電費57萬元；3組應急自啟動柴油發電機的日常保養、調試等，耗費40萬元/a。如圖5所示。

圖5 充氣膜煤棚耗電量統計Fig.5 Power consumption statistics of inflatable membrane coal shed

4.2.4 氣模外表脆弱易損壞

充氣模棚外表脆弱，不能抵抗鋒利物件或機械設備的剮蹭。2012年10月，大風將院內一塊彩鋼板刮起，劃破充氣膜棚外表，造成漏氣無法使用，經20 d的返廠修補后，充氣膜棚得以重新安裝使用。

5 結論

(1)傳統的煤炭封閉存儲主要方式有鋼結構棚、混凝土筒倉2種。充氣膜煤棚作為一種新型的煤炭儲存方式，特點鮮明，逐漸被行業接受，應用將會越來越廣泛。

(2)充氣膜煤棚的特點是施工周期短、造價低廉、棚內空間寬闊且密閉節能，但降塵難度大、持續耗電保障風壓、外表易損壞。

(3)鋼結構煤棚恰恰相反，具有運維費用低、無需持續通風保障風壓、外表堅固，但建設周期較長、基礎工程量巨大、造價較高且棚內結構復雜活動空間受限、密閉性較低、保溫較差等特點。

(4)在工程實踐中，需要根據工程所處的環境、工程使用功能及項目實際情況等綜合考慮。尤其是生產過程中有揚塵情況時，充氣膜棚作為工業生產車間使用還存在不足之處，需在今后進一步探索和解決。