鐵路粉煤灰裝卸系統的研究

徐金戈

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

如今，由于粉煤灰特殊的化學性質，可利用粉煤灰作為建筑材料，漂珠及作為肥料和微量復合肥料，在工業方面可從粉煤灰中回收鐵、碳、銅、鍺和鈧等多種物質。是一種用于建筑的能源材質，各行各業對粉煤灰的需求量愈來愈大。例如，水泥廠或混凝土攪拌站、高速公路建設、粉煤灰磚場等。粉煤灰存在地區供需不平衡問題，目前大部分地區均采用罐裝車公路運輸。當前，為了深入打好污染防治攻堅戰，正在大力推進大宗貨物運輸“公轉鐵”，并且隨著國家產業結構的調整以及新形勢下對環保的高標準嚴要求，針對此類污染較大的大宗散堆裝貨物的鐵路運輸品質提出了更高的要求，現有裝卸設備限制了粉煤灰運輸效率的提升，且難以降低運輸成本，影響了粉煤灰的綜合利用和發展。如何保證環保的前提下，提高運輸效率并根據散貨的吞吐量設計與之相適應的的裝卸工藝方案是亟待解決的問題，因此，本文開展鐵路粉煤灰裝卸工藝研究，旨在為粉煤灰裝卸設計提供參考。

1 運輸媒介

隨著鐵路貨物運輸朝著物流化發展，鐵路運輸品類逐漸增加，需要考慮運輸成本及效率，并依據貨物品類的環保要求，結合企業的實際情況，采取與之相匹配的運輸媒介。對于企業而言，運輸成本主要由滿載率及運輸過程中的損耗產生直接影響；而車底或箱體的周轉效率將直接影響運輸效率。目前，對于水泥、石灰石粉、粉煤灰等易揚塵污染大的此類散堆裝貨物，傳統的運輸方式主要采用“敞頂箱”“U型水泥罐車”“罐式集裝箱”等進行運輸。

目前的運輸媒介，對于實現高效的整列裝卸均存在一定的缺陷：敞頂箱僅適合在全封閉車間裝箱完成后，通過正面吊采取整箱裝卸的方式放入敞車，實現整列運輸，但無法在裝卸線上進行直接裝卸。傳統U型罐車及罐式集裝箱靜載重率低，運輸成本較高，需要通過向每個罐體中注入壓縮空氣進行卸料，實現整列裝卸成本過高。

表1 運輸媒介比較表

2 粉煤灰裝卸工藝

2.1 裝卸方式

粉煤灰裝車作業分為在線和離線裝車。本研究為滿足企業能夠通過鐵路進行高效轉運的需求，采用在線裝車方式。即將存放于儲存罐的粉煤灰，通過儲灰筒錐形伸縮放灰口，自動化控制放灰，粉煤灰通過輸料管進入緩沖倉，在通過輸料管放入U型水泥罐車或罐式集裝箱。并由靜態軌道衡等設備控制裝載重量進行裝車。

鐵路運輸的粉煤灰卸車作業同樣分為離線作業和在線作業。在線卸車適用于有專用線的企業及貨場，由于本研究中某水泥廠項目設有專用鐵路裝卸且運量較大，因此采用整車運輸。為滿足高標準的環保要求，粉煤灰采用U型水泥罐車、罐式集裝箱或敞頂箱進行鐵路運輸。運輸到站后通過氣力負壓輸送實現在線卸車作業。

2.2 粉煤灰裝卸工藝設計

氣力輸送系統通過管道對粉狀物料進行密封式輸送，與機械輸送相比，該方式不受天氣及氣候影響，不產生揚塵利于環境保護。且具有工藝布置靈活、結構模塊化便于保養及更換、維護費用低等特點。粉煤灰、水泥、煤粉﹑生石灰粉、硝石灰等粉粒狀物料均可通過管道進行氣力輸送。負壓抽吸主要用于輪船或火車等散裝粉體物料的轉移，如水泥、粉煤灰、礦粉等散裝物料的轉移入庫或直接裝入罐裝車運送到使用現場。負壓氣力輸送方式適用于短距離輸送，正壓氣力輸送方式則適合長距離、大輸送量的輸送工況。本研究將兩種方式相結合，得到粉煤灰裝卸的完整作業流程。

粉煤灰整列到達后，采用負壓氣力輸送方式。通過真空泵作為動力源，吸嘴作為供料裝置，物料同大氣一起從入口處進入輸送管道，通過負壓氣流輸送到緩沖倉。進入緩沖倉后采用空氣壓縮機作為動力源，氣力輸送送料泵作為供料裝置，物料由緩沖倉落入供料裝置內，并同時向輸送管道內注入高壓氣體，氣體和物料充分混合，使物料流態化并通過高壓氣流輸送到末端儲料罐。粉煤灰裝車作業與卸車流程相比僅需要正壓氣力輸送方式。儲料罐的氣力輸送送料泵通過空氣壓縮機作為動力來源，使物料進入送料泵并同時向送料管道注入高壓氣體，物料輸送至緩沖倉，緩沖倉的空氣壓縮機產生的高壓氣體使物料在其下方的氣力輸送送料泵中流態化，之后通過裝料管將物料輸送至罐車或罐式集裝箱中。根據敞頂箱與U型水泥罐車、罐式集裝箱的結構差異，敞頂箱的卸料及裝料口均采用頂部伸入內部進行作業，而U型水泥罐車及罐式集裝箱卸料口位于下側面，利用了現有罐車的下方出料口。不同運輸媒介的整體作業流程示意圖，詳見圖1、圖2。

圖1 粉煤灰敞頂箱裝卸整體作業流程示意圖

圖2 粉煤灰U型水泥罐車及罐式集裝箱裝卸整體作業流程示意圖

3 氣力輸送設備設計

3.1 負壓抽吸設備

負壓抽吸能夠根據實際需求采用不同的承載工具，分為固定式、移動式(導軌式、車載式)、船載式。經負壓抽吸卸料后，后續送料方式采用正壓氣力輸送。根據北京水泥廠項目的使用需求及現有站臺條件，本研究采用固定式負壓氣力輸送及正壓氣力輸送相結合的方式進行散裝物料U型水泥罐車或罐式集裝箱的卸車作業。

散裝物料負壓抽吸機利用真空泵產生負壓，吸嘴伸入敞頂箱、U型水泥罐車或罐式集裝箱內部，將物料與一定量的空氣混合后經過吸臂上的卸車輸料管送到分離裝置（除塵器）內。卸車輸料管采用軟管便于較大范圍移動。伸入敞頂箱的吸嘴頭部可通過兩側電控閥門，實現吸、放出口的切換。物料從空氣中分離后落下,進入緩沖倉；分離后清潔的空氣則由除塵器頂部經排風管道排出，經真空泵排氣口排入大氣。后續向儲料罐的輸送為正壓氣力輸送。氣力輸送送料泵即單倉泵作為正壓氣力輸送容器，通過壓縮氣體為對粉狀物料加壓從而實現較遠距離的管道輸送。該倉泵將壓縮氣體通過自上而下分布的三處進氣口，分別進入泵體，該種方式融合了推送及差壓式輸送器的優勢，充分使粉煤灰流態化。隨著不間斷的輸送，倉泵中處于上部的壓縮氣體積聚，從而轉化為靜壓能更加有效地壓送粉煤灰。中部進氣口的氣體則持續產生混合輸送物料的流態化作用。底部進氣口轉化的動壓能保持管道輸送效率。粉煤灰在送料管中為集團流運動，輸送末期形成快速的沙丘狀移動。空氣壓縮機能夠提供0.5～0.6MPa的壓縮氣體。粉煤灰通過送料管道最終進入儲料罐頂部的除塵器中，粉煤灰與空氣分離后持續進入儲料罐，直至卸車作業完成。系統布置及設備構成，詳見圖3。

圖3 粉煤灰卸車作業設備結構布置圖

本研究以某水泥廠項目為例，其中粉煤灰的氣力輸送量為120t/h，輸料起始點距廠區粉煤灰儲存倉距離為280m左右，輸送高度為30m。為保證作業效率站臺緩沖倉底可設置兩臺倉泵交替運行，保證送料連續性。另外，若增大存儲量新增粉煤灰儲存倉可以通過在輸料管線上安裝粉體兩路切換閥，并在接近存儲倉的末端增加管道分路。

3.2 正壓輸送設備

本研究中裝車作業通過兩次正壓氣力輸送完成。將粉煤灰存儲倉中的物料輸送至敞頂箱、U型水泥罐車或罐式集裝箱中，首先，落入儲存倉底部的發送泵中，通過壓縮氣體將粉煤灰通過輸料管送入緩沖倉頂部的除塵器，物料與空氣分離后落入緩沖倉。

該系統中緩沖倉采用鋼結構，緩沖倉作用在于保證粉煤灰在裝車過程中輸灰系統的連續性。緩沖倉容量的設置取決于裝車設備與輸料管之間的額定輸送能力的差值以及罐式集裝箱的載貨量，應能滿足裝車機、管道按額定能力運行，并在連續地裝滿罐式集裝箱時緩沖倉內仍保持部分余料。

整套輸送裝車系統采用全密封設計，避免裝車過程中的揚塵。由于裝車送料管運行范圍較大，故緩沖倉與輸送鋼質管道之間采用軟管連接。裝車作業需要對輸送量進行更精準的控制，因此，本研究中氣力輸送送料泵應使用稱重料位裝置，便于控制輸送量。系統布置及設備構成，詳見圖4。

圖4 粉煤灰裝車作業設備結構布置圖

4 結語

粉煤灰的鐵路裝卸系統有效地整合了負壓及正壓氣力輸送，通過管道氣力輸送實現了高效，穩定的鐵路敞頂箱、U型水泥罐車及罐式集裝箱的裝卸作業。并且輸送管道布置靈活性高，可依據生產規模進行多組裝卸設備及儲存倉的擴充。整個系統的密封性杜絕了作業流程中的粉塵污染，滿足了環保要求。但管道輸送能力受管徑、輸送距離的制約，需要依據不同的輸送距離和貨物吞吐量設計與之相適應的裝卸工藝方案。本文深入研究了鐵路粉煤灰裝卸流程，旨在為后續散堆裝貨物“公轉鐵”的裝卸工藝設計提供參考。