山西焦煤集团霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司选煤厂(以下简称吕梁选煤厂)为中央型选煤厂,设计入选量为3.00 Mt/a,主要入选霍州煤电吕梁山公司所属木瓜、店坪两矿原煤。选煤厂主要洗选工艺为:选前脱泥,块煤采用有压三产品重介质旋流器分选,粗煤泥采用三锥角水介质旋流器分选,细煤泥采用机械搅拌式浮选机浮选。该厂主要产品为优质焦精煤(灰分≤10.50%、硫分≤1.0%、挥发分≤23.00%)和发热量为16.74 MJ/kg的洗混煤。选煤厂精煤产品销售采用两种方式:一是通过汽运方式运往站台,通过铁路进行销售,这是主要销售方式,约占总销量的75%以上;二是通过公路汽运直接进行销售。洗混煤产量中约60%供给园区方山发电厂,剩余40%全部通过公路汽运进行销售。

选煤厂原设计精煤产品仓3个,每个仓容量为3 600 t,总容量为10 800 t;设计洗混煤产品仓1个,仓容为3 900 t。根据选煤厂生产情况,每天生产精煤约6 000 t,生产洗混煤650 t,现有精煤仓最大仓容仅能满足1.8 d缓存,洗混煤能满足6 d缓存。可见,产品库容不足,特别是精煤仓缓存天数过少,已成为制约选煤厂高效连续生产的最大瓶颈。

气膜式储煤场是气膜建筑深化煤炭行业应用的一种新型建筑结构形式。气膜结构依靠离心式风机,向室内不断充气,使室内外产生一定压力差(通常为100～200 Pa),室内外的压力差使膜布受到一定的向上浮力,从而实现较大的跨度[1]。用膜材料做成的封闭空间,加以固定、充气后,配以专用的钢索系统,成为能抵御风、霜、雨、雪的封闭式独立运行煤炭储运建筑。气膜式储煤场充气后内部无梁柱等空间结构,空间利用率极高,气膜建筑的架设、维护及更换都极其方便。

在此之前,气膜式结构在国内多应用于体育场馆、展览中心等民用行业,在工业应用上较少。近些年,国内工业企业环保标准不断提高,各级政府部门法律、规范也对储煤场的全封闭提出明确了要求,如《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》《山西省人民政府关于印发山西省落实大气污染防治行动计划实施方案的通知》和《山西省煤场扬尘污染防治技术规范》等文件,明确要求储煤场需做到全封闭运行,故全封闭、安全、环保,专门针对煤炭储存特点的新型气膜结构储煤场应用不断增多,技术趋于成熟[2]。

吕梁选煤厂为解决产品仓缓存能力不足的问题,经过考察论证,将原先露天精煤场(约3 950 m2)和中煤场(约3 350 m2)改建为气膜封闭式储煤场。

工程施工结束后,封闭式精煤场库容达到2.5万t,总精煤库容量接近3.6万t,精煤缓存天数可增至6 d;封闭式洗混煤场库容达到约3.0万t,总容量接近3.4万t,完全满足了生产需求。改建施工平面示意图如图1所示。

在煤场中,分别设置汽车通道,以方便转运。在精煤场还特别设置了精煤落地带式输送机及回煤刮板输送机,以方便精煤落地缓存及二次转运销售,最大限度地减少了机械车辆的使用。已建成的精煤场示意图如图2、图3所示。

相比于传统使用的钢结构储煤场和砼式储煤场,气膜结构的主要性能表现在以下方面:

吕梁选煤厂选用中等强度的PVC膜,其厚度仅0.75 mm,但它的拉伸强度相当于普通钢材的一半,而且柔韧性好,有利于膜材形成复杂的曲面造型[3],充分适应改扩建复杂的场地要求。

选用的膜材对自然光的最大透射率可达25%,透射光在结构内部产生均匀的漫射光,无阴影、无眩光,有利于减少人工照明[4]。

单层膜材料的保温性能与190 mm厚砖墙相同,尤其是在北方地区,冬季使用优势明显。

膜材基材上涂装各种涂层后,可实现耐各种强酸强碱腐蚀、耐老化、阻燃和耐高温等特性,在免维护的情况下使用寿命可达10～20年,甚至更长,是其他材料无法比拟的。

气膜式储煤场是PLC全智能监控建筑体系,吕梁选煤厂储煤场建成体系包括:自动化模块控制系统、室内外环境监控系统(含压力、温度、风速等)、瓦斯监测排放系统、消防灭火系统、粉尘浓度监测控制系统、备用电源系统等[5]。

有了这些系统,借助APP客户端,用户可以远程掌控气膜储煤场运行情况,并根据需要设置各项运行参数的自动报警提醒。气膜式储煤场的这些智能化手段给用户提供了便捷的管理模式,大大降低了人员巡视巡查的工作量。

气膜式储煤场可实现全封闭环保运行,煤场内瓦斯、粉尘、消防、照明等设施一应俱全。气膜式储煤场投用后,增大了选煤厂产品库容量,消除了潜在的煤炭失盗隐患,彻底杜绝了煤炭产品露天堆存带来的煤尘飞扬、泥水横流现象,极大改善了煤场周边环境;另外,膜材半透光的特征,大大减少了日间室内光照的能量消耗[6];在夜间,膜材独特的发散光设计使室内灯光照明实现全覆盖无死角,充分保证夜间运行安全。

气膜式储煤场内部无梁柱结构、无刚性支撑,仅凭微气压(约100～200 Pa)即可支持起整个建筑体系,因此可得到更大的完全净空的建筑空间[7],这是相比其他结构形式最大的优势。

此外,气膜式结构还具有更加灵活的建筑方式,一般的储煤场都是在原有建筑的基础上进行改造,传统的建筑结构对于异型结构设计施工较为复杂;而气膜的曲面可以依据现场实际条件任意变化,降低了设计和施工难度。

气膜式储煤场为全封闭的环境,加之膜材本身具有一定吸热储能特性[8],在晋西北吕梁山区严寒的冬季环境下,膜内温度可比室外高出5～10 ℃,大大有利于机械车辆的正常运转和人员正常作业。

与钢结构相比,由于气膜建筑自身较轻,受力主要为上扬力,对于基础与墙体比钢结构等传统建筑要求降低[9],明显减少了墙体与基础的造价。经过核算比较,吕梁选煤厂储煤场如果采用传统钢结构设计,基础及挡墙的混凝土方量将增加2 663 m3,用钢量增加1 871 t,安装费用高出60%,工程总造价高20%～30%。

气膜式储煤场采用透光膜设计,白天能够充分利用日照光度,少量或无需补光,夜晚利用高效节能的二次漫反射专利照明系统,大大节约了照明用电。另外,气膜式储煤场是全智能式建筑体系,其风量、照明控制等都是可控可调的,节能效果显著。

钢结构储煤场的结构构件在煤炭行业高污染环境下须3～5年重新涂刷防腐涂料,7～10年更换彩钢板围护,总维护费用可占到原投资1/3[10]。而建筑膜材耐各种强酸强碱腐蚀,耐老化,在至少10年的使用期内不用维护。传统结构形式与气膜结构形式主要指标对比结果见表1。

完善的安全机制,使用的可靠性,较大的安全冗余,故障的多重应对措施,保障气膜式结构储煤场在无人值守情况下安全高效运行。

根据数据,气膜建筑的质量每平方米仅为3 kg左右(包括膜材与网索),同样面积的气膜与钢结构相比,气膜质量仅为钢结构的5%～10%,质量极轻,保证了气膜建筑的安全运行;另外,膜材表面光滑,气膜内部没有任何结构件,煤尘无法沉积,消除了安全隐患。储煤场内所有电气设施全部选用防爆型号,基本实现了安全运行。

传统的钢结构储煤棚需要消耗大量的钢材和混凝土。钢材和水泥在生产的过程中,都是需要消耗大量的资源,并产生大量碳排放。据有关数据统计,生产1 t钢材通常需要消耗0.74 t的标准煤,并产生1.90 t的二氧化碳排放[11]。吕梁选煤厂项目若采用传统的钢结构储煤棚大约需要2 400 t钢材,若选用气膜式结构,则可节约标准煤1 776 t,减少产生二氧化碳4 560 t。

气膜式储煤场具有传统建筑结构无法比拟的优势,其环保特性卓越,能源和空间利用率高,监控体系智能化,建设运营成本低,运行模式独立且全封闭,建设施工周期短,极大契合了目前煤炭行业环保项目投资的主要方向,必将在煤炭行业得到较好地推广应用。