索风营水电站人工砂石骨料生产工艺的优化与探讨

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概述

    索风营水电站位于贵州省修文与黔西县交界的乌江六广河段，电站装机容量 60MW，大坝的坝型为RCC重力坝，最大坝高 115.8m。     本工程主体及临建工程的混凝土总量约 116万m³，其中碾压混凝土(RCC)为65.85万m³,常态混凝土50.15万m³。混凝土的综合配比为大石16.32%﹑中石29.19%﹑小石22.4%﹑砂32.08%。根据施工总进度安排，砂石系统建成后共需加工砂石成品料约254.1万t，其中大石41.48万t﹑中石74.18万t﹑小石56.92万t﹑砂81.52万t。加工砂石骨料的料源，有26万m³可利用工程开挖的渣料，尚有98万m³需用石灰岩进行人工机械破碎，石灰岩取自距砂石系统附近的对穿岩料场。     据施工进度、混凝土浇筑强度曲线，本工程最大月混凝土浇筑强度为11.24万m³，故索风营水电站人工砂石骨料系统的生产能力按11.24万m³设计，能同时或独立生产常态砂、碾压砂及喷锚混凝土所需的各级配骨料，但考虑到各施工期对骨料的不同需求，设有6.4万m³的成品储存量来调节骨料的生产与耗用的平衡。系统采用先进的中央控制和电视监控系统，主要加工设备采用了(法国产)国际最先进的石灰岩破碎设备及国内一流的筛分、脱水及分级设备，共安装有设备69台套，装机容量2800kW该系统于2001年9月26日开工，2002年4月12日联动试机投产成功，比合同工期提前了16d。     1、系统生产工艺流程及布置1.1  系统生产工艺流程     系统工艺流程见图1，经平衡计算各车间的处理量见表1。                                       表1 索风营水电站人工砂石骨料系统各车间的处理量 项目或车间 骨料直径/mm 合计 ＞80 80～40 40～20 20～5 2.5～5 ＜5 骨料配比/% — 16.32 29.19 22.40 32.09 100 成品料/t — 123 220 170 242 755 粗碎车间处理量/t 267 257.4 168.5 125.5 13.3 18.3 850 中碎车间处理量/t — 94 138 186 46 91 555 筛分(一)车间处理量/t — 94 307 312 59 108 880 细碎车间处理量/t — — — 233 56 201 490 筛分(二)车间处理量/t — — — 545 142 283 970                         1.2  破碎工艺及设备选型     破碎采用粗、中、细3段破碎，其中：粗碎采用开路；中、细碎采用与相应的筛分车间形成闭路循环生产工艺。     (1)  粗碎车间：设计生产能力为850t/h。车间内设置2台Nordberg公司生产的NP1313反击式破碎机， 作者简介：王忠录(1964-)，男，贵州省贵阳市人，高级工程师，从事水利水电建设施工管理工作。（该文已发表于《贵州水力发电》2004年第3期）。     并列运行，处理最大进料粒径为750mm，单机破碎能力可达470t/h。     (2)中碎车间：主要处理预筛分后的粒径大于80mm和部分40～80mm的石料，设计生产能力为700t/h。车间内设置2台Nordberg公司生产的NP1213反击式破碎机，并列运行，其单机破碎能力可达350～400 t/h。                              图1  索风营水电站人工砂石骨料系统工艺流程     (3)细碎车间：主要处理筛分(二)车间后的粒径大于5mm和筛分(一)经脱水后的2.5～5mm的石料，设计生产能力为500t/h，车间内设置2台Nordberg公司生产的VI400制砂机，并列运行，其单机破碎能力可达250～300t/h，产砂率为30～35%。由于该机的产砂率偏低，砂的细度模数偏大(M=3.3～3.8)，为满足设计对砂的细度模数(M=2.2～2.9)的要求，又增设了2台PL-8500立式破碎机来处理VI400制砂机经筛分处理后的回头料，其单机破碎能力可达80～160t/h，产砂率为50%～65%。     1.3  筛分工艺     筛分车间主要起筛洗及分级作用，分预筛分、筛分(一)、筛分(二)等车间。     (1) 预筛分车间：设计生产能力为850t/h，车间内设2台2YRK1845重型振动筛。振动筛采用双层筛网，上层筛网孔为75mm×75mm，下层筛网孔为37.5mm×37.5mm。对大于80mm的石料经梭槽进入中碎NP1213破碎；40～80mm的石料由胶带输送机送入成品仓，小于40mm的全部石料进入圆筒洗石机(圆筒洗石机单机生产能力230t/h，2台并列运行)，洗去泥土及小于2mm的石粉后，由胶带输送机送入筛分(一)车间；小于2mm的石粉经排水沟排入砂水回收系统，进行处理后再回收利用。     (2) 筛分(一)车间：设计生产能力为560t/h，车间内设1台2YRK2460圆振筛。圆振筛采用双层筛网，上层筛网孔为37.5mm×37.5mm，下层筛网孔为19mm×19mm。其中20～40mm和20～5mm的石料分别经胶带输送机送入成品仓；2.5～5mm的全部石料经ZKR1230脱水筛处理后，由胶带输送机送入制砂转料仓；小于2.5的粉砂流入1号回收池处理后再利用。     (3) 筛分(二)车间：设计生产能力为700t/h，车间内设1台3YRK2460圆振筛。圆振筛采用3层筛网，上层筛网孔为37.5mm×37.5mm，中层筛网孔为19mm×19mm，下层筛网孔为5mm×5mm。筛分(二)主要承担中碎以后骨料的筛分。其中大于40mm的骨料返回预筛分车间；40～20mm及20～5mm的石料可经胶带输送机送入筛分(一)或转料仓；小于5mm的石料直接由胶带机送入砂筛分车间。     (4) 砂筛分车间：设计生产能力为500t/h，车间内设4台2YRK2460圆振筛(主要处理2台VI400制砂机生产的砂料)和2台YRK2056圆振筛(主要处理两台PL-8500生产的砂料)。PL-8500生产的砂料含粉率可达20%以上，从而改善了RCC用砂的石粉含量。     1.4  设备配置     根据砂石料的特性和系统工艺流程计算后，系统主要设备的配置见表2。     1.5  系统布置     索风营水电站砂石骨料生产系统由储料场、粗碎车间、中碎车间、细碎车间、筛分车间、半成品料仓、转料仓、成品料仓及砂、水处理系统等组成。     粗碎车间设在左岸进场公路旁的山坡上，2台破碎机对称布置；半成品仓，上部设定点Y型架皮带机堆料，堆料高度为27m，料仓长75m，宽65m，容量为3.5万m³；成品仓由大石仓、中石仓、小石仓、2个砂仓组成，宽50m，长265m，总容量6.81万m³。     生产中经圆筒洗石机及脱水筛排放的小于2mm的砂、泥污水，经四级砂、水回收处理系统后，粉砂经2台4PS砂泵回收至螺旋分级机脱水后直接掺入成品砂中，主要用于调整砂的细度模数；废水经三级处理后回收利用(设计回收60%，实际回收达90%)；污泥排放到污泥回收池，用挖掘机挖装运至弃渣场。     2、系统设计的优点与存在问题     系统建成投产后，首先配合索风营电站“建设绿色环保水电站，开发清洁能源”的目标，在污水排放及治理大气污染上做了很多工作，在石粉回收及废水处理的回收利用方面都取得了较为明显效果。                                                    表2 系统主要设备选型与配置 设备名称 规格型号 铭牌产量/(t·h^-1) 设计产量/(t·h^-1) 数量/台 进料粒径/mm 功率/kW 反击式破碎机 NP1313 470 850 2 ＜750 200 给料筛 B13-56-2V 500 850 2 0～750 11 槽式给料机 900×2100 70～270 180 6 0～300 7.5 电子吸铁器 PCDC-10 — — 1 — 2.2 圆振筛 2YKR1845 500 850 2 ＜300 30 圆筒洗石机 TX1836 230 330 2 ＜40 75 反击式破碎机 NP1213 400 700 2 80～300 200 脱水筛 ZKR1230 70 50   ＜2.5 4*2 圆振筛 3YRK2460 280～880 700 1 0～80 45 立式破碎机 VI400 300 500 2 2.5～60 400 圆振筛 2YRK2460 280～500 130 4 2～40 37 立式破碎机 PL-8500 90～160 100 2 2.5～40 200 圆振筛 YRK2052 150～350 130 2 0～40 18 刮泥机 SFJ-16/2 80 60 2 0～2.5 11 砂泵 4PS 250 250 2 0～2.5 45 螺旋分级机 FG-15 100 75 2 0～2.5 15 脱水筛 ZKR1445 150 100   0～2.5 7.5*2 电磁振动给料机 ZG8 — — 20 0～80 2 自动识别电子皮带称 — 1000 850 1 0～80 2     2003年7月至12月主体工程需用骨料7.7万m³，为了满足RCC对用砂的要求而进行了工艺改进和调整，解决了砂的细度模数及石粉含量问题。     2004年1月至4月主体工程需用骨料21.6万m³，工艺改进主要解决了细度模数的稳定性及提高石粉含量问题。     2.1  关于粗碎、中碎、预筛分设备选型及工艺改进     (1) 在粗碎、中碎设备的选型上，根据石灰岩强度不高、易碎的特性，所选用的NP1313、NP1213反击式破碎机具有破碎比大，产品粒形好，能耗低等特点。粗碎设计单机生产能力为470t/h，但在破碎机开口为18cm时的实际生产能力可达760t/h，达到了设计总产量的89%；中碎设计单机生产能力为350t/h，但在破碎机开口为6cm时的实际生产能力可达480t/h，达到了设计总生产能力的73%，说明本系统中粗碎、中碎在设备配置上富裕过大。因此，只要粗碎、中碎处理的设计生产能力不超过1500t/h，仍以采用2台设备较为合理。     (2) 原设计中在棒条给料机下设有YKR1022圆振筛，将小20mm的骨料送入TX1530圆筒洗石机处理后再经1号皮带进入半成品料仓。但在毛料含泥量较高时，受圆筒洗石机处理能力的限制，使处理后的污水排放造成了污染，环保费用较高，故应该用皮带机输送出去作弃料处理，可大大降低下一工序的处理难度，这既能满足环保要求，同时也可降低运行成本。     (3) 本系统的中碎设备配置虽有富裕，但经预筛分进入的梭槽坡度(35o)偏小，影响堆料而造成中碎产量偏低，为此增设了附着式振捣器。对大于80mm骨料的梭槽坡度应改为38o～42o。     (4) 预筛分中小于40 mm骨料直接进TX1836圆筒洗石机，冲洗后大于2mm的骨料进入筛(一)再次冲洗。虽然该设备洗石效果较好，但重点应解决好骨料的脱水问题，若配合FX型螺旋分级机使用，则效果会更佳。     2.2  关于制砂工艺及设备配套的探讨     目前，大多数投入运行的和正在建设中的水电站人工砂石生产系统的制砂工艺，均沿用20世纪60至70年代的棒磨机制砂工艺，仅在部分大型水电工程中采用国外先进的制砂设备。国外先进的制砂设备虽然生产强度高，但生产出来的砂的细度模数偏大(较粗)，仍需采用棒磨机或其他办法进行补充，且有生产成本增加、细砂流失量大、耗钢量大及对环境污染严重等问题。     RCC对骨料要求较高的问题是砂的细度模数、石粉含量及相对稳定的含水量，故人工砂石生产系统研究的重点是：一方面是如何使人工砂达到高含粉量(17%～22%)、稳定的低含水率(6%以下)和波动小于0.2的细度模数(2.2～2.9)指标(高RCC坝中应用高石粉掺量，可降低水泥用量，从而降低水化热，改善RCC的泛浆弹塑性和可碾压性等综合性能)；另一方面是如何最大限度地将生产中95%的石粉回收利用和70%的废水回收再利用，以减少毛料的开采量，并使排放的废水达到国家环保规定的一次性排放标准，节约工程成本。     根据高RCC坝对砂细度模数、含水率等指标的特殊要求，针对石灰岩的特性，索风营人工砂石生产系统采用立轴式制砂机半干式制砂工艺，以消除粉尘对空气的污染，提高制砂产量及粉砂、废水的回收利用率；另外，要人为控制好砂的细度模数及颗粒级配，以改善碾压混凝土的性能，加快施工进度，降低运行成本。但在系统布置和工艺流程上存在如下问题：     (1) 若中碎、制砂相关联的设备一旦发生故障检修，成品料便不能生产，说明布置不够合理。解决的方法应将中碎与制砂系统完全脱离开，并增大转料仓容量(由650m³增大到3500m³)，使2个系统能单独运行，有6～8h的修理时间，高峰期便有提高产量的空间。     (2) 经转料仓进入制砂机的2条皮带，可改为1条皮带供给制砂机上部的受料仓后再分别以自落式供给制砂机。这既可减少皮带机数量及运行成本，又可降低物料直接冲击破碎腔上口，避免抛料头分料不均匀而损坏抛料头和衬板等问题。     (3) VI400制砂机对含水率过于敏感，当含水率为5%～10%时(大于10%时可进行湿法生产)，受线速度和含水率的限制，经筛分后的回头料中的2.5～5mm的骨料不容易再次破碎，并且容易造成堵塞抛料头和破碎腔护板，使产砂率和石粉含量降低；当含水率小于2%时，扬尘污染严重。因此，进行半干法生产时，含水率应控制在2%～5%为宜。     (4) 原设计砂的筛分是使用2层不同孔径的筛网来解决砂的细度模数问题，但实际操作中很难调整砂的细度模数，筛网更换的难度也较大，运行成本较高。试运行后改为单层筛网在同一层面分上下部设不同孔径筛网调整，6座圆振筛分别使用2.5mm×10mm、3mm×10mm、4mm×10mm的筛网，用给料量的大小来调整细度模数，从而实现了细度模数的调整。     (5) VI400制砂机生产砂的细度模数偏大(实测M=3.3～3.8)，用筛网调节细度模数又造成产量下降(设计产量260t/h；当M=2.7～2.9时实测产量仅为110～160t/h)，石粉含量也偏低(实测为11.5%～14.3%)。为了解决这一难题，利用泥沙在一定水压力作用下自然沉淀分离的原理，设计了一套砂、水回收系统。其工序为：刮砂机将砂刮入集砂坑后用砂泵抽砂，被搅拌后的浊水经回收槽流入下一级再回收；砂泵在一级沉淀池中回收0.63～2.5mm的粉砂，送入1号FC-15螺旋分级机，经ZKR1445脱水后的筛脱水与干砂混合后进入成品砂仓，一级回收18 t/h，脱水后砂的含水率为4.5%～5.6%，半干式制砂筛分后砂的含水率为1%～2%，两种混合后的含水率为2.5～3.5%，控制了砂含水率的波动＜0.5%。二级沉淀池主要回收经1号螺旋分级机处理后所溢流出的小于0.63mm的粉砂；大于0.08mm的粉砂和石粉，再用2PS砂泵抽到浓缩箱，经浓缩后进入2号螺旋分级机送至脱水筛；二级所回收的0.08～0.63mm的砂为5～7t/h，经回收的砂在25号、26号皮带上与筛分楼的砂混合后送入成品仓，经检测掺入回收砂混合后砂的细度模数降低了0.15，石粉含量提高了2%左右，实测为13.6%～17.1%。回收后掺入浓缩箱和2号螺旋分级机的溢流水流入3号水回收池，3号池将排除的泥进入干化池处理，而清水溢流入4号清水池回收利用。本系统的土建及设备的投资不大(总投资36万元)，但解决了人工砂石生产系统的环保难题，且经济效益明显，其中节约用水费用(0.75元/m³)可达125万元，粉砂0.08～2.5mm回收利用可节约费用(砂25元/t)180万元左右。     (6) 按DL/T5112-2000《水工RCC施工规范》要求，人工砂的石粉(d≤0.16mm的颗粒)含量宜控制在10%～22%，最佳石粉含量应经过试验确定。索风营大坝原设计的人工砂石粉含量为10%～17%，经专家组论证后对0.08mm以下的石粉含量作了调整，由于系统设备资源及工艺上已无潜力可挖，只有考虑增加设备投入，经综合比较后增加了2台PL-8500立轴式破碎机，并要求生产厂商将线速度由60m/s提高到70m/s，以增大破碎比和获取高石粉量。增加的制砂设备于2004年3月15日投入运行，在2004年4月20日检测得M值为2.7，误差为0.15；石粉含量为17%～21.8%、平均18.3%，于0.08 mm的石粉含量为11.6%～14.4%、平均12.8%。     3、结束语     索风营人工砂石生产系统，采用半干式制砂工艺，结合砂、水的充分回收利用，又对系统内场地进行了绿化，皮带及砂仓也增设了防雨、防尘棚，基本实现了工厂化管理；经过这2年多运行和改进，现系统运行稳定、可靠。因砂的细度模数稳定、石粉含量提高，使得2004年3月以后大坝RCC配合比中降低了6%的粉煤灰掺量，经济效益较为明显；并较好地解决了人工砂石生产的环保问题，大大降低了运行成本，为高碾压混凝土坝人工砂石骨料生产探索了一条新的路径，也为索风营水电站工程争创鲁班奖奠定了基础。 仪器编号       线膨胀系数（10^-6/℃）    复相关系数       标准差       时效类型 N_X1            5.972               0.996         2.071         微膨胀      N_X2              8.617                 0.985           2.419         微膨胀     N_X3              6.271                 0.990           2.065         微膨胀      N_D1              3.515                 0.976           3.301      先膨胀后微收缩      N₁               5.104                 0.699           6.862         微膨胀      N₂               2.315                 0.900           3.501      先膨胀后微收缩      N₃               6.085                 0.784           3.221         微膨胀 N₄               7.794                 0.982           2.056         微膨胀     （1）大坝布置了比较完整的安全监测系统，并随着坝体混凝土的浇筑施工进度，高程1022.0m以下的坝体内部监测仪器已按设计要求全部安装埋设完毕，监测仪器安装埋设质量及观测质量良好，观测值符合碾压混凝土坝的一般规律；     （2）施工期温度监测成果及时为坝体混凝土的浇筑碾压计划提供依据，指导了施工，达到了监测设计目的。