楊繼敏

（中冶華天工程技術(shù)有限公司煉鐵事業(yè)部，安徽馬鞍山243000）

1 引言

隨著鋼鐵行業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)能過(guò)剩、原材料成本上升已經(jīng)成為大部分鋼鐵企業(yè)陷入微利甚至虧損的主要原因，降本增效已成為各鋼鐵企業(yè)所采取的重要措施，而高爐煤粉噴吹系統(tǒng)在高爐生產(chǎn)過(guò)程中能夠有效節(jié)約焦炭用量，降低生鐵成本。

高爐噴吹煤粉工藝種類繁多，按噴吹罐布置方式可分為并罐布置和串罐布置，噴吹罐布置目前以并列式為主，并罐式布置相較串罐式布置占地面積大，但投資少，消耗能源少，設(shè)備維修費(fèi)用少。采用并罐布置方式,噴吹罐的數(shù)量和配置方式主要有2噴吹罐、3噴吹罐和4噴吹罐。

本文結(jié)合某1280 m3高爐（最大噴煤量200 kg/t·Fe、噴吹量32 t/h）噴煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了噴吹罐組的設(shè)計(jì)布置特點(diǎn)。

2 噴吹罐組的設(shè)計(jì)

2.1 噴吹罐結(jié)構(gòu)形式

煤粉氣力輸送技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高爐噴吹煤粉的重要環(huán)節(jié)，要求煤粉在高壓、密相條件下穩(wěn)定、可控的輸送到高爐，其中噴吹罐是輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其操作性能與煤粉輸送量以及輸送穩(wěn)定性等密切相關(guān)，直接影響到高爐噴吹的穩(wěn)定性及高爐爐況。本次設(shè)計(jì)噴吹罐選用上出料式、底部流化結(jié)構(gòu)，罐頂設(shè)安全閥。為防止煤粉在罐錐部結(jié)拱堵塞，降低煤粉被壓實(shí)的程度，增強(qiáng)煤粉流動(dòng)性，在噴吹罐錐段設(shè)置點(diǎn)式流化器。

2.2 噴吹罐組的布置方式

考慮到噴吹的穩(wěn)定性、可靠性，噴吹罐組采用三罐并聯(lián)的布置方式。三罐并聯(lián)布置的優(yōu)點(diǎn)是可以在一個(gè)噴吹罐檢修時(shí)，仍然能夠用兩罐連續(xù)噴吹，不影響高爐噴煤，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氮?dú)獾幕厥铡＿@項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅節(jié)約了大量氮?dú)?，還可以減少卸煤粉時(shí)落煤管及充、排壓系統(tǒng)閥門設(shè)備的開(kāi)、閉次數(shù)，增加閥門設(shè)備的使用壽命。

2.3 噴吹罐容積計(jì)算

三臺(tái)噴吹罐并列式布置形式是三個(gè)罐進(jìn)行輪流交替噴吹，當(dāng)其中兩個(gè)罐交替時(shí)存在一個(gè)倒罐周期。對(duì)于三罐并列式布置形式，倒罐周期基本與倒罐操作時(shí)間相同。倒罐操作時(shí)間包括噴吹罐排壓時(shí)間、裝煤時(shí)間、充壓時(shí)間以及閥門的動(dòng)作時(shí)間，一般倒罐操作時(shí)間控制在20 min左右。此外根據(jù)《煉鐵工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》，噴吹罐容量宜按維持噴吹25～40 min設(shè)計(jì)，倒罐周期初步定為35 min。

噴吹罐的最小幾何容積可根據(jù)以下公式計(jì)算:

式中：V為噴吹罐最小幾何容積，m3；T為倒罐周期，h；φ為煤粉裝載系數(shù)，一般取為0.8～0.9；Q為系統(tǒng)最大噴吹能力，t/h；γ為煤粉堆密度，一般取為0.6～0.65 t/m3。

對(duì)噴煤罐而言，應(yīng)將求得的容積擴(kuò)大一些，以保證罐內(nèi)的煤粉快要噴完時(shí)，罐底部仍留有一層“操作”煤粉量（ 一般為 2～3 t），避免煤粉層被“ 擊穿”，而造成向高爐“空吹”。因此噴吹罐的計(jì)算幾何容積為：

式中：V'為噴吹罐計(jì)算幾何容積，m3；K為罐內(nèi)煤粉有效噴吹率，取 0.8～0.95。

本次設(shè)計(jì)，取 T=0.58 h；φ=0.85；Q=32 t/h；γ=0.6 t/m3；κ=0.9，將以上參數(shù)帶入公式（ 1）、（ 2），求得:

根據(jù)以上計(jì)算，噴吹罐最終幾何容積取為40 m3。

3 倒罐操作時(shí)間的計(jì)算

根據(jù)以上所確定的噴吹罐容積，利用氣體動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)計(jì)算倒罐操作時(shí)間。倒罐操作時(shí)間包括噴吹罐排壓時(shí)間tp、噴吹罐裝煤時(shí)間tz、噴吹罐充壓時(shí)間tc、閥門動(dòng)作時(shí)間td。通過(guò)計(jì)算倒罐操作時(shí)間，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)定的倒罐周期T是否滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，已知的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

噴吹罐容積V＇=40 m3,充壓氮?dú)夤迚毫s=1.0 MPa（ 表壓）；噴吹罐壓力 Pg=0.8 MPa（ 表壓）；大氣壓力取為P0=0.101 MPa；充壓管為Φ76×4 mm無(wú)縫鋼管，內(nèi)徑為68 mm；排壓管為Φ108×4 mm無(wú)縫鋼管，內(nèi)徑為100 mm。

3.1 噴吹罐排壓時(shí)間

噴吹罐并列式布置方式，倒罐時(shí)采用常壓倒罐形式，即采用把噴煤罐壓力放去直到零后才向噴煤罐裝煤。排壓時(shí)間即為由罐壓Pg泄壓至常壓P0所需要的時(shí)間。其計(jì)算公式為：

式中：κ為空氣絕熱指數(shù)，一般取1.4；τ為充放氣時(shí)間常數(shù)。

式中：V為噴吹罐計(jì)算幾何容積，m3；S為排氣通道有效截面積，mm2；Ts為介質(zhì)絕對(duì)溫度。

根據(jù)已知的排壓管徑可算得S=7854 mm2。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)際情況，噴吹罐噴完后，罐內(nèi)溫度取為30℃，即 Ts=303 K。 將已知參數(shù)帶入公式（ 3）、（ 4），求得tp=54.5 s。

3.2 噴吹罐裝煤時(shí)間

所謂裝煤時(shí)間就是煤粉從煤粉倉(cāng)內(nèi)裝入噴吹罐所需要的時(shí)間。一般裝煤過(guò)程較復(fù)雜，料流速度受到下料管直徑、煤粉組分及下料方式等影響，因此很難計(jì)算準(zhǔn)確的下料速度，計(jì)算時(shí)主要采取經(jīng)驗(yàn)值。煤粉倉(cāng)出口下料方式采用點(diǎn)式流化下料，即在煤粉倉(cāng)錐部安裝上下兩層共16點(diǎn)點(diǎn)式流化器。通過(guò)點(diǎn)式流化使煤粉倉(cāng)底部區(qū)域形成一定的流態(tài)化，這種方式料流穩(wěn)定，下料能力好。裝煤時(shí)間可根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：V料為下料流速。本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)式流化下料，下料管徑為DN300 mm，下料速度取4 t/min。

將已知參數(shù)帶入公式（5），求得下料時(shí)間tz=3 min。

3.3 噴吹罐充壓時(shí)間

噴吹罐充壓即在噴吹罐裝粉后，將罐壓由常壓P0充至罐壓Pg的過(guò)程。由于此時(shí)噴吹罐已裝載煤粉，因此計(jì)算時(shí)充氣氣罐的容積要考慮煤粉所占體積。

噴吹罐裝煤量為：q=T×Q=0.58×32=18.56 t， 因此噴吹罐需充氣部分容積為：

式中：ρ煤為煤粉真密度，一般取為 1.3～1.4 t/m3，取 ρ煤=1.35 t/m3，將各已知參數(shù)帶入式（ 6），可求得 V充=26.3 m3。

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，密閉容器在充氣過(guò)程中，壓力逐漸上升，但只要內(nèi)部壓力P≤0.528 Ps,則其充氣流速為聲速，氣體流量也保持常數(shù)，容器內(nèi)壓力隨時(shí)間呈線性變化；當(dāng)容器內(nèi)壓力大于臨界壓力后，則容器壓力隨時(shí)間呈非線性變化。因此，充氣時(shí)間應(yīng)分段考慮。

充壓氣源為常溫氮?dú)?，溫度取?0℃。首先按照式（4），計(jì)算沖壓時(shí)間常數(shù)

沖壓時(shí)間根據(jù)罐內(nèi)壓力分段計(jì)算，當(dāng)罐內(nèi)壓力P≤0.528 Ps時(shí)：

當(dāng)罐內(nèi)壓力P＞0.528 Ps時(shí)：

將各參數(shù)帶入求的充壓時(shí)間:

3.4 閥門動(dòng)作時(shí)間

閥門動(dòng)作時(shí)間是指倒罐操作過(guò)程中，與之相關(guān)的各閥門設(shè)備開(kāi)、閉所需要的時(shí)間，這主要包括鐘閥、充壓閥、補(bǔ)壓閥、泄壓閥、噴煤閥等設(shè)備的操作時(shí)間。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，閥門操作時(shí)間一般為1～2 min，本次取td=2 min。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果求得總的倒罐操作時(shí)間為：

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，倒罐操作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于噴吹罐設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)設(shè)的倒罐操作周期，噴吹罐容積大小及布置方式能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）高爐噴吹系統(tǒng)采用三罐并列式布置方式，可有效保證噴吹系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足高爐連續(xù)噴吹的要求，為維持高爐長(zhǎng)期順行創(chuàng)造了條件。

（3）煤粉噴吹系統(tǒng)的高效運(yùn)行，提高了噸鐵噴煤量，減少了焦炭消耗量，有效降低了生鐵成本。

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