1280m3高爐噴煤系統噴吹罐組設計

楊繼敏

（中冶華天工程技術有限公司煉鐵事業部，安徽馬鞍山243000）

1 引言

隨著鋼鐵行業的高速發展，產能過剩、原材料成本上升已經成為大部分鋼鐵企業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所采取的重要措施，而高爐煤粉噴吹系統在高爐生產過程中能夠有效節約焦炭用量，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，設備維修費用少。采用并罐布置方式,噴吹罐的數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）噴煤系統設計介紹了噴吹罐組的設計布置特點。

2 噴吹罐組的設計

2.1 噴吹罐結構形式

煤粉氣力輸送技術是實現高爐噴吹煤粉的重要環節，要求煤粉在高壓、密相條件下穩定、可控的輸送到高爐，其中噴吹罐是輸送系統的關鍵設備，其操作性能與煤粉輸送量以及輸送穩定性等密切相關，直接影響到高爐噴吹的穩定性及高爐爐況。本次設計噴吹罐選用上出料式、底部流化結構，罐頂設安全閥。為防止煤粉在罐錐部結拱堵塞，降低煤粉被壓實的程度，增強煤粉流動性，在噴吹罐錐段設置點式流化器。

2.2 噴吹罐組的布置方式

考慮到噴吹的穩定性、可靠性，噴吹罐組采用三罐并聯的布置方式。三罐并聯布置的優點是可以在一個噴吹罐檢修時，仍然能夠用兩罐連續噴吹，不影響高爐噴煤，并且能夠實現對氮氣的回收。這項技術的應用不僅節約了大量氮氣，還可以減少卸煤粉時落煤管及充、排壓系統閥門設備的開、閉次數，增加閥門設備的使用壽命。

2.3 噴吹罐容積計算

三臺噴吹罐并列式布置形式是三個罐進行輪流交替噴吹，當其中兩個罐交替時存在一個倒罐周期。對于三罐并列式布置形式，倒罐周期基本與倒罐操作時間相同。倒罐操作時間包括噴吹罐排壓時間、裝煤時間、充壓時間以及閥門的動作時間，一般倒罐操作時間控制在20 min左右。此外根據《煉鐵工藝設計規范》，噴吹罐容量宜按維持噴吹25～40 min設計，倒罐周期初步定為35 min。

噴吹罐的最小幾何容積可根據以下公式計算:

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，一般取為0.8～0.9；Q為系統最大噴吹能力，t/h；γ為煤粉堆密度，一般取為0.6～0.65 t/m3。

對噴煤罐而言，應將求得的容積擴大一些，以保證罐內的煤粉快要噴完時，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”。因此噴吹罐的計算幾何容積為：

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

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

根據以上計算，噴吹罐最終幾何容積取為40 m3。

3 倒罐操作時間的計算

根據以上所確定的噴吹罐容積，利用氣體動力學相關知識計算倒罐操作時間。倒罐操作時間包括噴吹罐排壓時間tp、噴吹罐裝煤時間tz、噴吹罐充壓時間tc、閥門動作時間td。通過計算倒罐操作時間，進一步驗證設定的倒罐周期T是否滿足設計要求。

根據本次設計要求，已知的設計參數如下：

噴吹罐容積V＇=40 m3,充壓氮氣罐壓力Ps=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無縫鋼管，內徑為68 mm；排壓管為Φ108×4 mm無縫鋼管，內徑為100 mm。

3.1 噴吹罐排壓時間

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

式中：κ為空氣絕熱指數，一般取1.4；τ為充放氣時間常數。

式中：V為噴吹罐計算幾何容積，m3；S為排氣通道有效截面積，mm2；Ts為介質絕對溫度。

根據已知的排壓管徑可算得S=7854 mm2。依據現場操作實際情況，噴吹罐噴完后，罐內溫度取為30℃，即 Ts=303 K。 將已知參數帶入公式（ 3）、（ 4），求得tp=54.5 s。

3.2 噴吹罐裝煤時間

所謂裝煤時間就是煤粉從煤粉倉內裝入噴吹罐所需要的時間。一般裝煤過程較復雜，料流速度受到下料管直徑、煤粉組分及下料方式等影響，因此很難計算準確的下料速度，計算時主要采取經驗值。煤粉倉出口下料方式采用點式流化下料，即在煤粉倉錐部安裝上下兩層共16點點式流化器。通過點式流化使煤粉倉底部區域形成一定的流態化，這種方式料流穩定，下料能力好。裝煤時間可根據以下公式計算：

式中：V料為下料流速。本次設計采用點式流化下料，下料管徑為DN300 mm，下料速度取4 t/min。

將已知參數帶入公式（5），求得下料時間tz=3 min。

3.3 噴吹罐充壓時間

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的過程。由于此時噴吹罐已裝載煤粉，因此計算時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，將各已知參數帶入式（ 6），可求得 V充=26.3 m3。

根據氣體動力學原理，密閉容器在充氣過程中，壓力逐漸上升，但只要內部壓力P≤0.528 Ps,則其充氣流速為聲速，氣體流量也保持常數，容器內壓力隨時間呈線性變化；當容器內壓力大于臨界壓力后，則容器壓力隨時間呈非線性變化。因此，充氣時間應分段考慮。

充壓氣源為常溫氮氣，溫度取為20℃。首先按照式（4），計算沖壓時間常數

沖壓時間根據罐內壓力分段計算，當罐內壓力P≤0.528 Ps時：

當罐內壓力P＞0.528 Ps時：

將各參數帶入求的充壓時間:

3.4 閥門動作時間

閥門動作時間是指倒罐操作過程中，與之相關的各閥門設備開、閉所需要的時間，這主要包括鐘閥、充壓閥、補壓閥、泄壓閥、噴煤閥等設備的操作時間。根據以往經驗，閥門操作時間一般為1～2 min，本次取td=2 min。

根據以上計算結果求得總的倒罐操作時間為：

4 結語

（1）根據以上計算結果，倒罐操作時間遠遠小于噴吹罐設計時預設的倒罐操作周期，噴吹罐容積大小及布置方式能夠滿足設計要求。

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

（3）煤粉噴吹系統的高效運行，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。

[1]湯清華，馬樹函.高爐噴吹煤粉知識問答[M].北京：.冶金工業出版社，1997.

[2]陳亞.高爐噴煤噴吹罐組選擇及倒罐周期設計 [J].現代冶金，2010（ 6） ：28-31.

[3]鄭利姣.粉煤在流化倉中的下料特性[J].化工學報，2007，58（9）：2735-2738.

[4]姜繼海，宋錦春，高常識.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]翟興華.高爐噴煤系統設計探析[J].煉鐵，2003，22（ 5）：5-8.

[6]項鐘庸，王攸留.高爐設計——煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[7]GB50607—2010，高爐噴吹煤粉工程設計規范[S].

[8]莫乃榕.工程流體力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2000.