高爐爐頂壓力調(diào)壓設(shè)備特性概述

張 良，高 斌，韓 芩

（1． 中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鐵分公司，湖北武漢 430223；2.陜西龍門(mén)鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠，陜西韓城715405；3.武昌工學(xué)院機(jī)械工程系，湖北武昌 430006）

高爐爐頂壓力調(diào)壓設(shè)備特性概述

張 良1，高 斌2，韓 芩3

（1． 中冶南方工程技術(shù)有限公司煉鐵分公司，湖北武漢 430223；2.陜西龍門(mén)鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠，陜西韓城715405；3.武昌工學(xué)院機(jī)械工程系，湖北武昌 430006）

高爐爐頂壓力穩(wěn)定是保證高爐正常生產(chǎn)的關(guān)鍵條件之一，壓力的穩(wěn)定是需要靠調(diào)壓裝置的開(kāi)或閉來(lái)控制。結(jié)合煤氣凈化工藝的演變，總結(jié)了幾種高爐爐頂壓力調(diào)壓裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工作特性和存在的問(wèn)題，對(duì)工程設(shè)計(jì)選型提供了相關(guān)建議。

高爐；調(diào)壓設(shè)備；環(huán)縫錐；減壓閥組

1 引言

在煉鐵工藝中，高爐生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煤氣，通過(guò)高爐頂部引出管道和外部管網(wǎng)，不間斷地將煤氣輸送到指定的位置，進(jìn)行再利用。由于煤氣不停的向外輸送，高爐爐頂區(qū)域的煤氣壓力時(shí)刻發(fā)生變化。高爐要實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)，關(guān)鍵條件之一爐頂壓力穩(wěn)定，不能出現(xiàn)大的波動(dòng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要在煤氣外部管網(wǎng)上設(shè)計(jì)調(diào)壓設(shè)備，通過(guò)對(duì)煤氣的流量和流速的調(diào)節(jié)，保證爐頂壓力穩(wěn)定。當(dāng)壓力增加時(shí)，需要開(kāi)啟調(diào)壓裝置，增加煤氣流量，降低高爐爐頂壓力；當(dāng)壓力偏低時(shí)，需要關(guān)閉調(diào)壓裝置，減少煤氣流量，保證高爐爐頂壓力在正常范圍值內(nèi)。

高爐爐頂壓力的調(diào)壓設(shè)備一般是設(shè)置在煤氣凈化系統(tǒng)中，并經(jīng)歷了濕法工藝的完善過(guò)程，以及干法工藝的應(yīng)用。根據(jù)煤氣凈化系統(tǒng)技術(shù)的演變過(guò)程，本文總結(jié)了幾種爐頂煤氣壓力調(diào)節(jié)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作特性等，為工程應(yīng)用選型起到指導(dǎo)作用。

2 濕法工藝

高爐采用高壓冶煉以來(lái)，煤氣凈化濕法工藝經(jīng)歷了不斷完善的過(guò)程，從初期的應(yīng)用于小高爐的塔文工藝，到后面的串聯(lián)雙文、蒸噴塔工藝，到應(yīng)用于各大型高爐的成熟環(huán)縫洗滌工藝等過(guò)程。前面三種工藝，爐頂壓力調(diào)節(jié)主要是靠減壓閥組實(shí)現(xiàn)；環(huán)縫洗滌工藝是靠環(huán)縫錐或者TRT來(lái)實(shí)現(xiàn)爐頂壓力的調(diào)節(jié)。

2.1 短型減壓閥組

依靠減壓閥組實(shí)現(xiàn)爐頂壓力調(diào)節(jié)的工藝流程，見(jiàn)圖1所示。

圖1 工藝流程圖

塔文工藝是七、八十年代，應(yīng)用在鐘式爐頂?shù)母郀t上，工藝流程原理：煤氣從重力除塵器初步除塵后進(jìn)入洗滌塔，對(duì)煤氣進(jìn)行洗滌后，進(jìn)入文式管進(jìn)行除塵，得到凈煤氣，煤氣通過(guò)減壓閥組，最后進(jìn)入煤氣總管再利用。減壓閥組通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣流量，實(shí)現(xiàn)爐頂壓力的調(diào)節(jié)。

隨著無(wú)料鐘爐頂?shù)氖褂茫郀t爐頂壓力升高，塔文工藝不能滿(mǎn)足要求，串聯(lián)雙文工藝提出并得到應(yīng)用。其工藝流程原理與塔文工藝相似，只是用一文管替代了洗滌塔，使煤氣凈化效果更好，得到的煤氣含塵可以達(dá)到10 mg/m3。在該工藝中，實(shí)現(xiàn)爐頂壓力調(diào)節(jié)主要靠減壓閥組。

為了減少串聯(lián)雙文耗水量大，設(shè)備檢修頻繁等問(wèn)題，進(jìn)一步完善工藝，產(chǎn)生了蒸噴塔工藝[1，2]，其流程原理：煤氣從重力除塵器初步除塵后進(jìn)入蒸噴塔，在蒸噴塔內(nèi)有大量的噴嘴，對(duì)煤氣進(jìn)行洗滌、降溫、精除塵凈化后，通過(guò)減壓閥組后進(jìn)入旋風(fēng)脫水器去濕，最后經(jīng)過(guò)閥門(mén)進(jìn)入煤氣總管。

以上三種工藝中，文氏管和蒸噴塔都是豎直重疊結(jié)構(gòu)，頂部是快速冷卻，中間設(shè)計(jì)橢圓調(diào)節(jié)閥，底部是灰泥捕集器組成。橢圓調(diào)節(jié)閥具有一定的壓差調(diào)節(jié)功能，一般要求15 kPa的壓差，保證煤氣凈化效果，但該閥不具有調(diào)節(jié)爐頂壓力的功能。因此，上述三種工藝上都會(huì)設(shè)置調(diào)壓設(shè)備—減壓閥組，來(lái)實(shí)現(xiàn)爐頂壓力的調(diào)節(jié)。塔文工藝由于鐘式爐頂?shù)氖褂茫瑫?huì)使?fàn)t頂壓力波動(dòng)很大，造成了減壓閥組的調(diào)節(jié)性能大大降低，該工藝現(xiàn)在已經(jīng)不再采用。其他兩種工藝，在現(xiàn)在工程中還在采用。

減壓閥組為一個(gè)集成設(shè)備，一般由4個(gè)蝶閥組成，其中一個(gè)為小通徑的蝶閥（DN300～DN500），其余則為較大通徑的蝶閥（DN700～DN1000），通徑的大小選擇是由高爐產(chǎn)生的煤氣量多少?zèng)Q定的。4個(gè)蝶閥均由液壓作為動(dòng)力源，小蝶閥和一個(gè)大通徑蝶閥采用伺服油缸控制，作為調(diào)節(jié)蝶閥，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性連續(xù)控制，閥板開(kāi)度可以停在任意位置，保證調(diào)節(jié)功能。調(diào)節(jié)特性具有等百分比或近似等百分比特性，閥門(mén)開(kāi)度為0～90°，全行程開(kāi)啟時(shí)間在10 s以?xún)?nèi)，但是平時(shí)生產(chǎn)操作時(shí)，應(yīng)該將蝶閥的開(kāi)度控制在線(xiàn)性范圍內(nèi)，一般為20°～75°。其余兩個(gè)大通徑蝶閥采用普通油缸控制，屬于開(kāi)關(guān)閥，分別作為超壓安全閥和量程閥使用。

這種結(jié)構(gòu)形式滿(mǎn)足高爐正常生產(chǎn)要求，一般情況下開(kāi)啟一大一小的調(diào)節(jié)蝶閥，當(dāng)煤氣流量增加時(shí)，開(kāi)啟量程閥；如果煤氣壓力過(guò)大，超過(guò)設(shè)定的安全值，則打開(kāi)超壓安全閥，保證高爐安全生產(chǎn)。減壓閥組斷面結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。對(duì)于正常生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)通過(guò)的煤氣量和壓力的不同而調(diào)節(jié)蝶閥的開(kāi)度，一般是大通徑的蝶閥閥板調(diào)節(jié)定位在某個(gè)角度后不再變化，而小通徑蝶閥閥板開(kāi)啟的角度會(huì)在一定范圍內(nèi)連續(xù)來(lái)回變化，以消除高爐布料過(guò)程中的爐頂壓力波動(dòng)的峰值，保證爐頂壓力近似穩(wěn)定，不產(chǎn)生大的波動(dòng)。如果爐頂壓力波動(dòng)過(guò)大，會(huì)對(duì)高爐使用壽命產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響，因此，生產(chǎn)過(guò)程中避免出現(xiàn)爐頂壓力大的波動(dòng)，比如安全閥的頻繁使用是需要避免的。

圖2 減壓閥組斷面結(jié)構(gòu)圖

減壓閥組長(zhǎng)度約為3～4 m，每個(gè)蝶閥前設(shè)置波紋管，蝶閥由短管聯(lián)接匯合，閥組兩端直接與管道焊接，俗稱(chēng)短型減壓閥組，其結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)圖3。

圖3 短型減壓閥組結(jié)構(gòu)形式

在1000 m3以下高爐，爐頂壓力、煤氣流量都相對(duì)較小，短型減壓閥組得到了大量的應(yīng)用。

2.2 環(huán)縫錐

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了環(huán)縫洗滌工藝，并逐漸得到應(yīng)用和推廣，工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 環(huán)縫洗滌工藝流程圖

工藝流程原理[3]：高爐粗煤氣經(jīng)過(guò)重力除塵器后，從頂部進(jìn)入環(huán)縫洗滌塔，洗滌塔內(nèi)設(shè)有大流量的噴嘴，噴嘴以霧化的形式將水噴出，既能冷卻粗煤氣，又能將粗煤氣中的較大粉塵帶走，得到半凈煤氣。一部分半凈煤氣作為高爐一次均壓返回，另一部分半凈煤氣則繼續(xù)下行，進(jìn)入環(huán)縫洗滌裝置，半凈煤氣被冷卻和除塵，然后通過(guò)旋風(fēng)脫水器進(jìn)行去濕后，進(jìn)入TRT進(jìn)行發(fā)電，最后進(jìn)入煤氣總管，與TRT并聯(lián)一個(gè)快開(kāi)閥。

當(dāng)TRT正常工作時(shí)，高爐爐頂壓力靠TRT調(diào)節(jié)；當(dāng)TRT出現(xiàn)故障時(shí)，高爐爐頂壓力靠環(huán)縫洗滌塔內(nèi)的環(huán)縫錐裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。快開(kāi)閥可以視為煤氣的過(guò)流切斷閥，調(diào)節(jié)能力滿(mǎn)足不了工藝要求。

環(huán)縫洗滌裝置關(guān)鍵部件為環(huán)縫錐，是調(diào)節(jié)爐頂壓力的核心設(shè)備。由內(nèi)、外錐組成，外錐由支架固定在洗滌塔塔壁上，內(nèi)錐和下部的傳動(dòng)桿相接，傳動(dòng)桿又是通過(guò)底部的液壓缸驅(qū)動(dòng)的，從而帶動(dòng)內(nèi)錐在圓錐形的喉口里面上下移動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)油缸行程來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)、外錐之間的縫隙大小。高爐煤氣從環(huán)縫錐的頂部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)內(nèi)、外錐之間的縫隙流出，由于縫隙大小的變化，引起煤氣流速和流量，壓力的變化，從而調(diào)節(jié)高爐爐頂壓力。環(huán)縫錐結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5。

圖5 環(huán)縫錐結(jié)構(gòu)圖

環(huán)縫錐具有調(diào)節(jié)原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，動(dòng)作迅速，振動(dòng)、沖刷小等優(yōu)點(diǎn)，在濕法工藝中，大量應(yīng)用于文式洗滌塔或者比肖夫洗滌塔。但環(huán)縫錐存在安裝精度高、易卡阻、油缸密封圈易磨損等問(wèn)題。

3 干法工藝

隨著鋼鐵企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，低成本、高效益、綠色環(huán)保成為鋼鐵企業(yè)各項(xiàng)工作的重點(diǎn)。濕法工藝具有的高能耗的先天不足，逐漸體現(xiàn)，干法布袋除塵工藝成為各鋼鐵企業(yè)的首選。調(diào)壓設(shè)備減壓閥組又被吸入工藝設(shè)計(jì)中，在TRT出現(xiàn)故障或者離線(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐爐頂壓力的調(diào)節(jié)作用。

由于對(duì)短型減壓閥組工作特性的認(rèn)識(shí)不足，工藝布置限制等原因，仍將該型減壓閥組應(yīng)用在大高爐干法工藝工程中，出現(xiàn)了振動(dòng)、噪音大、管道和波紋管被撕裂、煤氣泄漏等影響正常生產(chǎn)的問(wèn)題。

出現(xiàn)問(wèn)題的原因是多方面的，但結(jié)構(gòu)造成的是主要原因之一。該型減壓閥組整體短小，煤氣進(jìn)出口都是直角，容易形成死角。當(dāng)高爐煤氣經(jīng)過(guò)蝶閥后，壓強(qiáng)由200多kPa降到11 kPa，壓差大，氣流經(jīng)過(guò)蝶閥減壓后匯合成一起，氣流由低速變?yōu)楦咚伲谒澜翘帟?huì)產(chǎn)生大量渦流，渦流與內(nèi)壁、渦流與渦流之間相互沖擊和摩擦，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。減壓的過(guò)程就是能量釋放的過(guò)程，振動(dòng)和噪音是能量釋放方式之一，只有盡量減少和降低，無(wú)法避免。尤其隨著高爐爐頂壓力不斷提高，煤氣量增加，干法工藝中的煤氣低含水量，造成了短型減壓閥出現(xiàn)上述問(wèn)題。為了解決出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)短型減壓閥組結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)完善，產(chǎn)生了長(zhǎng)型減壓閥組。

3.1 長(zhǎng)型減壓閥組

由于對(duì)環(huán)境要求的提高，為了降低粉塵的排放，干法布袋除塵工藝得到應(yīng)用，工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 干法布袋除塵工藝流程圖

工藝流程原理：高爐粗煤氣經(jīng)過(guò)重力除塵器，進(jìn)行半除塵后，進(jìn)入布袋除塵器，進(jìn)行精除塵，得到凈煤氣，進(jìn)入TRT進(jìn)行發(fā)電，最后進(jìn)入煤氣總管，與TRT并聯(lián)減壓閥組。

高爐正常生產(chǎn)，調(diào)節(jié)高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)的執(zhí)行設(shè)備是TRT，當(dāng)TRT出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，高爐爐頂壓力需要靠減壓閥組進(jìn)行調(diào)節(jié)[4]。

針對(duì)以往在濕法工藝中存在的各種問(wèn)題，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)完善，得到長(zhǎng)型減壓閥組。設(shè)備長(zhǎng)度采用8～9 m，甚至某些企業(yè)采用10 m，但在通徑小于2 m的管網(wǎng)，減壓閥組的長(zhǎng)度不易過(guò)長(zhǎng)，否則既不能保證剛度，又增加占地空間，影響工藝布置。長(zhǎng)型減壓閥組兩端采用封頭形式，封頭提供足夠空間，吸收煤氣匯合時(shí)產(chǎn)生的渦流，而且內(nèi)壁光滑減少了渦流相互之間的沖擊和摩擦，降低振動(dòng)噪音；兩封頭之間由收縮管、蝶閥、擴(kuò)散管等組成。擴(kuò)散管可以充分吸收煤氣經(jīng)過(guò)蝶閥后的體積膨脹，速度提高。根據(jù)噴管理論[5，6]，擴(kuò)散管角度一般為6° ～7°，長(zhǎng)度約為通徑的4～5倍，見(jiàn)圖7。

圖7 長(zhǎng)型減壓閥組

為了更好地減少振動(dòng)，減壓閥組采取了底部設(shè)置彈簧阻尼器，吸收徑向振動(dòng)；兩端封頭使用拉桿聯(lián)接，提高整體剛度；基礎(chǔ)采用混凝土，避免共振發(fā)生等措施。同時(shí)，由于煤氣通過(guò)蝶閥時(shí)，流速會(huì)急劇增加，對(duì)擴(kuò)散管的沖刷加大，為了減少擴(kuò)散管被沖刷開(kāi)裂的可能，一般會(huì)對(duì)擴(kuò)散管內(nèi)壁噴涂碳化鎢，提高抗磨性。經(jīng)過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用，長(zhǎng)型減壓閥組的使用效果到達(dá)了設(shè)計(jì)要求。

3.2 雙蝶閥

隨著閥門(mén)制造技術(shù)的進(jìn)步，成本控制的要求，有的鋼鐵企業(yè)直接采用雙蝶閥替代減壓閥組的作用，一用一備的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)，不再沿用整體集成安裝的形式，見(jiàn)圖8。

圖8 雙蝶閥布置圖

兩個(gè)蝶閥由伺服油缸控制，作為調(diào)節(jié)蝶閥使用，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性連續(xù)控制。正常生產(chǎn)時(shí)，一個(gè)蝶閥打開(kāi)調(diào)節(jié)爐頂壓力，另一個(gè)關(guān)閉處于預(yù)備狀態(tài)。進(jìn)氣段采用收縮，出口采用長(zhǎng)距離的擴(kuò)孔，角度可以達(dá)到8° ～10°。采用調(diào)節(jié)蝶閥調(diào)節(jié)爐頂壓力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，建設(shè)、維護(hù)成本低，而且煤氣經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)蝶閥后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的擴(kuò)口管，充分釋放能量，減少了產(chǎn)生渦流的可能，從而達(dá)到減振降噪的作用。但由于是將管道獨(dú)立分開(kāi)，剛度降低，蝶閥前后壓差增加，蝶閥振幅度增加，引起管道振動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)撕裂管道的情況。目前，這種設(shè)置模式在工程應(yīng)用中還未得到廣泛推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

某些企業(yè)設(shè)計(jì)的減壓閥組采用3個(gè)蝶閥的結(jié)構(gòu)形式，都設(shè)置為調(diào)節(jié)蝶閥，取消量程閥和超壓安全閥，也能滿(mǎn)足高爐正常生產(chǎn)。蝶閥的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)等形式，在工程中都得到了應(yīng)用，豐富了高爐爐頂壓力調(diào)壓設(shè)備的選擇范圍。

綜上所述，高爐爐頂壓力調(diào)節(jié)設(shè)備是高爐正常生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，該設(shè)備隨著煤氣凈化工藝的不斷進(jìn)步而不斷完善改進(jìn)，本文簡(jiǎn)要總結(jié)了目前工程應(yīng)用中采用的幾種調(diào)壓設(shè)備，分析了每個(gè)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作特性，提出了存在的問(wèn)題，為工程設(shè)計(jì)選型提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。

[1]劉健，王書(shū)民，張之東.蒸噴塔在高爐煤氣凈化工藝中的應(yīng)用[J].冶金動(dòng)力，2002，95（1）：18-19.

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A Summary of the Characteristics of Blast Furnace Top Pressure Regulating Equipment

ZHANG Liang1,GAO Bin2,HAN Ling3
(1.Ironmaking Branch of WISDRI,MCC,Wuhan,Hebei 430223,China;2.Ironmaking Plant of Shanxi Longmen Iron and SteelCo.,Ltd.,Hancheng,Shaanxi715405,China;3.SchoolofMechanicsand Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuchang,Hubei 430006,China)

As one of the key conditions for normal ironmaking production,the stability of blast furnace top pressure is controlled by adjusting the open or close degree of the pressure regulating device.In light of the evolvement history of gas purification processes,the structural features,operation characteristics and existing problems of several types of pressure regulating equipment were summarized and related proposals on type selection for engineering designs were provided.

blast furnace;pressure regulating equipment;ring seam cone;pressure reducing valve unit

TF538.2

B

1006-6764(2015)06-0021-04

2015－03－20

張良(1980-)，男，2007年畢業(yè)于重慶大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事冶煉設(shè)備設(shè)計(jì)研究工作。