三罐并列式噴吹罐罐壓穩定系統改進

張 浩 李 丹 陳博志

（寶鋼湛江鋼鐵有限公司，湛江 524001）

湛江一二高爐煤粉噴吹系統為三罐并列和主管加分配器直接噴吹[1]工藝。噴吹指標為220 kg·t-1，設備最大能力為250 kg·t-1。噴吹煤種為爆炸性煙煤或以煙煤為基礎的混合煤。噴吹系統作為一個相對獨立的系統，從煤粉倉的煤粉入口法蘭起到高爐風口的煤粉噴槍為止。

噴吹系統主要由煤粉倉、噴吹罐、混合器、分配器、噴吹管線、噴槍、閥門以及噴吹用氣體系統等組成。噴吹用煤經制粉系統制成符合噴吹要求的煤粉，經收粉裝置收集后落到噴吹系統的煤粉倉。為了快速、均勻、連續地供給噴吹罐噴吹煤粉，在煤粉倉錐體下部設置了流化氣噴嘴和流化板。流化用N2連續不斷地進入煤粉倉疏松煤粉，并可根據下煤量的需要調節氣量。全容積1 158 m3容積的煤粉倉，能裝煤粉500 t，可以滿足在磨煤機故障時高爐變料的需要，并剩余足夠的空間，以保證噴吹罐泄壓時的氣體排放。

噴吹系統由1個煤粉倉、3個噴吹罐、1個混合器、1個分叉器、2個分配器、1根煤粉輸送主管、40根噴吹支管以及閥門等組成。提供噴吹用氣的主要設備有2個壓縮空氣罐、2個高壓氮氣罐、1個保安氮氣罐、6套氣體加熱裝置以及氣體管路等。圖1為噴吹流化系統工藝圖（噴吹罐排壓工藝部分）。

1 主要設備問題、影響及原因分析

噴吹罐小排氣閥動作開閉次數多，使用壽命短。噴吹罐等待噴吹過程中，小排氣閥約2 min就必須開閉一次。每天噴吹罐等待時間總計在14 h左右，則每天必須動作開閉約420次，每月動作13 000次左右。按照一個閥門動作壽命80 000次計算，一只閥門壽命在6個月左右。實際使用上也是如此。

這種閥門的價格很高。以小排氣閥為例，價格為42 726元/只，在一高爐投產半年后則出現閥門泄漏，不能開閉的故障。更換新閥門費用很高，如何降低小排氣閥門的備件數量以節約成本，是急需解決的難題。

2 改進措施

2.1 穩壓系統控制工藝改造措施

罐壓穩定系統包括壓力控制用壓力平衡裝置、壓力排放管道以及一只氣動球閥。系統通過改進壓力平衡裝置通氣量的大小來實現噴吹罐的穩壓。在非等待狀態下，氣動球閥自動關閉；在等待狀態下，氣動球閥自動打開進行罐壓控制等。穩壓系統控制工藝如圖2所示。

2.2 罐壓穩定系統改造措施說明

罐壓穩定系統依靠壓力控制板進行壓力控制。在等待信號出現的同時，氣動球閥自動打開進行等待期間的罐壓控制。等待信號消失（即噴吹開始）時，氣動球閥自動關閉，噴吹罐進入噴吹狀態。

圖1 噴吹罐工藝流程圖

圖2 噴吹罐穩壓系統控制工藝圖

2.3 罐壓穩定系統壓力平衡板設計說明

罐壓穩定系統的關鍵部件為壓力平衡板（或壓力控制板）。要嚴格控制壓力平衡板節流孔直徑，以控制排氣流量。需注意，材料要選用耐磨材料。在壓力平衡板的選取技術要求上，具體的選取技術規范如下。

2.3.1 節流孔直徑選取

現場實際使用狀況：噴吹罐等待壓強P1=1.0 MPa，流化量Q=150 m3·h-1，排壓為常壓。由于節流口處壓降無法測量，因此選取管道后方的常壓值即P2（絕對壓強）=0.101 3 MPa，實際值要高于常壓值，可以得到：

因此，采用流速在聲速區的公式[2]，其中S有效為排氣通道截面積，T為充氣（放氣）氣源絕對問題，即：

噴吹罐噴吹后罐內溫度約為30 ℃，按照目前一高爐Q基準為：

則：

由于壓力平衡板節流孔制造精度和通流介質不穩定，因此通流面積系數a按照0.62～1.0計算[3]，則：

根據式（7）可知：

因此，壓力平衡板實際尺寸為Dmax=23.30 mm和Dmin=18.34 mm，即節流孔實際尺寸不能超過23.30 mm。

考慮生產流量調整、采集儀表誤差以及壓力波動等諸多因素，為保證罐壓能夠平衡，提高保險系數，在實際選用中取最小值。可選壓力平衡板名義直徑為19～23 mm，根據生產狀況調整。罐壓控制壓力波動值應不超過0.008 MPa，以滿足現場使用需要。

2.3.2 壓力平衡裝置材料選擇

壓力平衡板通流量為150 m3·h-1。根據計算，當面積為264.3 mm2時，在節流孔處其煤粉氮氣瞬時流速為17.8 m·s-1[4]。在高速煤粉氣流沖刷下，壓力平衡板必須采取耐磨性能高的材料。選用如圖3所示的裝置可以解決此問題。

圖3 壓力控制裝置

如圖4所示，壓力平衡板采取厚度20 mm的SUS304不銹鋼板，節流孔處鑲嵌陶瓷襯墊。陶瓷襯墊反向安裝，可大幅提高使用壽命。陶瓷枕墊的結構和尺寸如圖5所示。

圖4 壓力平衡板

3 應用效果

3.1 閥門動作使用壽命長

在每天等待的14 h內，依靠流量孔板的排氣量控制噴吹罐罐壓并且保證罐壓不降，以大大減少小排氣閥的動作次數。閥門在一次等待過程中不動作，在噴吹結束后，按照程序自動打開進行泄壓，一個周期開閉一次。以此計算，改進后每天動作次數在24次左右。按照目前工況在80 000次有效壽命周期內，它的使用壽命可達9年。

圖5 陶瓷襯墊

3.2 噴吹罐平穩

實施前，罐壓監視如圖6所示。圖6中，罐壓波動一次即代表小排氣閥動作了一次。一次裝料、加壓、等待以及噴吹周期閥門動作次數8～10次，一天動作約420次，每次動作間隔在1.5～2 min。

圖6 一個周期罐壓波動放大圖

由圖7可知，改造后，在一個周期內，罐壓平穩，小排氣閥不動作。等待過程中，小排氣閥不動作，在噴吹結束動作一次進行泄壓。等待期間罐壓很穩定，小排氣閥一天動作24次。

圖7 改造后的一個周期罐壓波動放大圖

3.3 提高經濟效益

跟蹤發現，改造前小排氣閥一天動作420次，最短使用時間為6個月。改造后一天動作24次，使用壽命可達9年，延長了近17倍。改造前，一個新品閥門4.272 6萬元/個，閥門修復費用1.1萬元/次，閥體2.1萬元/個，閥門更換人工費用0.084 9萬元/次。若兩座高爐6個噴吹系統，現按照2018年更換履歷12次計算（1年更換小排氣閥新品共3只，閥門常規修復6次，更換閥體3次），各個項目花費金額如表1所示。

2018年產生設備維護費用總計35.21萬元。改造后，按照兩座高爐6個噴吹系統，8年更換履歷10次計算（8年期間更換小排氣閥新品共6只，閥門常規修復6次，更換閥體2次），各個項目花費金額如表2所示。

表1 2018年閥門更換及修理花費金額

表2 改造后8年閥門更換及修理花費金額

可見，8年產生設備維護費用總計37.32萬元，平均每年4.665萬元。改進后平均每年產生的效益為35.21-4.656=30.554萬元。

4 結語

本方案主要是對湛江高爐三罐并列式噴吹罐罐壓穩定系統進行改進優化，經過對壓力平衡板節流孔直徑進行計算優化來控制排氣流量，并依靠壓力控制板進行壓力控制。改進后，罐壓穩定，在一個周期內噴煤生產穩定，且小排氣閥壽命提升明顯，每年可產生約31萬元效益，具有較強的推廣價值。