轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道安全設(shè)計(jì)

岳雷

(1.中冶華天包頭設(shè)計(jì)研究總院有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014010； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 內(nèi)蒙古包頭 014010)

0 引言

氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道技術(shù)在大中型轉(zhuǎn)爐中被廣泛使用，是冶金系統(tǒng)煙氣余熱回收的有效手段，根據(jù)《鋼鐵企業(yè)節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鋼鐵工業(yè)資源綜合利用設(shè)計(jì)規(guī)范》，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道是冶金企業(yè)重要的一、二次能源回收手段，相繼頒布了《煙道式余熱鍋爐設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和《氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件》，并且提出了相關(guān)的傳熱計(jì)算方法[1-2]。

影響轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的因素比較多，包括：轉(zhuǎn)爐規(guī)模、吹煉時(shí)間、空氣過剩系數(shù)、氣體和爐塵的性質(zhì)、氣體成分、煙氣入口活動煙罩溫度、汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)形式等。其中，空氣過剩系數(shù)和汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)形式與實(shí)踐生產(chǎn)聯(lián)系最緊密，并且在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中可調(diào)性最強(qiáng)，其直接影響熱量回收和轉(zhuǎn)爐煤氣回收的質(zhì)量[3-4]。在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)制度及規(guī)模一定的條件下，空氣過剩系數(shù)對轉(zhuǎn)爐煙氣溫度、一氧化碳含量及煙氣量有著決定性作用。當(dāng)空氣過剩系數(shù)增大時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣的溫度會升高、一氧化碳的含量會降低、煙氣量會增大；當(dāng)空氣過剩系數(shù)減小時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣的溫度會降低、一氧化碳的含量會升高、煙氣量會降低。空氣過剩系數(shù)直接影響著轉(zhuǎn)爐煤氣的質(zhì)量和轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的安全運(yùn)行。另一個關(guān)鍵因素就是煙道的幾何尺寸，煙道的幾何尺寸決定了煙道的傳熱面積，直接影響了對流傳熱量和輻射傳熱量，在設(shè)計(jì)過程中，合理地確定煙道的幾何尺寸是非常關(guān)鍵的問題[3-4]。

在煙道幾何尺寸合理的前提下，生產(chǎn)過程中合理地調(diào)整空氣過剩系數(shù)，既保證轉(zhuǎn)爐煤氣的高品質(zhì)回收，也要保證轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度不低于610 ℃[5]，確保整體轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的安全運(yùn)行。

1 煙道幾何尺寸分析

合理的煙道幾何尺寸對于轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道直接影響煙道的對流傳熱面積和輻射圍擋面積，直接影響整體煙道的熱回收效果和轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度，當(dāng)溫度低于610 ℃時(shí)，就很容易引起安全事故，發(fā)生煙道爆炸。但是，當(dāng)面積不足時(shí)，則會出現(xiàn)溫度過高導(dǎo)致后段蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)能力不足，當(dāng)轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度高于950 ℃時(shí)，就會很容易發(fā)生蒸發(fā)冷卻器或文氏管燒損事故。因此，合理地選擇煙道的幾何尺寸，保證對流傳熱面積和輻射傳熱面積處于合理區(qū)間，是轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道安全運(yùn)行的首要條件。煙道過長或直徑過大，會使轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度降低，一般為保證轉(zhuǎn)爐煤氣的回收質(zhì)量，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的空氣過剩系數(shù)通常設(shè)定為0.08～0.12[1-3]。

見圖1，通常，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道是由活動煙罩、爐口段、中間段和末端組成，其中轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度對活動煙罩幾何尺寸的變化非常敏感，采用空氣過剩系數(shù)0.1，使用轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道計(jì)算軟件對80，120，180，210 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行綜合分析[5]，見圖2。

活動煙罩一般可以認(rèn)為其被火焰籠罩，其冷卻作用主要為吸收輻射傳熱，對流傳熱量可以忽略不計(jì)。首先對活動煙罩進(jìn)行分析，當(dāng)活動煙罩尺寸發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣的出口溫度參考圖3，活動煙罩出口溫度參考圖4。通過對活動煙罩輻射圍擋面積的變化，對轉(zhuǎn)爐煤氣的出口溫度進(jìn)行計(jì)算，可知當(dāng)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻區(qū)煙道的其他組成部分不變時(shí)，活動煙罩輻射圍擋面積的變化對轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度的影響較大，其主要原因在于活動煙罩的進(jìn)口爐氣溫度最高，此時(shí)如果增大冷卻面積，在最初的活動煙罩處溫降將非常明顯，這直接會影響最終的轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度，根據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)活動煙罩處的輻射圍擋面積增加1倍時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣的出口溫度將下降約200 ℃。

圖1 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)

圖2 計(jì)算軟件示意

通過計(jì)算分析可知，活動煙罩的尺寸設(shè)計(jì)不僅僅要考慮到活動煙罩的行程、操作空間及煙道的結(jié)構(gòu)形式，更重要的是應(yīng)詳細(xì)計(jì)算輻射圍擋面積，保證其不影響轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度。轉(zhuǎn)爐規(guī)模較大時(shí)，應(yīng)注意其溫度過高，對蒸發(fā)冷卻設(shè)備或文氏管造成危害；轉(zhuǎn)爐規(guī)模較小時(shí)，應(yīng)注意防止其溫度過低，造成爆炸事故。

2 空氣過剩系數(shù)分析

合理地確定空氣過剩系數(shù)是非常重要的，降低空氣過剩系數(shù)雖然可以提高轉(zhuǎn)爐煤氣品質(zhì)，提高一氧化碳的含量，但是當(dāng)空氣過剩系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)爐煤氣已經(jīng)無回收價(jià)值，但是隨之而來的是風(fēng)量的增加和轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度的增加。

圖3 轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度變化

利用氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)計(jì)算軟件計(jì)算，對80，120，180，210 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行綜合分析，各噸位轉(zhuǎn)爐煙道的對流傳熱面積和輻射圍擋面積可參考下表1。根據(jù)表1所提供的數(shù)據(jù)，對空氣過剩系數(shù)由0.06至0.4進(jìn)行分析計(jì)算。

圖4 轉(zhuǎn)爐煤氣活動煙罩出口溫度變化

根據(jù)圖5所示，當(dāng)空氣過剩系數(shù)增大時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣的出口溫度基本上會上升約100 ℃，同時(shí)風(fēng)量也會增加。對于正常生產(chǎn)過程，空氣過剩系數(shù)一般會被控制在0.1左右，當(dāng)活動煙罩出現(xiàn)不正常運(yùn)行或需要提高空氣過剩系數(shù)的情況下，如果空氣過剩系數(shù)低于0.2，則不會對轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度產(chǎn)生較大影響，不會引發(fā)安全事故。但是，空氣過剩系數(shù)達(dá)到0.4時(shí)，轉(zhuǎn)爐煤氣出口溫度將會提高100 ℃，此時(shí)，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)或文氏管將容易發(fā)生燒損或冷卻不完全問題。

表1 轉(zhuǎn)爐傳熱面積

圖5 空氣過剩系數(shù)-溫度變化

3 結(jié)語

綜合以上分析，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的安全設(shè)計(jì)的要點(diǎn)包括合理的煙道結(jié)構(gòu)和合適的空氣過剩系數(shù)控制范圍。合理結(jié)構(gòu)和合適的空氣過剩系數(shù)是轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的因素，任何一方面出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，帶來不可估量的損失。因此，在煉鋼車間轉(zhuǎn)爐汽化冷卻方案制定、工程設(shè)計(jì)及試生產(chǎn)過程中，都必須詳細(xì)地針對不同設(shè)計(jì)條件和操作方法來準(zhǔn)確評估轉(zhuǎn)爐煤氣的溫度變化，防止發(fā)生爆炸或燒損事故。