高爐煤氣加熱焦爐支管孔板直徑排列計算分析

朱燦朋

（北京首鋼國際工程技術有限公司，北京100043）

為保證焦炭均勻成熟，同時最大限度地提高焦炭和化產品的收率，必須制訂并嚴格執(zhí)行焦爐加熱制度。焦爐加熱制度中重要的一項就是煤氣流量的供給，除了邊部燃燒室供給煤氣量為中部燃燒室的約75%之外，其余每個燃燒室都應供給等量的煤氣，以使各燃燒室立火道的溫度趨于一致，并保證直行溫度的均勻性。直行溫度均勻性主要是通過調節(jié)蓄熱室頂部吸力來實現(xiàn)，煤氣蓄熱室頂部吸力主要是通過控制支管孔板直徑的大小來調節(jié)，這就要求在設計過程中，預先計算出較合適的支管孔板直徑排列，從而指導實際生產并提高其調節(jié)的準確性。

本文以用高爐煤氣加熱的65孔6 m搗固焦爐為例，采用阻力理論計算高爐煤氣支管孔板的直徑，得出有利于直行溫度分布均勻的孔板直徑排列方式，可為今后其他爐型的高爐煤氣支管孔板直徑的排列設計提供可靠的理論基礎。

1 各支管煤氣用量計算

用高爐煤氣加熱時，進入每個燃燒室的煤氣量主要由煤氣主管壓力和煤氣支管孔板直徑大小決定，煤氣主管壓力一定時，主要由支管孔板直徑來決定。高爐煤氣需經(jīng)過蓄熱室預熱，所以供給每個燃燒室的煤氣量也是由蓄熱室頂部的吸力來控制。也就是說，調節(jié)蓄熱室頂部吸力，主要是通過控制支管孔板直徑的大小來實現(xiàn)。6 m搗固焦爐爐體及高爐煤氣熱值參數(shù)見表1。

表1 6 m搗固焦爐爐體及高爐煤氣熱值參數(shù)

（1）高爐煤氣總用量

（2）機、焦側煤氣流量比

機、焦側的煤氣流量應根據(jù)兩側所需熱量的不同來分配，兩側所需熱量主要取決于兩側的裝煤量和耗熱量。根據(jù)計算和經(jīng)驗，兩側流量比等于兩側炭化室的平均寬度比乘以1.05[1]，即：

式中：V焦為焦側煤氣流量，m3/h；V機為機側煤氣流量，m3/h；S焦為焦側炭化室平均寬度，mm；S機為機側炭化室平均寬度，mm。

則焦、機側煤氣流量分配比例=1.05×507.5/492.5=1.08。

（3）機、焦側煤氣總流量

實際工作時的煤氣流量校正系數(shù)取1.1，對機、焦側總流量進行計算：

機側煤氣總流量=83 068.28×1.1/(1+1.08)=43 930.34 m3/h

焦側煤氣總流量=83 068.28×1.1-43 930.34=47 444.77 m3/h

（4）各支管煤氣用量

設邊部燃燒室的熱負荷為中部的75%，對機、焦側支管煤氣量進行計算：

2 各支管孔板直徑的確定

2.1 中部支管孔板

供給焦爐的加熱煤氣，需要通過一定的管道壓力來輸送。進入燃燒室的煤氣量是通過安裝在支管上的孔板來控制的，因此煤氣主管至爐內兩點之間的壓力差等于孔板阻力降與入爐煤氣管阻力降之和，而爐內壓力變化相對較小，可以將其視為定值[1]，只需計算孔板阻力降即可。

首先對支管斷面積進行計算。

支管斷面積=3.14×（0.18/2）2=0.025 m2

根據(jù)支管斷面積和支管煤氣量對煤氣在支管中的流速進行計算。

煤氣在機側支管中的流速=機側支管煤氣量/支管斷面積=1 341.38/（0.025×3 600）=14.90 m/s

煤氣在焦側支管中的流速=焦側支管煤氣量/支管斷面積=1 448.70/(0.025×3 600)=16.10 m/s

支管、旋塞阻力的計算公式為：

出口阻力的計算公式為：

兩式中：ΔP為壓力降，Pa；k為阻力系數(shù)；L為支管長度，m；d為管道的直徑（或當量直徑），m；v為流速，m/s；γ為重度，N/m3。

（1）支管阻力

取煤氣主管壓力為1 000 Pa、煤氣在30℃時的重度γ為1.17 N/m3、煤氣支管長度為2.09 m、阻力系數(shù)k為0.04，對機、焦側支管阻力進行計算：

機側支管阻力=0.04×2.09×14.902×1.17/（0.18×2）=60.32 Pa

焦側支管阻力=0.04×2.09×16.102×1.17/（0.18×2）=70.43 Pa

（2）旋塞阻力

取旋塞相當管長6 m，對機、焦側旋塞阻力進行計算：

機側旋塞阻力=0.04×6×14.902×1.17/（0.18×2）=173.17 Pa

焦側旋塞阻力=0.04×6×16.102×1.17/（0.18×2）=202.18 Pa

（3）出口阻力

機側出口阻力=(1-0.025/0.132)2×14.902×1.17/2=85.34 Pa

焦側出口阻力=(1-0.025/0.132)2×16.102×1.17/2=99.64 Pa

（4）孔板阻力

通過計算爐體水壓得出，上升氣流小煙道壓力為-30 Pa。

孔板阻力=煤氣主管壓力-支管阻力-旋塞阻力-出口阻力-小煙道壓力，則：

機側孔板阻力=1 000-60.32-173.17-85.34-(-30)=711.17 Pa

焦側孔板阻力=1 000-70.43-202.18-99.64-(-30)=657.75 Pa

（5）孔板直徑

對孔板直徑進行計算，首先需對孔板阻力系數(shù)采用k=2ΔP/（v2×γ）進行計算：

機側孔板阻力系數(shù)=2×711.17/（14.902×1.17）=5.48

焦側孔板阻力系數(shù)=2×657.75/（16.102×1.17)=4.34

然后查局部阻力系數(shù)表[2]，通過內插法計算得出：機側截面積之比=0.47、焦側截面積之比=0.50。

截面積之比為孔板截面積與支管截面積之比，而兩者的截面積和直徑的平方成正比，即f/F=(d/D)2，式中：f為孔板截面積，m2；F為支管截面積，m2；d為孔板直徑，m；D為支管直徑，m。

對機、焦側孔板直徑進行計算：

機側孔板直徑=180×(0.47)0.5=123.40 mm，取124 mm。

焦側孔板直徑=180×(0.50)0.5=127.28 mm，取128 mm。

通常情況下，為了減小煤氣的泄漏損失，主管壓力不宜過高，一般保持在500 Pa～1 000 Pa[3]。其目的：一是保證調節(jié)各燃燒室煤氣流量的靈敏性和準確性；二是防止煤氣因壓力過高而增加漏失量，或因壓力偏低而產生回火爆炸的危險。同時，高爐煤氣中CO的體積分數(shù)為25%～30%，毒性大，為了防止高爐煤氣泄漏，要保持煤氣設備嚴密，高爐煤氣進入廢氣盤應處于負壓狀態(tài)。

影響直行溫度均勻性的因素主要有裝煤推焦操作不均衡、荒煤氣竄漏、爐體堵塞等原因，當溫度出現(xiàn)異常時，應查明原因作出處理，再視實際情況變化通過調節(jié)孔板直徑、廢氣盤翻板、風門開度等改變相應的煤氣量和空氣量，以實現(xiàn)均勻性調節(jié)的目的。當周轉時間、裝煤量發(fā)生變化，應調節(jié)煤氣流量，這時應調整孔板直徑大小以使煤氣主管壓力達到合適的控制范圍。增大孔板直徑可降低主管壓力，反之則提高主管壓力。

2.2 邊爐支管孔板

邊爐支管孔板的直徑取決于煤氣的使用量和所規(guī)定的煤氣主管壓力。取邊部燃燒室的熱負荷為中部的75%，邊爐支管孔板直徑的計算方法與中部支管孔板直徑的計算方法相同，結果見表2。

表2 邊爐支管孔板直徑計算結果

根據(jù)表2，邊爐機側孔板直徑取81 mm，邊爐焦側孔板直徑取83 mm。

2.3 次邊爐支管孔板

由于邊部燃燒室的溫度波動大，在確定其孔板直徑時，應給予一定的調節(jié)余地，一般邊部煤氣支管的孔板直徑為中部的63%～68%，靠邊第二個支管的孔板直徑為中部的95%～96%[2]。當孔板排列好時，可以使蓄熱室頂部吸力保持一致，以達到全爐爐溫均勻的目的。取次邊爐供熱負荷為中部供熱負荷的90%，次邊爐支管孔板直徑的計算方法與中部支管孔板直徑的計算方法相同，結果見表3。

表3 次邊爐支管孔板直徑計算結果

根據(jù)表3，次邊爐機側孔板直徑取116 mm，次邊爐焦側孔板直徑取122 mm。

3 支管孔板排列

經(jīng)過上述計算，可得到65孔焦爐支管孔板直徑排列情況，見表4。

表4 65孔焦爐支管孔板直徑排列mm

高爐煤氣孔板直徑的排列是根據(jù)煤氣主管兩端的壓力差而定。管道壓力的變化程度與管道的直徑和長度以及管路的布置情況有關，因此每座焦爐應根據(jù)各自的特點，測出管道的壓力變化情況，按壓力的不同來適當調整孔板直徑的排列。

孔板斷面積應不大于支管斷面積的70%[3]，孔板斷面積太大時，阻力系數(shù)太小，調節(jié)靈敏度?。惶r，要求孔板精度高，否則尺寸差別很小也會引起煤氣量較多的變化?？装宄叽绲倪x擇還應考慮主管可能提供的壓力，以及使主管開閉器或調節(jié)翻板具有必要的備用量。

4 結 語

焦爐各燃燒室煤氣量的均勻分配依靠孔板直徑沿焦爐縱向恰當?shù)呐帕衼韺崿F(xiàn)。合理的支管孔板直徑排列，有利于調節(jié)蓄熱室頂部吸力的均勻性和直行溫度的均勻性。但在生產過程中，有很多因素影響爐溫的均勻性，如周轉時間、推焦和裝煤、荒煤氣竄漏等，必須綜合掌握這些情況，才能確保焦爐穩(wěn)定正常生產。