燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)煙風管道的設計與研究

胡建波

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

鋼鐵企業(yè)屬于傳統(tǒng)的高耗能、高污染行業(yè)，如何采用先進技術(shù)進行生產(chǎn)工藝改造升級，實現(xiàn)節(jié)能、減排、降耗是每個鋼鐵企業(yè)根本之路。燒結(jié)工序能耗約占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的10%左右，僅次于煉鐵工序，是鋼鐵生產(chǎn)的第二耗能大戶。燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù),使燒結(jié)主抽風系統(tǒng)與煙氣循環(huán)系統(tǒng)能平衡運行,實現(xiàn)了燒結(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,并且在燒結(jié)機機頭煙氣的減排、降低固體燃料消耗及提高燒結(jié)礦質(zhì)量等方面都有很好的效果。

隨著燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)的普遍應用，煙風管道的合理設計與優(yōu)化也突顯出其重要性，它是燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝中的重要組成部分，不僅決定著工藝能否安全合理的運行，也是整個系統(tǒng)投資的重要部分。煙風管道具有管徑相對較大，介質(zhì)溫度較高，安裝情況比較復雜等特點，針對以上特點需要對煙風管道的設計認真梳理與研究，使煙氣循環(huán)系統(tǒng)的運行更加安全、穩(wěn)定及合理。

1 燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)管道組成

1.1 煙風管道系統(tǒng)主要組成部分

通常情況下，燒結(jié)煙氣循環(huán)管道系統(tǒng)主要由以下兩部分組成：

第一部分管道，由環(huán)冷機低溫段上罩接出，經(jīng)由多管除塵器、風機接至燒結(jié)機上罩。此部分管道的工作溫度一般為200～250 ℃左右。

第二部分管道，由燒結(jié)機頭部風箱與尾部風管分別接出，匯合后經(jīng)由多管除塵器、風機接至燒結(jié)機上罩。燒結(jié)機頭部風箱風溫約為150 ℃；燒結(jié)機尾部風箱風溫約為450 ℃。二者混合后風溫約為200～250 ℃。

1.2 管道附屬設施

管道附屬設施通常包括彎管、大小頭、堵板、補償器、人孔、放灰管等。

2 煙風管道的布置原則

管道的布置既要考慮管道系統(tǒng)本身的技術(shù)經(jīng)濟合理性，又要與總圖、工藝以及土建等相關專業(yè)配合，在安全合理的前提下，盡量做到檢修方便，布局美觀。

1)管道應架空敷設，布置應力求順直、通暢、附件少、阻力小，彎管的彎曲半徑按管徑的1～1.5倍設計；大小頭的擴散角一般不大于15。，保證管道內(nèi)氣流順暢。

2)管道穿車間墻壁或樓板時，應預留好相應的孔洞，孔洞與管道外壁(如有外保溫，則為外保溫結(jié)構(gòu)保護層)應留有一定的間隙，一般不應小于20～100 mm。

3)管道沿車間墻或柱敷設時，管道外壁與車間墻或柱的凈距不小于500 mm，當管道外徑小于500 mm時，應不小于管道徑。

4)管道與設備一般采用法蘭連接。

5)在管道彎管附近、管道垂直起升等處宜設放灰管，以便于及時將管道中的積灰排出。

3 煙風管道的規(guī)格與材料

3.1 煙風管道規(guī)格

3.1.1 圓形管道規(guī)格

煙風管道的截面一般采用圓形，常用直管段壁厚如下[1]：

DN1 000～DN2 000，壁厚6.0 mm。

DN2 200～DN3 500，壁厚8.0 mm。

DN3 600～DN4 000，壁厚10.0 mm。

考慮管道內(nèi)氣體含塵量較大，特別是由燒結(jié)機頭部、尾部風箱引出的煙氣含塵量要遠大于環(huán)冷機低溫段引出的煙氣含塵量，煙風管道彎管處的壁厚應適當加厚，其中由燒結(jié)機風箱引出的風管應噴涂耐磨澆筑料，噴涂厚度為50 mm。

由于煙氣溫度較高，圓形管道規(guī)格≥DN1 000時，應設置環(huán)形橫向加固肋，以增強管道的剛度，加固肋可以用扁鋼或角鋼等型鋼制作。

3.1.2 矩形管道規(guī)格

矩形管道在煙氣循環(huán)系統(tǒng)中應用較少，一般在燒結(jié)室內(nèi)空間有限的情況下使用，在采用矩形管道時，應配置足夠的加固肋或內(nèi)撐桿。

關于管道規(guī)格及相關要求，可參見華東電力設計院編制的《煙風煤粉管道零部件典型設計手冊》與國標圖集06R403《鍋爐房風煙道及附件》。

3.2 煙風管道材料

管道的選材應根據(jù)不同的設計溫度選用相應的材質(zhì)。

1)由環(huán)冷機低溫段接出的煙風管道，煙氣溫度約為200～250 ℃，應選用Q235-B材質(zhì)。

2)由燒結(jié)機風箱接出的煙風管道，煙氣溫度約為450 ℃，應選用Q345-B材質(zhì)。

3)管道加固肋材質(zhì)應與煙風管道材質(zhì)一致。

3.3 煙風管道設計計算

煙風管道的管徑一般由燒結(jié)工藝專業(yè)確定，當管道布置需要對某個管段的管徑調(diào)整時，可按下面公式計算調(diào)整，調(diào)整后要與燒結(jié)工藝專業(yè)確認。

煙風管道截面積按下面公式計算：

(1)

式中：F—煙風管道截面積，m2；V—煙氣流量，m3/h；ω—煙氣流速，流速一般取18～20m/s。

對于圓形管道，直徑計算：

(2)

式中：F—煙風管道截面積，m2；d—圓形管道直徑(m)。

對于矩形管道，其截面積計算：

F=HB

(3)

式中：F—煙風管道截面積，m2；H—矩形管道高，m；B—矩形管道寬，m。

在設計過程中管徑的尺寸要統(tǒng)一，以避免上下游專業(yè)或管道與設計之間連接尺寸不一致。一般圓形管道規(guī)格為管道外徑×壁厚；矩形管道規(guī)格為寬×高，其中寬與高均為外壁尺寸。

4 煙風管道的補償

在煙風管道設計中，一定要重視管道熱脹冷縮的問題。要使管道在熱態(tài)時安全穩(wěn)定運行，減少管道的二次應力則必須考慮管道的補償。管道應盡可能利用自然補償，當自然補償無法滿足設計要求時，應采用補償器。管道因溫度變化而引起的伸縮量，可按下面公式計算[2]：

ΔL=Lα(t2-t1)

(4)

式中：ΔL—管道伸縮量，cm；L—計算管長，m；α—管道的線膨脹系數(shù)，cm/(m·℃)；t1—管道設計安裝溫度，一般取用20 ℃；t2—管道設計溫度，℃，正常工作時的最高溫度。

4.1 補償器的選擇

煙風管道建議選用非金屬補償器，其主要具有以下特點：

1)可以在較小的長度范圍內(nèi)，提供多維度的位移補償。

2)由于補償器元件采用橡膠玻璃纖維復合材料，幾乎沒有彈性力，可以簡化管路設計，節(jié)約支架成本。

3)橡膠玻璃纖維復合材料能有效地降低風機等設備產(chǎn)生的振動和噪聲。

4)采用不同橡膠復合材料和在圈帶的內(nèi)部設置隔熱材料，可達到較寬的溫度范圍。

5)可以補償一定的安裝誤差。

4.2 補償器設置原則

1)在選擇補償器時，應該因地制宜，結(jié)合實際情況選擇合適的補償器。

2)煙風管道在與設備相接時，通常要設補償器，如環(huán)冷機風罩接口、多管除塵器進出口、風機進出口、燒結(jié)機風箱接口等處。這樣可避免管道的受力傳遞到設備上，對設備造成損壞或安全隱患。

3)補償器一般安裝在管道的兩個固定支架中間，考慮到補償器本身的重量在管道膨脹與收縮的時候不發(fā)生扭曲，必須用兩個單片支架(或?qū)蛑Ъ?平均支撐補償器重量。單片支架的間距，在車間外部時一般為3～4 m，在車間內(nèi)部時最大不超過6 m。

4)在任意直管段上，兩個固定支架之間只能安裝一個補償器。

5)非金屬補償器安裝時，根據(jù)需要可以預壓縮或偏裝，但不允許冷拉。

6)當選用波紋補償器時，應考慮補償器預拉伸，預拉伸量為50%補償量。

5 煙風管道的荷載及跨距

5.1 管道荷載分類

通常情況下，應提供給土建專業(yè)的荷載如下[3]：

1)永久荷載，包括管道、管道附件及保溫結(jié)構(gòu)等自重，管道內(nèi)介質(zhì)的重量。

2)活荷載，管內(nèi)沉積物、平臺的操作或檢修荷載等，補償器的彈性力，介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生的不平衡內(nèi)壓力。

5.2 管道跨距計算

管道支架的跨距大小直接決定著管道支架的數(shù)量?？缇嗵≡斐晒艿乐Ъ苓^密，支架費用增高，在保證管道安全和正常運行的前提上，應盡可能地增大管道支架跨距，以降低支架建設成本和支架維護費用。管道支架允許跨距取決于管道材質(zhì)的強度、管道截面積、外部荷載大小以及管道允許的最大撓度。

5.2.1 跨距無附加負荷時的計算

煙風管道積灰荷載，除塵器前一般按管道截面積的三分之一考慮，除塵器后一般按管道截面積的四分之一考慮。燒結(jié)系統(tǒng)煙氣內(nèi)粉塵的體積密度一般取1 700 kg/m3。

1)按強度條件計算管道允許跨距。

對于均布荷載并且連續(xù)敷設的水平直管段，最大允許跨距可按下列公式計算：

(5)

式中：L—管道允許跨距，m；[σ]t—鋼材熱態(tài)許用應力，N/mm2；W—管道截面抗彎截面系數(shù)，cm3；φ—焊縫系數(shù)；q—管道單位長度計算荷載，N/m，包括永久荷載和活荷載。

2)按剛度條件計算管道允許跨距。

一般情況下，管道在一定的跨距下總有一定的撓度，由管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度，按照坡度為0.005時的撓度不超過f=L/600計算，管壁的應力不超過127.5 MPa。

對于均布荷載并且連續(xù)敷設的水平直管段，最大允許跨距可按下列公式計算[2]：

(6)

式中：L—管道允許跨距，m；I—慣性矩，cm4；i0—管道敷設坡度，i0一般取≥0.002；Et—在計算溫度下鋼材彈性模量，N/mm2。

3)管壁應力計算公式[2]：

(7)

式中：σ—管壁應力，MPa；L—管道允許跨距，m；q—管道單位長度計算荷載，N/m;W—管道截面抗彎截面系數(shù)，cm3。

4)撓度計算公式[2]：

(8)

式中：f—撓度；L—管道允許跨距，m；q—管道單位長度計算荷載，N/m;I—慣性矩，cm4。

5.2.2 跨距有附加負荷時的計算

當煙風管道有其他附加負荷時，在q中加上附加負荷，計算方法與上述公式相同。

管道跨距按強度公式計算的值大于撓度公式計算的值，為保證管道安全正常工作，設計時應按撓度公式計算。

對于煙風管道而言，管徑較大，工作溫度較高，計算的跨距應適當減小。

水平90°彎管兩支架之間的管道展開長度，不應大于水平直管段上支架最大允許跨距的0.73倍。盡端直管兩支架之間的管道長度不應大于水平直管段上支架最大允許跨距的0.81倍。

6 煙風管道的支架布置

管道的支架是管道系統(tǒng)中的重要組成部分。管道支架有著支承管道重量，限制位移，平衡介質(zhì)反力和防止管道振動等作用。在管道系統(tǒng)設計過程中，合理布置和正確選擇支架類型，可以優(yōu)化管道的應力分布情況，確保管道安全運行。

6.1 常用煙風管道支架分類

1)固定支架：管道的固定點，它承受管道軸向和橫向推力。

2)單片活動支架：在管道軸線方向有位移，橫向有剛度。

3)鉸接支架：僅承受管道的垂直荷載，允許管道在平面上作任何方向的移動，一般布置在自由膨脹的彎管處。

6.2 管道支架布置原則

1)布置煙風管道支架時，力求各支點荷載均勻分配。

2)水平彎管兩側(cè)的支架，應將其中一個布置在靠近彎管處。

3)大小頭兩側(cè)的支架，應將支架設置在管徑大的一側(cè)。

4)與設備相連接的管道建議將支架設在設備接口附近，以避免設備承受管道荷載。

5)室外敷設的煙風管道的獨立活動支架，應為柔性支架或半鉸接支架，可有效減少摩擦推力。

6)支架的布置應盡量接近轉(zhuǎn)折點(但是不能在彎頭的焊縫上)，以免懸臂太長。

6.3 管道固定支架水平推力計算

固定支架的水平推力一般由幾個力組成，在設計時應根據(jù)管道的實際布置形式計算。

通常在管道設計過程中，需要向土建專業(yè)提供的沿管道軸向水平荷載一般包括以下三種：

1)補償器的反彈力。

當使用波紋管補償器時，反彈力為波紋管剛度產(chǎn)生的反力。

當使用非金屬補償器時，反彈力可忽略不計。

2)管道內(nèi)的不平衡內(nèi)壓力。

當固定支架布置在帶有彎管或者在裝有閥門、堵板的管段上時，內(nèi)壓水平荷載按下面公式計算：

F=p0A

(9)

式中：F—軸向推力，N；p0—介質(zhì)工作壓力，MPa；A—補償器的有效截面積，mm2。

3)剛性活動支架的摩擦力。

當用剛性活動支架時，為固定支架至補償器之間各活動支架的摩擦反力之和。建議在剛性活動支架與管道的接觸面上墊兩層聚四氟乙烯板，摩擦系數(shù)μ可降為0.1。

7 管道的保溫與防腐

管道保溫的主要目的在于減少管道內(nèi)熱煙氣在輸送過程中的無益熱損失，保證熱煙氣的參數(shù)滿足工藝要求。其次在于改善工作環(huán)境、防止高溫燙傷人員。

7.1 管道保溫的原則

1)要求外表面溫度小于或等于50 ℃的管道，以及環(huán)境溫度為25 ℃時，外表面溫度大于50 ℃的管道。

2)凡管道需要經(jīng)常操作、維護，而又容易引起燙傷的部位。

3)生產(chǎn)中要求介質(zhì)溫度保持穩(wěn)定的管道。

7.2 保溫材料的選擇

1)保溫材料的允許最高使用溫度應高于管道的設計溫度，也就是正常工作時的介質(zhì)最高溫度。

2)由于來自燒結(jié)機尾部風箱的煙氣溫度約為450 ℃，建議選用硅酸鋁制品作為管道的保溫層。

3)保護層宜采用金屬保護層，通常采用彩鋼板、鍍鋅薄鋼板及鋁合金板等。由于煙風管道的直徑較大，一般在DN2 000～DN4 000之間，建議使用厚度為0.60～0.75 mm的彩鋼板。

4)來自燒結(jié)機頭部和尾部風箱的煙風管道內(nèi)壁應噴涂有厚度為50 mm的莫來石噴涂料。噴涂料每隔3 m設一道膨脹縫，膨脹縫寬度為10 mm，膨脹縫內(nèi)填充硅酸鋁纖維氈。建議選用密度為1 700 kg/m3的莫來石噴涂料。

7.3 管道的油漆和防腐

1)為減少管道的腐蝕，延長管道和保溫層的使用壽命，管道表面應按不同要求進行外部油漆。

2)管道在涂裝前需要進行除銹處理，并達到規(guī)定的預處理等級。

3)設計溫度在120～420 ℃范圍內(nèi)的煙風管道外表面宜涂耐高溫涂料。高于420 ℃的煙風管道表面可只做除銹處理，除銹等級與涂漆管道相同。

4)管道彎管、穿墻處、管道密集的部位，應涂刷介質(zhì)名稱及介質(zhì)流向。

8 結(jié)語

隨著我國冶金水平的不斷提高，燒結(jié)工藝也在不斷升級，近些年來，燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)在燒結(jié)廠建設中越來越普及，對煙風管道系統(tǒng)的設計要求也隨之不斷提高，管道系統(tǒng)設計的好與不好，關系到工藝系統(tǒng)是否技術(shù)先進與經(jīng)濟是否合理，關系到生產(chǎn)工藝是否安全可靠與節(jié)能環(huán)保。

熱風管道的特點為管徑較大，一般在DN2 000～DN4 000之間；溫度較高，一般在150～450 ℃之間。所以，從管徑方面考慮其為結(jié)構(gòu)件；從溫度方面考慮其兼有熱力管道的特性。在管道設計時既要考慮到其作為管道的特性，還要考慮其作為結(jié)構(gòu)件的性質(zhì)。所以，要想做好這部分管道的設計工作，不僅要掌握好鋼結(jié)構(gòu)的相關知識，還要研究熱力管道相關知識，只有兩方面兼顧了，才能使管道結(jié)構(gòu)強度既安全，工藝性能又好，煙氣循環(huán)工藝系統(tǒng)的技術(shù)也更先進與經(jīng)濟合理。