燒結主排氣管落地布置方案設計與優化

楊正偉，黎前程，譚 敏，王兆才

（中冶長天國際工程有限責任公司，湖南 長沙 410205）

燒結主抽風系統的主要功能是抽出燒結過程產生的廢氣，其核心部件包括風箱、風箱支管、主排氣管、灰斗、卸灰閥、主電除塵器、主抽風機等。該系統設計主要包括主抽風機和主除塵器的選型，主排氣管、煙道和煙囪的設計，主抽風系統的布置等［1－3］。主抽風機是整個燒結廠設計的關鍵，其選型需要依據燒結所需的風量、負壓，并且需要考慮風機的效率。實際設計中，一般參照同類型燒結生產實踐并按經驗選用風機的主要技術參數。通常，單位燒結面積的適宜風量?。?0±10）m3/（m2·min）（工況溫度為120～220℃，壓力為10～20 MPa）［4］。燒結抽風負壓主要取決于混合料的透氣性、燒結料層高度、燒結風量、系統漏風率以及海拔高度等因素。為了滿足煙氣凈化系統對顆粒物質量濃度的要求，以及延長主抽風機轉子葉片的使用壽命，一般在主抽風機前設置主電除塵器［5－6］。主排氣管一般設置在風箱下方，通過支管與各風箱連接。在主排氣管中，在重力沉降作用下，燒結廢氣中的大顆粒粉塵經雙層卸灰閥排除，而后煙氣進入主電除塵器，以進一步提高除塵效率。主排氣管為鋼制圓筒型，其要能夠承受較高的負壓和熱膨脹，其直徑由廢氣流量及流速決定。主排氣管內廢氣流速一般取12～18 m/s［7］。

本文從燒結廠建設設計角度出發，通過分析主廠房主排氣管的布置及對燒結主抽風系統的影響，提出將主排氣管改為落地布置的方案，并討論新布置對主抽風機等設備乃至整個燒結廠設計總圖的影響。本文所述改造思路可大幅降低工程的投資費用和后期運行費用，對燒結廠設計有重要的指導意義。

1 主排氣管的作用分析及主流布置方案

1.1 主排氣管的作用分析

（1）集氣作用。燒結機的風箱沿臺車寬度方向向兩側抽風，風通過風箱支管匯集到主排氣管。兩根主排氣管沿長度方向分為階梯狀的4段，其從尾部到頭部的截面直徑依次變大。主排氣管內的煙氣經過主電除塵器除塵后，被主抽風機送入煙氣凈化系統，凈化達標后方可排放［8］。

（2）降塵作用。在燒結生產過程中，由于料層受到風機負壓的作用，一部分散料和灰塵被吸入到主排氣管中，而主排氣管管道截面突然變大，風速下降，大部分的粉塵因為重力的作用沉降于主排氣管底部而后落入主排氣管下的灰箱中。一般采用雙層卸灰閥定期將沉積的灰卸到輸灰皮帶上，與燒結機小格散料一同送至冷卻后的燒結礦皮帶機上［9－10］。

1.2 燒結廠房主流布置方案

一般在主排氣管下方布置灰箱、卸灰鎖氣設備、雙層卸灰閥及散料輸送膠帶機等設備。根據燒結工藝流程，主排氣管的布置位置由環冷機的排料標高決定，其布置標高一般為7 m，而主排氣管上部設施在7 m標高往上布置，這樣整體增加了主廠房及相應連接設施設備的標高，增加了工程造價。燒結前段通常為濕料，容易造成雙層卸灰閥黏堵；此外，燒結后段為準成品礦，散落物料對雙層卸灰閥的磨損嚴重，這也提高了燒結機的整體漏風率［11－13］。

2 主排氣管布置新思路及具體方案

2.1 主排氣管布置新思路

取消主排氣管下面的灰箱和對應的雙層卸灰閥，將主排氣管降低高度，將其布置在±0.0 mm平面，同時將環冷機整體高度降低，相對應調整燒結機尾部卸礦斗和環冷機給料溜槽的結構，從而降低整個主廠房從燒結機到環冷機的整個高度。這樣既不影響主廠房內燒結機、環冷機的原有功能，又降低了廠房高度和工程造價，還減少了故障點和漏風率，節能環保，一舉多得。

2.2 具體布置方案

常規主廠房設計如圖1（a）所示。以500 m2燒結機為例，其主排氣管為圓形，最大直徑為5 200 mm，其支座底部標高為＋7.0 m，主排氣管中心標高約為＋10.0 m，在管道的下面設有灰箱和雙層卸灰閥。燒結機尾部設有燒結機卸礦斗，其下方緊接著環冷機給料溜槽，燒結礦通過卸礦斗和給料溜槽進入環冷機臺車面。為配合主廠房高度，將環冷機臺車軌道架空在＋3.8 m標高。為了達到前文所述的目的，新方案的燒結主廠房結構如圖1（b）所示。

圖1 常規布置和新方案主廠房的結構示意Fig.1 Schematic diagram of themain factory building structure w ith conventional and new scheme

新方案將主排氣管地面置于±0.0 m標高上，中心標高約為＋3.0 m，取消下部的灰箱及雙層卸灰閥，替代為埋刮板輸送機（圖2、3），同時調整燒結卸礦斗和環冷機給料溜槽的高度。以500 m2燒結機為例，將主排氣管高度降低7 m，燒結機卸礦斗高度壓縮1.2 m，給料溜槽壓縮2 m，環冷機軌道及臺車同樣置于±0.0 m平面上，壓縮3.8 m，總共壓縮7 m，剛好配合主排氣管降低7 m的高度。同時，將燒結機頭部的機頭電除塵器在結構上進行調整，進行一定的壓縮（配合頭部主排氣管的高度調整，不一定壓縮7 m）。

圖2 常規布置和新方案主廠房布置對比Fig.2 Layout com parison of themain factory building w ith conventional and new scheme

圖3 主排氣管及埋刮板輸送機結構示意Fig.3 Schematic diagram of structure of flue and buried scraper conveyor

主排氣管內的粉塵及顆粒通過落料孔落入埋刮板輸送機（為保證落料效果，落料孔的開孔位置與目前采用溜槽落料方式的開孔位置一致）（圖4）。埋刮板輸送機根據生產情況（各廠不同）設置啟停時間（每半小時啟動運行一周），啟動后埋刮板輸送機將粉塵及顆粒沿著主排氣管軸向輸送到燒結機頭部（也可沿著主排氣管設置兩條埋刮板輸送機，一條向頭部運行，一條向尾部運行），再通過皮帶機輸送到其他地方。

圖4 埋刮板輸送機示意Fig.4 Schematic of buried scraper conveyor

埋刮板輸送機通過法蘭與主排氣管下部連接，密封性好。在埋刮板輸送機下部設置－1.8m檢修地溝，需要檢修或整體更換時，直接拆除法蘭，施工方便。

粉塵顆粒被輸送到埋刮板輸送機頭部時，將落入頭部的臨時儲倉，該儲倉能存儲一定時長輸送過來的粉塵顆粒。在該儲倉頂部設置料位檢測裝置，當料位達到設定值時，料位檢測裝置給出電控閥門的動作信號，使儲倉內的物料被排放到皮帶機上運走，隨后關閉電控閥門。電控閥門采用雙閥配置，上閥先開，粉塵顆粒落入兩閥之間的短管，隨后上閥關閉，下閥打開，物料排出。這種設置有效避免了埋刮板輸送機的漏風（圖5）。

圖5 埋刮板輸送機頭部卸料示意Fig.5 Schematic diagram of the unloading in head of buried scraper conveyor

3 新方案的優點及其對工程投資和燒結礦產量的影響

3.1 新方案煙道設計優點

如果將煙道設計成鋼筋混凝土結構，則其截面可以根據風速計算漸變（燒結機尾部截面窄，向頭部線性變寬）。埋刮板輸送機整體置于混凝土煙道內，安裝完成之后再上鋪鋼板，使輸送機和煙道的氣流相對獨立運行，減少高速粉塵對輸送機的磨損；同時，鋼板上開有落料孔（與鋼制煙道同樣開孔），粉塵通過落料孔進入輸送機通道，由輸送機向頭部出料口輸送，其出料結構與上述鋼制煙道相同（圖6）。

圖6 鋼筋混凝土煙道示意Fig.6 Schematic dragram of reinforced concrete flue

混凝土煙道的優點：①混凝土煙道自成支撐體型，可與主體結構脫離，從而減少對燒結室的豎向荷載和水平荷載，減少燒結室的整體工程量。②采用混凝土煙道后，燒結室支撐平臺、操作平臺及整體高度明顯下降，可減少主體工程量；同時，控制燒結室頭部高度在40 m以內，從而解決地震烈度為8度及以上時，混凝土框架不能滿足《建筑抗震設計規范》要求的問題，減少投資。③煙道頂面可設計成施工平臺，從而減少上部結構施工時高支模的問題。④在內襯施工時，混凝土的附著力更大，便于內襯的施工和維護。

混凝土煙道的優點很多，但也會出現一些問題，需要在實際設計中考慮和克服，如：①主排氣管如采用混凝土煙道，設置的溫度伸縮縫增多，伸縮縫連接處受高溫影響，可能出現撕裂、裂縫等問題；②溫度區間增多，不便于上部支管的連接；③施工周期較鋼結構更長；④后期改造或裂縫等問題的處理，不如鋼結構便利［14－15］。

3.2 新方案對工程投資和燒結礦產量的影響

3.2.1 工程投資

（1）主排氣管布置于±0.0 m平面，主廠房整體高度降低，其土建工程量大幅降低；主排氣管可以考慮做成鋼筋混凝土煙道，進一步壓縮成本，也更加適應主排氣管的生產工況，且廠房內設備的安裝更加方便；燒結機混合料和鋪底料進料膠帶機的爬坡高度降低，功率減小，能源消耗降低，爬坡距離的減小也利于整個燒結廠設計總圖的布置。

本文針對某燒結工程主廠房主排氣管整體高度降低對于工程量進行對比，具體情況如下。

設計條件：①基本風壓為0.86 kN/m2；②地震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，設計分組為第一組；③混凝土強度等級現澆梁、板、柱均 為C40，鋼 筋等 級 為 HPB300、HRB400、HRB400E。

結構設計概況：①建筑物安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，設計使用年限為50 a；②高跨部分為1～3軸，采用現澆鋼筋混凝土框架結構，屋面為現澆鋼筋混凝土屋面；③4～21軸為低跨部分，采用現澆鋼筋混凝土框排架結構，屋面為鋼梁和壓型鋼板；④在3～4軸間和12～13軸間設計變形縫，基礎以上設計為雙柱脫開模式。

主排氣管常規、優化布置的計算模型如圖7、8所示。

圖7 常規布置計算模型Fig.7 Calculation model in current condition

圖8 優化布置計算模型Fig.8 Calculation model in optim ized condition

對燒結主廠房常規布置和主排氣管落地布置兩種方式進行建模，根據對應樓層布置計算廠房各樓層的現澆板、砼柱、砼梁及其他工程量，經過匯總對比得出，主排氣管落地布置相對于常規布置可節省鋼筋砼量約為24.6%。

（2）通過重新設計燒結機卸礦斗和環冷機給料溜槽的尺寸，同時配合環冷機軌道標高的調整，如采用的環冷機為液密封環冷機，該形式沒有單獨風箱也沒有散料收集，為了降低高度把環冷機軌道也置于±0.0m平面，可減輕環冷機鋼結構的重量，降低成本，也更加便于環冷機臺車的維護和更換。

（3）由于土方施工和鋼結構制造的工程量減少，整個燒結機的施工進度加快，工程周期縮短，工程的投資效益增大。

3.2.2 燒結礦產量

雙層卸灰閥主要用于主排氣管灰箱排灰時保證設備的密封效果。雙層閥的排灰過程分兩步進行：①開啟上層閥，保持關閉下層閥，積灰從主排氣管進入閥體內部的灰倉；②關閉上層閥，開啟下層閥，灰倉中的灰從閥體內排出，完成排灰過程。在排灰過程中，始終有1層閥門處于關閉狀態（閥門依靠閥芯與閥座的接觸密封）。非排灰狀態下，雙層閥上下層均處于關閉狀態。雙層卸灰閥筒體的內徑較小，耐磨材料薄，被物料磨損后出現孔洞，而泄漏的氣相流中夾雜的固相物料會加速閥芯的磨損，造成更大的漏風，引起惡性循環。另外，雙層卸灰閥插板在正常生產的時候會受物料的擠壓與卡阻，經常磨漏或無法有效關閉，在放灰時形成較嚴重的漏風。雙層卸灰閥與煙道相連，使煙道內部形成負壓，而磨損出的孔洞平時很難用電焊作業進行封堵。多個雙層卸灰閥間歇性排灰產生的無規律漏風時會造成燒結機不同區段風壓、風速的巨大變化，造成工藝過程不穩定、產品質量波動大［16］。

燒結機生產時，主抽風機的功率消耗：

式中：N為主抽風機有效功率，kW；Q總為風機進口流量，m3/s；P為風機進口壓力絕對值，Pa；δ為壓縮性修正系數；η為風機效率，%。

風機排出的燒結總廢氣量等于有效風量與漏風量之和，即：

式中：Q有效為有效風量，m3/s；λ為燒結系統總漏風率，%。

據研究，雙層卸灰閥產生的漏風率約為3%～4%。在取消雙層卸灰閥的情況下，燒結系統漏風率降低3.5%。燒結有效風量與風機功率消耗間的關系：

以某360 m2燒結機為例，共配置兩臺6 000 kW 的主抽風機，在滿負荷運行時，風機進口負壓為－18 kPa，壓縮性修正系數取為0.94（由于氣流在流量計前、后會產生壓差，實際在測量壓縮性流體流量時要乘以壓縮修正系數以消除壓縮性的影響），風機效率取70%，總漏風率取為35%，經計算燒結的有效風量為322.70 m3/s。若將雙層卸灰閥取消后，在風機做功不變的情況下，燒結有效風量為340.07 m3/s。由于燒結產量與有效風量成正比，因此，取消雙層卸灰閥后產量提高約5.4%。另外，埋刮板輸送機代替了灰箱和雙層卸灰閥，避免了由于物料的原因導致的雙層卸灰閥動作失靈，減少了故障，提高了工序作業率。

4 結 論

（1）新布置方案將主排氣管置于地面，在排氣管內設置埋刮板輸送機，使粉塵通過落料孔進入輸送機通道，并由輸送機向頭部出料口輸出，替代傳統的卸灰閥和粉塵輸送皮帶。新方案輸送機和煙道的氣流相對獨立運行，可減少高速粉塵對輸送機的磨損。

（2）新方案將主排氣管置于地面，同時將環冷機整體高度降低，相對應調整燒結機尾部卸礦斗和環冷機給料溜槽的結構，從而可使主廠房高度整體降低約7 m。

（3）采用鋼筋混凝土結構取代鋼結構后，落地的主排氣管建造可節省鋼筋砼量約為24.6%。取消主排氣管下部的灰箱及雙層卸灰閥后，燒結系統的漏風率降低3.5%，產量提高約5.4%。新方案的實施可大幅降低工程的投資費用和后期運行費用。