转炉汽化冷却烟道安全设计

岳雷

(1.中冶华天包头设计研究总院有限公司 内蒙古包头 014010； 2.内蒙古科技大学 内蒙古包头 014010)

0 引言

氧气转炉汽化冷却烟道技术在大中型转炉中被广泛使用，是冶金系统烟气余热回收的有效手段，根据《钢铁企业节能设计规范》和《钢铁工业资源综合利用设计规范》，转炉汽化冷却烟道是冶金企业重要的一、二次能源回收手段，相继颁布了《烟道式余热锅炉设计导则》和《氧气转炉余热锅炉技术条件》，并且提出了相关的传热计算方法[1-2]。

影响转炉汽化冷却烟道的因素比较多，包括：转炉规模、吹炼时间、空气过剩系数、气体和炉尘的性质、气体成分、烟气入口活动烟罩温度、汽化冷却烟道结构形式等。其中，空气过剩系数和汽化冷却烟道结构形式与实践生产联系最紧密，并且在设计与生产过程中可调性最强，其直接影响热量回收和转炉煤气回收的质量[3-4]。在转炉生产制度及规模一定的条件下，空气过剩系数对转炉烟气温度、一氧化碳含量及烟气量有着决定性作用。当空气过剩系数增大时，转炉煤气的温度会升高、一氧化碳的含量会降低、烟气量会增大；当空气过剩系数减小时，转炉煤气的温度会降低、一氧化碳的含量会升高、烟气量会降低。空气过剩系数直接影响着转炉煤气的质量和转炉汽化冷却烟道的安全运行。另一个关键因素就是烟道的几何尺寸，烟道的几何尺寸决定了烟道的传热面积，直接影响了对流传热量和辐射传热量，在设计过程中，合理地确定烟道的几何尺寸是非常关键的问题[3-4]。

在烟道几何尺寸合理的前提下，生产过程中合理地调整空气过剩系数，既保证转炉煤气的高品质回收，也要保证转炉煤气出口温度不低于610 ℃[5]，确保整体转炉汽化冷却烟道的安全运行。

1 烟道几何尺寸分析

合理的烟道几何尺寸对于转炉汽化冷却烟道直接影响烟道的对流传热面积和辐射围挡面积，直接影响整体烟道的热回收效果和转炉煤气出口温度，当温度低于610 ℃时，就很容易引起安全事故，发生烟道爆炸。但是，当面积不足时，则会出现温度过高导致后段蒸发冷却系统能力不足，当转炉煤气出口温度高于950 ℃时，就会很容易发生蒸发冷却器或文氏管烧损事故。因此，合理地选择烟道的几何尺寸，保证对流传热面积和辐射传热面积处于合理区间，是转炉汽化冷却烟道安全运行的首要条件。烟道过长或直径过大，会使转炉煤气出口温度降低，一般为保证转炉煤气的回收质量，转炉汽化冷却烟道的空气过剩系数通常设定为0.08～0.12[1-3]。

见图1，通常，转炉汽化冷却烟道是由活动烟罩、炉口段、中间段和末端组成，其中转炉煤气出口温度对活动烟罩几何尺寸的变化非常敏感，采用空气过剩系数0.1，使用转炉汽化冷却烟道计算软件对80，120，180，210 t转炉进行综合分析[5]，见图2。

活动烟罩一般可以认为其被火焰笼罩，其冷却作用主要为吸收辐射传热，对流传热量可以忽略不计。首先对活动烟罩进行分析，当活动烟罩尺寸发生变化时，转炉煤气的出口温度参考图3，活动烟罩出口温度参考图4。通过对活动烟罩辐射围挡面积的变化，对转炉煤气的出口温度进行计算，可知当转炉汽化冷却区烟道的其他组成部分不变时，活动烟罩辐射围挡面积的变化对转炉煤气出口温度的影响较大，其主要原因在于活动烟罩的进口炉气温度最高，此时如果增大冷却面积，在最初的活动烟罩处温降将非常明显，这直接会影响最终的转炉煤气出口温度，根据计算统计分析，当活动烟罩处的辐射围挡面积增加1倍时，转炉煤气的出口温度将下降约200 ℃。

图1 余热锅炉结构

图2 计算软件示意

通过计算分析可知，活动烟罩的尺寸设计不仅仅要考虑到活动烟罩的行程、操作空间及烟道的结构形式，更重要的是应详细计算辐射围挡面积，保证其不影响转炉煤气出口温度。转炉规模较大时，应注意其温度过高，对蒸发冷却设备或文氏管造成危害；转炉规模较小时，应注意防止其温度过低，造成爆炸事故。

2 空气过剩系数分析

合理地确定空气过剩系数是非常重要的，降低空气过剩系数虽然可以提高转炉煤气品质，提高一氧化碳的含量，但是当空气过剩系数达到一定数值时，此时转炉煤气已经无回收价值，但是随之而来的是风量的增加和转炉煤气出口温度的增加。

图3 转炉煤气出口温度变化

利用氧气转炉汽化冷却系统计算软件计算，对80，120，180，210 t转炉进行综合分析，各吨位转炉烟道的对流传热面积和辐射围挡面积可参考下表1。根据表1所提供的数据，对空气过剩系数由0.06至0.4进行分析计算。

图4 转炉煤气活动烟罩出口温度变化

根据图5所示，当空气过剩系数增大时，转炉煤气的出口温度基本上会上升约100 ℃，同时风量也会增加。对于正常生产过程，空气过剩系数一般会被控制在0.1左右，当活动烟罩出现不正常运行或需要提高空气过剩系数的情况下，如果空气过剩系数低于0.2，则不会对转炉煤气出口温度产生较大影响，不会引发安全事故。但是，空气过剩系数达到0.4时，转炉煤气出口温度将会提高100 ℃，此时，蒸发冷却系统或文氏管将容易发生烧损或冷却不完全问题。

表1 转炉传热面积

图5 空气过剩系数-温度变化

3 结语

综合以上分析，转炉汽化冷却烟道的安全设计的要点包括合理的烟道结构和合适的空气过剩系数控制范围。合理结构和合适的空气过剩系数是转炉汽化冷却烟道在设计、生产过程中至关重要的因素，任何一方面出现问题，都会导致安全生产事故的发生，带来不可估量的损失。因此，在炼钢车间转炉汽化冷却方案制定、工程设计及试生产过程中，都必须详细地针对不同设计条件和操作方法来准确评估转炉煤气的温度变化，防止发生爆炸或烧损事故。