烧结烟气循环系统烟风管道的设计与研究

胡建波

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

钢铁企业属于传统的高耗能、高污染行业，如何采用先进技术进行生产工艺改造升级，实现节能、减排、降耗是每个钢铁企业根本之路。烧结工序能耗约占钢铁生产总能耗的10%左右，仅次于炼铁工序，是钢铁生产的第二耗能大户。烧结烟气循环技术,使烧结主抽风系统与烟气循环系统能平衡运行,实现了烧结系统的稳定运行,并且在烧结机机头烟气的减排、降低固体燃料消耗及提高烧结矿质量等方面都有很好的效果。

随着烧结烟气循环技术的普遍应用，烟风管道的合理设计与优化也突显出其重要性，它是烧结烟气循环工艺中的重要组成部分，不仅决定着工艺能否安全合理的运行，也是整个系统投资的重要部分。烟风管道具有管径相对较大，介质温度较高，安装情况比较复杂等特点，针对以上特点需要对烟风管道的设计认真梳理与研究，使烟气循环系统的运行更加安全、稳定及合理。

1 烧结烟气循环系统管道组成

1.1 烟风管道系统主要组成部分

通常情况下，烧结烟气循环管道系统主要由以下两部分组成：

第一部分管道，由环冷机低温段上罩接出，经由多管除尘器、风机接至烧结机上罩。此部分管道的工作温度一般为200～250 ℃左右。

第二部分管道，由烧结机头部风箱与尾部风管分别接出，汇合后经由多管除尘器、风机接至烧结机上罩。烧结机头部风箱风温约为150 ℃；烧结机尾部风箱风温约为450 ℃。二者混合后风温约为200～250 ℃。

1.2 管道附属设施

管道附属设施通常包括弯管、大小头、堵板、补偿器、人孔、放灰管等。

2 烟风管道的布置原则

管道的布置既要考虑管道系统本身的技术经济合理性，又要与总图、工艺以及土建等相关专业配合，在安全合理的前提下，尽量做到检修方便，布局美观。

1)管道应架空敷设，布置应力求顺直、通畅、附件少、阻力小，弯管的弯曲半径按管径的1～1.5倍设计；大小头的扩散角一般不大于15。，保证管道内气流顺畅。

2)管道穿车间墙壁或楼板时，应预留好相应的孔洞，孔洞与管道外壁(如有外保温，则为外保温结构保护层)应留有一定的间隙，一般不应小于20～100 mm。

3)管道沿车间墙或柱敷设时，管道外壁与车间墙或柱的净距不小于500 mm，当管道外径小于500 mm时，应不小于管道径。

4)管道与设备一般采用法兰连接。

5)在管道弯管附近、管道垂直起升等处宜设放灰管，以便于及时将管道中的积灰排出。

3 烟风管道的规格与材料

3.1 烟风管道规格

3.1.1 圆形管道规格

烟风管道的截面一般采用圆形，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。

考虑管道内气体含尘量较大，特别是由烧结机头部、尾部风箱引出的烟气含尘量要远大于环冷机低温段引出的烟气含尘量，烟风管道弯管处的壁厚应适当加厚，其中由烧结机风箱引出的风管应喷涂耐磨浇筑料，喷涂厚度为50 mm。

由于烟气温度较高，圆形管道规格≥DN1 000时，应设置环形横向加固肋，以增强管道的刚度，加固肋可以用扁钢或角钢等型钢制作。

3.1.2 矩形管道规格

矩形管道在烟气循环系统中应用较少，一般在烧结室内空间有限的情况下使用，在采用矩形管道时，应配置足够的加固肋或内撑杆。

关于管道规格及相关要求，可参见华东电力设计院编制的《烟风煤粉管道零部件典型设计手册》与国标图集06R403《锅炉房风烟道及附件》。

3.2 烟风管道材料

管道的选材应根据不同的设计温度选用相应的材质。

1)由环冷机低温段接出的烟风管道，烟气温度约为200～250 ℃，应选用Q235-B材质。

2)由烧结机风箱接出的烟风管道，烟气温度约为450 ℃，应选用Q345-B材质。

3)管道加固肋材质应与烟风管道材质一致。

3.3 烟风管道设计计算

烟风管道的管径一般由烧结工艺专业确定，当管道布置需要对某个管段的管径调整时，可按下面公式计算调整，调整后要与烧结工艺专业确认。

烟风管道截面积按下面公式计算：

(1)

式中：F—烟风管道截面积，m2；V—烟气流量，m3/h；ω—烟气流速，流速一般取18～20m/s。

对于圆形管道，直径计算：

(2)

式中：F—烟风管道截面积，m2；d—圆形管道直径(m)。

对于矩形管道，其截面积计算：

F=HB

(3)

式中：F—烟风管道截面积，m2；H—矩形管道高，m；B—矩形管道宽，m。

在设计过程中管径的尺寸要统一，以避免上下游专业或管道与设计之间连接尺寸不一致。一般圆形管道规格为管道外径×壁厚；矩形管道规格为宽×高，其中宽与高均为外壁尺寸。

4 烟风管道的补偿

在烟风管道设计中，一定要重视管道热胀冷缩的问题。要使管道在热态时安全稳定运行，减少管道的二次应力则必须考虑管道的补偿。管道应尽可能利用自然补偿，当自然补偿无法满足设计要求时，应采用补偿器。管道因温度变化而引起的伸缩量，可按下面公式计算[2]：

ΔL=Lα(t2-t1)

(4)

式中：ΔL—管道伸缩量，cm；L—计算管长，m；α—管道的线膨胀系数，cm/(m·℃)；t1—管道设计安装温度，一般取用20 ℃；t2—管道设计温度，℃，正常工作时的最高温度。

4.1 补偿器的选择

烟风管道建议选用非金属补偿器，其主要具有以下特点：

1)可以在较小的长度范围内，提供多维度的位移补偿。

2)由于补偿器元件采用橡胶玻璃纤维复合材料，几乎没有弹性力，可以简化管路设计，节约支架成本。

3)橡胶玻璃纤维复合材料能有效地降低风机等设备产生的振动和噪声。

4)采用不同橡胶复合材料和在圈带的内部设置隔热材料，可达到较宽的温度范围。

5)可以补偿一定的安装误差。

4.2 补偿器设置原则

1)在选择补偿器时，应该因地制宜，结合实际情况选择合适的补偿器。

2)烟风管道在与设备相接时，通常要设补偿器，如环冷机风罩接口、多管除尘器进出口、风机进出口、烧结机风箱接口等处。这样可避免管道的受力传递到设备上，对设备造成损坏或安全隐患。

3)补偿器一般安装在管道的两个固定支架中间，考虑到补偿器本身的重量在管道膨胀与收缩的时候不发生扭曲，必须用两个单片支架(或导向支架)平均支撑补偿器重量。单片支架的间距，在车间外部时一般为3～4 m，在车间内部时最大不超过6 m。

4)在任意直管段上，两个固定支架之间只能安装一个补偿器。

5)非金属补偿器安装时，根据需要可以预压缩或偏装，但不允许冷拉。

6)当选用波纹补偿器时，应考虑补偿器预拉伸，预拉伸量为50%补偿量。

5 烟风管道的荷载及跨距

5.1 管道荷载分类

通常情况下，应提供给土建专业的荷载如下[3]：

1)永久荷载，包括管道、管道附件及保温结构等自重，管道内介质的重量。

2)活荷载，管内沉积物、平台的操作或检修荷载等，补偿器的弹性力，介质压力作用下产生的不平衡内压力。

5.2 管道跨距计算

管道支架的跨距大小直接决定着管道支架的数量。跨距太小造成管道支架过密，支架费用增高，在保证管道安全和正常运行的前提上，应尽可能地增大管道支架跨距，以降低支架建设成本和支架维护费用。管道支架允许跨距取决于管道材质的强度、管道截面积、外部荷载大小以及管道允许的最大挠度。

5.2.1 跨距无附加负荷时的计算

烟风管道积灰荷载，除尘器前一般按管道截面积的三分之一考虑，除尘器后一般按管道截面积的四分之一考虑。烧结系统烟气内粉尘的体积密度一般取1 700 kg/m3。

1)按强度条件计算管道允许跨距。

对于均布荷载并且连续敷设的水平直管段，最大允许跨距可按下列公式计算：

(5)

式中：L—管道允许跨距，m；[σ]t—钢材热态许用应力，N/mm2；W—管道截面抗弯截面系数，cm3；φ—焊缝系数；q—管道单位长度计算荷载，N/m，包括永久荷载和活荷载。

2)按刚度条件计算管道允许跨距。

一般情况下，管道在一定的跨距下总有一定的挠度，由管道自重产生的弯曲挠度，按照坡度为0.005时的挠度不超过f=L/600计算，管壁的应力不超过127.5 MPa。

对于均布荷载并且连续敷设的水平直管段，最大允许跨距可按下列公式计算[2]：

(6)

式中：L—管道允许跨距，m；I—惯性矩，cm4；i0—管道敷设坡度，i0一般取≥0.002；Et—在计算温度下钢材弹性模量，N/mm2。

3)管壁应力计算公式[2]：

(7)

式中：σ—管壁应力，MPa；L—管道允许跨距，m；q—管道单位长度计算荷载，N/m;W—管道截面抗弯截面系数，cm3。

4)挠度计算公式[2]：

(8)

式中：f—挠度；L—管道允许跨距，m；q—管道单位长度计算荷载，N/m;I—惯性矩，cm4。

5.2.2 跨距有附加负荷时的计算

当烟风管道有其他附加负荷时，在q中加上附加负荷，计算方法与上述公式相同。

管道跨距按强度公式计算的值大于挠度公式计算的值，为保证管道安全正常工作，设计时应按挠度公式计算。

对于烟风管道而言，管径较大，工作温度较高，计算的跨距应适当减小。

水平90°弯管两支架之间的管道展开长度，不应大于水平直管段上支架最大允许跨距的0.73倍。尽端直管两支架之间的管道长度不应大于水平直管段上支架最大允许跨距的0.81倍。

6 烟风管道的支架布置

管道的支架是管道系统中的重要组成部分。管道支架有着支承管道重量，限制位移，平衡介质反力和防止管道振动等作用。在管道系统设计过程中，合理布置和正确选择支架类型，可以优化管道的应力分布情况，确保管道安全运行。

6.1 常用烟风管道支架分类

1)固定支架：管道的固定点，它承受管道轴向和横向推力。

2)单片活动支架：在管道轴线方向有位移，横向有刚度。

3)铰接支架：仅承受管道的垂直荷载，允许管道在平面上作任何方向的移动，一般布置在自由膨胀的弯管处。

6.2 管道支架布置原则

1)布置烟风管道支架时，力求各支点荷载均匀分配。

2)水平弯管两侧的支架，应将其中一个布置在靠近弯管处。

3)大小头两侧的支架，应将支架设置在管径大的一侧。

4)与设备相连接的管道建议将支架设在设备接口附近，以避免设备承受管道荷载。

5)室外敷设的烟风管道的独立活动支架，应为柔性支架或半铰接支架，可有效减少摩擦推力。

6)支架的布置应尽量接近转折点(但是不能在弯头的焊缝上)，以免悬臂太长。

6.3 管道固定支架水平推力计算

固定支架的水平推力一般由几个力组成，在设计时应根据管道的实际布置形式计算。

通常在管道设计过程中，需要向土建专业提供的沿管道轴向水平荷载一般包括以下三种：

1)补偿器的反弹力。

当使用波纹管补偿器时，反弹力为波纹管刚度产生的反力。

当使用非金属补偿器时，反弹力可忽略不计。

2)管道内的不平衡内压力。

当固定支架布置在带有弯管或者在装有阀门、堵板的管段上时，内压水平荷载按下面公式计算：

F=p0A

(9)

式中：F—轴向推力，N；p0—介质工作压力，MPa；A—补偿器的有效截面积，mm2。

3)刚性活动支架的摩擦力。

当用刚性活动支架时，为固定支架至补偿器之间各活动支架的摩擦反力之和。建议在刚性活动支架与管道的接触面上垫两层聚四氟乙烯板，摩擦系数μ可降为0.1。

7 管道的保温与防腐

管道保温的主要目的在于减少管道内热烟气在输送过程中的无益热损失，保证热烟气的参数满足工艺要求。其次在于改善工作环境、防止高温烫伤人员。

7.1 管道保温的原则

1)要求外表面温度小于或等于50 ℃的管道，以及环境温度为25 ℃时，外表面温度大于50 ℃的管道。

2)凡管道需要经常操作、维护，而又容易引起烫伤的部位。

3)生产中要求介质温度保持稳定的管道。

7.2 保温材料的选择

1)保温材料的允许最高使用温度应高于管道的设计温度，也就是正常工作时的介质最高温度。

2)由于来自烧结机尾部风箱的烟气温度约为450 ℃，建议选用硅酸铝制品作为管道的保温层。

3)保护层宜采用金属保护层，通常采用彩钢板、镀锌薄钢板及铝合金板等。由于烟风管道的直径较大，一般在DN2 000～DN4 000之间，建议使用厚度为0.60～0.75 mm的彩钢板。

4)来自烧结机头部和尾部风箱的烟风管道内壁应喷涂有厚度为50 mm的莫来石喷涂料。喷涂料每隔3 m设一道膨胀缝，膨胀缝宽度为10 mm，膨胀缝内填充硅酸铝纤维毡。建议选用密度为1 700 kg/m3的莫来石喷涂料。

7.3 管道的油漆和防腐

1)为减少管道的腐蚀，延长管道和保温层的使用寿命，管道表面应按不同要求进行外部油漆。

2)管道在涂装前需要进行除锈处理，并达到规定的预处理等级。

3)设计温度在120～420 ℃范围内的烟风管道外表面宜涂耐高温涂料。高于420 ℃的烟风管道表面可只做除锈处理，除锈等级与涂漆管道相同。

4)管道弯管、穿墙处、管道密集的部位，应涂刷介质名称及介质流向。

8 结语

随着我国冶金水平的不断提高，烧结工艺也在不断升级，近些年来，烧结烟气循环系统在烧结厂建设中越来越普及，对烟风管道系统的设计要求也随之不断提高，管道系统设计的好与不好，关系到工艺系统是否技术先进与经济是否合理，关系到生产工艺是否安全可靠与节能环保。

热风管道的特点为管径较大，一般在DN2 000～DN4 000之间；温度较高，一般在150～450 ℃之间。所以，从管径方面考虑其为结构件；从温度方面考虑其兼有热力管道的特性。在管道设计时既要考虑到其作为管道的特性，还要考虑其作为结构件的性质。所以，要想做好这部分管道的设计工作，不仅要掌握好钢结构的相关知识，还要研究热力管道相关知识，只有两方面兼顾了，才能使管道结构强度既安全，工艺性能又好，烟气循环工艺系统的技术也更先进与经济合理。