大型半封闭矿热炉用静压过渡集排烟罩.pdf

年第 期总第 期铁 合 金.:./.作者简介 陈宏锐 男 年 月出生毕业于长春理工大学机械及自动化专业:.收稿日期 大型半封闭矿热炉用静压过渡集排烟罩陈宏锐高海荃鞠孝书李闯杨海峰(四川骏驰冶金成套设备制造有限公司 四川都江堰)摘 要 介绍了大型工业硅半封闭矿热炉用的静压过渡集排烟罩的设计通过对工业硅炉口反应产物的稳定燃烧进行火源模拟结合燃烧产生的火烟羽流生成机理、流动机理、防排烟系统设计原理对烟罩进行优化强化烟罩均压、导向缓、冲、储烟等排烟作用并分析了烟罩对实际生产过程中容易出现的炉门漏烟、吸穿带料、塌料冒烟等问题的抑制作用 为静压过渡集排烟罩的成功应用提供理论基础助力烟罩的推广应用关键词 工业硅 矿热炉 静压过渡集排烟罩 机械结构中图分类号.文献标识码 文章编号()(.).前言工业硅矿热炉因其生产过程中需固定进行捣炉、加料操作导致单位产品产生的烟气量更多等特性所以其主要冶炼设备 半封闭矿热炉的烟罩设计更加具有典型性也直接决定了炉内排烟效果炉台工作环境和炉外能源、环保系统的配置情况目前工业硅矿热炉广泛应用的平顶结构矮烟罩在生产中普遍存在漏烟、冒烟吸穿带料排烟系统工艺参数过大等问题 本文提出一种新型的大型半封闭炉用静压过渡集排烟罩(以下简称“新型烟罩”)具有储烟、均压、导向、沉降、驱动等作用能够为有效解决工业硅生产的烟气常见问题提供更优的配置方案 工业硅矿热炉烟气产生及流动原理.工业硅炉口部位的燃烧工业硅的生产是碳质还原剂中的固定碳还原硅石中二氧化硅的过程综合反应方程式为:生产稳定还原出的 不断溢出料面在炉口处接触空气稳定燃烧 因此可将工业硅炉口部位的燃烧看作持续放热的火源生成的烟气看作发生火灾时形成的火烟羽流工业硅矿热炉烟罩及烟道系统看作固定空间的机械排烟系统工业硅矿热炉捣炉、扎料操作和塌料、刺火的炉况伴随炉内大量可燃气体的瞬间逸出炉口部位出现燃烧面积和速率迅速增大的情况与火灾发生的轰燃情况类似是火灾最危险的阶段也是烟气控制最难的阶段新型烟罩主要应对半封闭炉烟气的集烟、排烟问题 设计过程中选取半封闭矿热炉生产最差的情况进行研究分析采用火灾模拟的方式测算捣炉期间的最大烟气量(即火灾轰燃阶段)针对性地匹配烟罩功能提出合理的烟罩设计结构.工业硅矿热炉最差工况情况下的烟气量测算最差工况情况下的烟气量测算方法是以燃烧理论为基础矿热炉生产时的平均可燃产物生成及燃烧情况作为炉口燃烧的稳定阶段设定矿热炉捣炉、扎料炉况作为炉口燃烧的轰燃阶段选取稳定阶段到轰燃阶段作为半封闭矿热炉炉口燃烧的研究区间 各项参数的设定均以得到最大的烟气量为基本计算原则 参与燃烧的反应物包括炉内生成的 气体和炉口损失的约 的还原剂 则烟气量计算公式如下:().(.)().(.)()公式()中:为半封闭矿热炉烟气质量流量/为 时烟气密度/为烟气的比热容/()为轰然阶段的最大热释放速率 ()如果已知 即可获得烟气的质量流量从而得出烟气的体积流量 根据火灾热释放速率计算公式:()公式()中:为火灾热释放率的增长系数/取.为火灾持续的时间为得到最大的火灾热释放速率 设定热释放时间 内炉口可燃物全部燃尽 越长烟气量越大 即计算过程应尽可能考虑更多的可燃物参与燃烧 根据火灾理论燃烧时间计算公式:.()公式()中:为半封闭矿热炉设计火灾载荷密度/为通风系数/单位时间内火灾载荷密度可由 得出即为火灾释放速率与燃烧面积的乘积 本次测算 取炉膛直径(.)的圆形面积通风系数与烟罩结构形式和操作工艺有关本次计算以新型烟罩的各项通风口参数为计算基础考虑炉门、底部环形通风口、缝隙以及炉口与烟罩内壁环隙通风口的进风影响以捣炉时 个大炉门同时开启为极限条件的情况下通风系数为.捣炉加料时单位时间 内全部可燃物燃烧热值为:(.)其中:为 燃烧热值/取./为碳质还原剂燃烧热值/取 /以工业硅产能 /(即 ./)同时考虑了炉内持续保持 情况下向进入炉内的环境空气和循环冷却水辐射热量以及焖烧过后捣炉操作期间可燃物积聚系数的影响 综合以上因素得出的最大热释放速率 /不考虑压强差异情况下转换得单台 工业硅矿热炉烟气量折合标况约 万/设计时土建选用 /的烟气量设计参数 与传统烟气量过氧系数计算方法结果相符且为生产中炉内排出的最大烟气量在以上计算过程中烟罩内热量来源仅考虑燃烧热料面辐射热和电极电阻热暂不考虑 烟罩对外辐射热忽略不计 除烟罩设置的进风口、炉门、排烟口外其他部件漏风率忽略不计.工业硅炉口燃烧烟羽流分区上述计算的工业硅矿热炉烟气量在烟罩内的火烟浮羽流流动过程可参考燃烧情况分为三个区铁 合 金 年 域:不受顶板影响的火烟浮羽流区受顶板影响的烟流撞击区主流烟流区如图 所示图 工业硅烟气流动分区示意图.炉内还原产生的 燃烧生成的热烟气与卷吸进来的空气受热上升并在上升过程中继续卷吸周围气体共同前行形成垂直方向的气体流动 即不受顶板影响的火烟浮羽流在正常生产时期由于有涌向收烟口的风流存在不受顶板影响的火烟羽流受到风流的推力而向下风侧发生弯曲形成主流烟流上升的火烟浮羽流遇到烟罩平顶的时候由于受到平顶板的限制而受阻呈现垂直方向的滞止状态从而在局部形成受顶板影响的冲击区即受顶板影响的撞击烟流 撞击烟流将凭借初始动量克服平顶板的摩擦阻力呈现由中心向四周的水平扩散流动即顶棚一部分汇入主流烟流一部分形成烟流滚退其中顶棚射流区和滚退烟流是火烟羽流的最不稳定形态直接影响防烟、排烟效果 对于平顶结构的烟罩在烟罩顶部任意区域都会形成撞击烟流当顶棚射流层不能及时汇入主流烟区或烟流滚退路径超过烟罩边缘时就会发生冒烟、漏烟现象 新型烟罩的设计也重点围绕此部分烟羽特点进行结构和功能的匹配设计 静压过渡集排烟罩机械结构简介.平顶结构烟罩的问题目前矿热炉烟气的收集通常采用平顶结构的矮烟罩 矮烟罩内烟层厚度较低不利保证烟罩内最小清晰高度的要求 采用矮烟罩的矿热炉排烟口截面仅限于烟道口区域排烟截面小排烟能力有限且矮烟罩的储烟能力较弱当烟罩内烟气生成速率频繁波动产出烟气速率小于排烟速率时会产生冒烟、漏烟现象 加之常规矮烟罩没有均压和沉降功能排烟口及附近的烟气层下部的大量空气混合烟气涌入排烟口排烟口处则会发生“吸穿”现象当排烟口处局部烟气流速大于炉内物料沉降速度时在吸风口附近的小颗粒物料容易被风带走产生“带料”也给外部除尘系统增加了大颗粒物料的预除尘环节环保投资和系统压力都大此外现有矮烟罩难以形成排烟过程中较大的速度梯度更没有加速度无法实现特殊情况下迅速排烟达到炉况突然波动瞬间产生大量烟气时的排烟效果因此现有矮烟罩更容易发生滚退烟流以及射流烟气外溢的现象.新型烟罩的结构特点烟罩本体包括:集烟段、中心盖板、静压烟箱、骨架梁和水冷结构集烟段是全覆盖于炉口火焰燃烧面积设置炉门、观察门、通风口等结构是决定烟罩通风系数的主要部件中心盖板位于集烟段正上方其下表面呈平面结构 中心盖板安装高度位于静压烟箱底部收烟口截面以上高度范围大于形成顶棚射流的烟气层厚度 中心盖板与集烟段形成环形收烟口集烟段上方收烟区域设置有高于中心盖板的静压箱静压箱分为环部和过渡两段:过渡静压箱位于烟道口附近下沉于集烟段能够使烟气提前进入到收烟状态环部静压箱与环形收烟口对应是主要的储烟、缓冲段能够更加匹配大容量半封闭矿热炉烟气塌料刺火时的烟气量且利于排烟管的均匀配风减少排烟道口处的阻力损失 静压箱顶面呈现自远离排烟部排烟口由低到高逐渐倾斜的螺旋上升结构环部静压箱和排烟部的外周表面均设置有冷却水通道 新型烟罩通过上述结构设计能够在排烟过程中有效降低烟罩的表面温度 工业硅矿热炉用静压过渡集排烟罩三维结构图及与平烟罩对比数据分别见图 和表.新型烟罩内烟羽流动情况炉口生成的烟气在集烟段垂直上升 收烟口区域内的烟气持续触碰环部烟箱的上壁面在螺旋上升面上形成沿坡面方向自坡底向坡顶的动压逐渐 第 期陈宏锐等 大型半封闭矿热炉用静压过渡集排烟罩 图 工业硅盆型用静压过渡集排烟罩三维结构图.表 新型烟罩相比于平烟罩增加的设计数据.名称增加值环部静压箱容积/过渡静压箱容积/收烟面积(平烟罩顶板处截面)/比表面积/.倍()静压烟罩当量高度/.增加的曲线产生较大的速度梯度并具有一定的加速度烟气可自驱排入烟道口中心盖板区域内的烟气在上升过程中提前受到盖板下表面的阻挡更早一步形成相对于周围环境较大的静压向冲击区外缘相对负压的区域散开形成顶棚射流层直接进入环形收烟口汇入主烟羽流区 新型烟罩内部烟气分区示意图见图 图 新型烟罩内烟气流动分区示意图.静压过渡集排烟罩的排烟优势.排烟能力机械排烟系统中单个排烟口的最大允许排烟量 计算公式:.()()公式()中:为排烟口最大允许排烟量/为排烟位置系数取.为排烟系统吸入口最低点之下烟气层厚度 为烟层的平均绝对温度取 为环境的绝对温度取 由公式()可知单个排烟口的最大允许排烟量理论计算值只与烟层厚度有关 相比于平顶结构的矮烟罩新型烟罩烟层当量高度增加了.环部静压箱内烟层厚度增加 以上理论排烟量测算结果约为平烟罩的.倍 计算公式:盆平/新/平()公式()中:新.平.则:盆平 .().均压、沉降功能根据各粉尘在除尘管道中所需最低的风速表显示排烟口风速(或是差值)不宜大于 /过大则过多吸入周围空气 而此部分风速差达到/以上时会带走轻矿粉尘炉内还原用煤、木炭、木片就会随风带出造成炉内局部缺碳配碳不准影响冶炼效果 而炉外则需设置旋风除尘器收集大颗粒粉尘环保系统投资大、运行费用高新型烟罩内的烟气流速分为三种分别对应大烟罩的全直径截面、新型烟罩的环部静压箱环形收烟口截面和烟道口截面每一次经过变截面时烟罩内对应的烟气流速为 /、/而静压箱范围相对于排烟口来讲相当于一个扩大的均压、沉降区经过此区域的烟气流速增加但小于物料可被带走的流速而且配风均匀静压箱内静压处处相等沉降区域大距离长可有效避免炉内物料被带出.储烟功能以 工业硅半封闭矿热炉应用的新型烟罩为例排烟口上部相比于平烟罩增加的静压箱容积约 其中包括环部静压箱增加容积 过渡静压箱增加容积 比表面积增加约 可保证炉内清晰高度 以上根据前文理论排烟能力测算静压箱的设置可应对炉内约 以上的烟气波动且排烟口处压力均匀恒定对后续环保和余热设备的稳定运行提供保障且可为取消旋风预除尘系统的配置提供支撑(下转第 页)铁 合 金 年 表 工业硅生产线智控系统应用的相似工序及契合点.钢铁生产线工业硅生产线相似工序及契合点备注一键出铁一键出硅出炉操作基本相同工业硅生产线需连锁硅液包底吹氧精炼过程一键配、上、布料一键配、上、布料原料转运原理基本相同一键倒罐一键翻包工业硅翻包工序需完成硅包定位、锁紧、对浇口、定速倾翻功能一键脱硫一键环保环保设施配套几乎相同一键开/终浇、一键飞包一键浇铸两工序不完全相同个别功能调整一键智能抓渣一键智能清理污泥可用于硅石水洗工序的污泥清理 工业硅矿热炉自动化控制发展方向基于以上工业硅生产线智能化配置的初步方案未来工业硅矿热炉智能化控制系统仍需进一步完善独立工序内完整的、科学的模型控制系统 如:()炉料方面 采用图像识别技术对料面在径向方向上的分布形状进行仿真更真实地反应实际布料效果 建立矿热炉炉口料面跟踪模型炉料粒径检测模型真正实现自动地补加料、修正料比、调整供料周期、加料、捣炉及拨料()炉型方面 根据智能控制数据模拟生产关键工艺参数建立冶炼过程仿真模型动态模拟展示炉内物料变化过程、热流变化过程和能源变化过程为炉况判断上下工序联动、联产操作提供可靠的直观指导()流程方面 以炉料、炉型的智能化控制为基础将生产线原料系统、炉前浇铸工艺、环保系统、余热利用系统及其他公辅设施的智能化控制系统全线整合同时强化模型间的通讯控制系统设计 最终建立工业硅生产线全流程的动态化、智能化冶炼模型和专家系统真正实现“智能感知智能分析智能决策智能执行”的科学闭环 结语随着工业互联网高并发可扩展海量信号点的实时采集技术高可用毫秒级工业设备操控技术智慧工厂数字孪生、场景建模、流程动态自动切换技术等的全面发展 依托对生产过程的全时段、全流程数据记录可真正实现操作人员对生产运行情况的“态势预控”和“瞬时感知”全方位掌握在线设备智能监控、工序流程自动化、质量管理、安全管理、设备维护管理在线管控等功能 真正形成工业硅生产的“黑灯工厂”(上接第 页)结语半封闭矿热炉用新型静压过渡集排烟罩结构具有储烟、均压、沉降、导向等功能能够有效解决现有烟罩结构在实际生产过程中容易出现的炉门漏烟、吸穿带料、塌料冒烟、除尘系统配置过大等问题过渡烟箱内合理的速度、加速度、静压分布为不产生吸穿带料进而取消旋风预除尘系统设置提供支撑降低初始投资降低运行成本且能避免炉外的可燃粉尘爆炸事故新型静压过渡集排烟罩整体结构大自重大需在项目建设的初步阶段充分考虑土建、结构、公辅设施配套等因素需预留出一定的厂房高度循环水量以及承重载荷 致谢笔者由衷感谢东方希望 工业硅矿热炉建设项目大胆突破传统设计理念提供新型烟罩的应用契机感谢朱总在新型烟罩设计过程中提供的方案审核和设计技术指导 希望通过本文能够为半封闭矿热炉新型静压过渡集排烟罩的成功应用提供理论基础助力矿热炉新型结构部件的推广应用参考文献 建筑防排烟系统技术标准.王海燕周心权.平巷烟流滚退火烟羽流模型及其特性参数研究.煤炭学报():.铁 合 金 年