劉克儉 ¹，姜俠 ²，戴波 ¹

( 1． 國家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410205; 2． 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

摘 要: 漏風(fēng)一直是影響燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)能耗的重要因素，現(xiàn)常用的星形閥排灰技術(shù)和雙層卸灰閥排料技術(shù)密封效果不理想，使得跨壓差排灰漏風(fēng)成為燒結(jié)球團(tuán)總漏風(fēng)的主要貢獻(xiàn)者之一，約占燒結(jié)機(jī)總漏風(fēng)量的 10%，降低跨壓差排灰的漏風(fēng)對于降低燒結(jié)球團(tuán)工藝的總能耗具有重要意義。本文提出了跨壓差排灰的概念，介紹了燒結(jié)球團(tuán)生產(chǎn)中跨壓差排灰技術(shù)的現(xiàn)狀及特點(diǎn); 提出了有效解決跨壓差排灰問題的分相密封技術(shù)，介紹了基于分相密封技術(shù)的獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥及其在燒結(jié)球團(tuán)中的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示采用該技術(shù)后燒結(jié)機(jī)的整體漏風(fēng)率可降至 25%，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有平均漏風(fēng) 40% ～60%，具有良好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié)球團(tuán); 跨壓差排灰; 分相密封; 獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥

1 前 言

燒結(jié)球團(tuán)工藝作為鐵礦造塊的主要工藝，其能耗占整個(gè)鋼鐵流程的 10% ^{［1 ～2］} ，僅次于高爐煉鐵，降低燒結(jié)球團(tuán)的工序能耗對鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。

漏風(fēng)是燒結(jié)球團(tuán)工藝的主要能耗因素，目前，國內(nèi)燒結(jié)機(jī)的漏風(fēng) 40% ～ 60% ^{［3 ～4］} ，環(huán)冷機(jī)的漏風(fēng)超過 30% ^［5］ ，鏈篦機(jī)、回轉(zhuǎn)窯的漏風(fēng)也十分可觀。燒結(jié)球團(tuán)工藝中引起漏風(fēng)的因素很多，其中，跨壓差排放是引起燒結(jié)球團(tuán)工藝漏風(fēng)的重要因素，如燒結(jié)機(jī)大煙道的漏風(fēng)約占總漏風(fēng)的8． 1% ^［6］ 。傳統(tǒng)的跨壓差排灰技術(shù)分為星形閥排灰和雙層閥排灰兩種形式，星形閥排灰技術(shù)中，由于料封高度難以保障，造成密封不嚴(yán)，引起漏風(fēng); 雙層閥排灰技術(shù)中，由于上、下閥門容易卡堵，造成閥門無法完全關(guān)閉，引起漏風(fēng)，兩種技術(shù)的實(shí)際效果均不理想。

近年來在燒結(jié)球團(tuán)密封技術(shù)上研究越來越深入，提出了分相密封技術(shù)，分相密封技術(shù)很好地切合了跨壓差排灰的技術(shù)特點(diǎn)，為解決燒結(jié)球團(tuán)工藝中普遍存在的跨壓差排灰問題提供可能。

2 燒結(jié)球團(tuán)工藝中的跨壓差排灰

在物料排放過程中，物料倉空間與物料被排放的空間存在一定壓力差，物料被排出時(shí)跨越不同壓力區(qū)域的過程，稱為物料的跨壓差排放。在燒結(jié)球團(tuán)工藝中，生產(chǎn)過程中系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的灰塵，大量工藝設(shè)備都需要收集灰塵并集中排放，這些排放都跨越不同壓力區(qū)域被稱為跨壓差排灰。如燒結(jié)機(jī)、環(huán)冷機(jī)、靜電除塵器、回轉(zhuǎn)窯、鏈篦機(jī)等都存在跨壓差排灰問題，且目前大都采用雙層卸灰閥排灰技術(shù)與星形閥排灰的技術(shù)，密封效果不佳，閥芯使用壽命短，由此引起的漏風(fēng)占居總漏風(fēng)量約 10% ^［7］ 。

圖 1 為燒結(jié)機(jī)風(fēng)流示意圖。風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，大煙道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，風(fēng)箱支管將負(fù)壓傳遞到風(fēng)箱內(nèi)部，在風(fēng)箱內(nèi)負(fù)壓的作用下，空氣透過燒結(jié)機(jī)臺車上方的物料層進(jìn)入風(fēng)箱，同時(shí)點(diǎn)燃物料層內(nèi)部的燃料，使物料加溫，完成燒結(jié)造塊過程。

由于空氣在穿過臺車物料層時(shí)會(huì)將顆粒細(xì)小的粉料帶入風(fēng)箱，細(xì)顆粒物料經(jīng)風(fēng)箱支管進(jìn)入大煙道并沉積形成積灰，積灰得不到及時(shí)排出，會(huì)造成大煙道堵塞，影響正常生產(chǎn)。

排除大煙道中的積灰有一定的技術(shù)難度。由于整個(gè)系統(tǒng)處于負(fù)壓環(huán)境中，積灰需從負(fù)壓環(huán)境的煙道內(nèi)腔排出至常壓環(huán)境，排灰過程中還要確保大煙道內(nèi)的負(fù)壓穩(wěn)定，確保外部的空氣不至于進(jìn)入大煙道，該排灰過程是典型的跨壓差排灰。現(xiàn)有技術(shù)通常利用雙層閥實(shí)現(xiàn)隔離封閉，逐級排放，排出大煙道積灰，確保大煙道負(fù)壓穩(wěn)定。

圖 2 為靜電除塵器的結(jié)構(gòu)簡圖，包括殼體、入口、出口、電暈極、集塵板、灰斗等構(gòu)件。含塵氣流由進(jìn)口側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過集塵板后，被凈化成清潔空氣由另出口側(cè)流出，集塵板收集的粉塵經(jīng)振打后在重力的作用下落入到下方的灰斗內(nèi)，從灰斗下部排出，整個(gè)除塵設(shè)備處于負(fù)壓工作環(huán)境中。目前，靜電除塵器多采用星型閥排灰方案處理跨壓差排灰問題。

3 現(xiàn)有跨壓差排灰技術(shù)的不足及成因

跨壓差排灰技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

( 1) 同一閥門對氣固兩相流同時(shí)進(jìn)行密封。閥門關(guān)閉時(shí)，不僅要密封固相流外泄，同時(shí)要密封氣相流。

( 2) 排灰口內(nèi)外存在氣壓差。燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱內(nèi)外氣壓差 17 000 Pa 左右，環(huán)冷機(jī)風(fēng)箱內(nèi)外氣壓差 4 000 ～5 000 Pa，機(jī)頭電除塵器灰斗內(nèi)外氣壓差 17 000 Pa。

( 3) 排灰過程必須保持內(nèi)部空間的密封性。內(nèi)部空間為正壓時(shí)，排灰過程不能造成內(nèi)部氣壓外泄，內(nèi)部空間為負(fù)壓時(shí)，排灰過程不能引起外部氣體漏入。

一種理想的跨壓差排灰技術(shù)，必須很好的適應(yīng)跨壓差排灰的技術(shù)要求，適應(yīng)跨壓差排灰的環(huán)境特征。在燒結(jié)球團(tuán)工藝中，現(xiàn)有的跨壓差排灰技術(shù)主要有兩種，即星形閥排灰技術(shù)與雙層卸灰閥排料技術(shù)。

3． 1 星形閥排灰技術(shù)

星形閥排灰技術(shù)是利用星形閥芯旋轉(zhuǎn)控制排料速度，依靠存灰高度對排灰口進(jìn)行密封。圖3 為星形閥的結(jié)構(gòu)示意圖。

星形閥芯被分隔成幾個(gè)區(qū)域，并沿中心軸做圓周旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中，物料從上部落入閥芯的隔間內(nèi)并隨著閥芯的旋轉(zhuǎn)排出閥外，閥芯的旋轉(zhuǎn)速度控制灰斗內(nèi)存灰的高度，依靠積灰的密閉性實(shí)現(xiàn)密封效果。

星形卸灰閥的密封效果取決于灰封高度，灰封高度要穩(wěn)定且滿足密封要求，否則將影響密封效果，甚至造成風(fēng)流短路。但由于生產(chǎn)與原料的波動(dòng)，來灰量通常很難穩(wěn)定，灰封高度難以穩(wěn)定控制，從而造成星形閥密封性能下降，引起星形閥漏風(fēng)，加劇閥芯摩損擦。

3． 2 雙層卸灰閥技術(shù)

雙層卸灰閥采用兩層閥門，分別開啟和關(guān)閉，通過兩級密封，逐級排放，依靠閥芯與閥座的接觸實(shí)現(xiàn)密封，圖 4 為雙層卸灰閥結(jié)構(gòu)示意圖。

雙層卸灰閥的排灰過程分為兩步: ①開啟上層閥，下層閥保持關(guān)閉，積灰從灰斗進(jìn)入閥體內(nèi)部的灰倉; ②關(guān)閉上層閥，開啟下層閥，灰倉中的灰從閥體中排出，完成一個(gè)排灰過程。雙層閥的排灰過程始終有一層閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了排灰過程中的密封性要求，非排灰狀態(tài)下，雙層閥上下層均處于關(guān)閉狀態(tài)。

雙層卸灰閥閥門在關(guān)閉過程中，閥芯和閥體之間常會(huì)夾雜灰沙，形成縫隙，造成漏風(fēng)，漏風(fēng)中夾雜著的灰沙不斷對閥芯進(jìn)行沖刷，造成閥芯磨損，降低閥芯與閥座的密合度，加劇漏風(fēng)，同時(shí)降低閥芯的使用壽命。

4 分相密封技術(shù)及獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥

鑒于燒結(jié)球團(tuán)工藝中跨壓差排灰普遍存在，現(xiàn)有排灰技術(shù)處理跨壓差排灰時(shí)效果欠佳，經(jīng)過研究人員的不懈努力，近年來一些新的密封技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，最具代表性的就是分相密封技術(shù)。

4． 1 分相密封技術(shù)。

分相密封技術(shù)是將排灰作業(yè)中的氣相和固相分別進(jìn)行密封的一種技術(shù)，圖 5 為分相密封技術(shù)的閥門結(jié)構(gòu)，其核心構(gòu)件主要包括雙層碗狀閥芯和環(huán)狀閥座。其中雙層碗狀密封的上座用于固相密封同，下層用于氣相密封。

分相密封技術(shù)實(shí)施固相與氣相分開密封，不會(huì)因?yàn)楣滔辔锪显陂y芯上粘黏、卡堵導(dǎo)致閥門氣密封效果下降，確?？煽康臍饷芊?。

4． 2 獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥。

獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥是基于分相密封技術(shù)開發(fā)出來的新型閥類產(chǎn)品，其閥芯采用雙層密封結(jié)構(gòu)，上、下層之間設(shè)置了壓縮彈簧，以實(shí)現(xiàn)上、下層密封動(dòng)作的獨(dú)立性。見圖 6 所示。

獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥閥芯上層用于阻斷固相物料流，為下層氣相密封建立良好的密封環(huán)境，下層用于氣相密封，閥門的整體密封效果取決于氣相密封層的實(shí)際密封效果。

由于實(shí)現(xiàn)了固相與氣相分開密封，固相密封只需阻斷物流，理論上無需氣密封要求，即便防漏部受物料磨損或其他原因密封不好，氣封部不受固體物料的干涉，密封嚴(yán)密，由于上層固相密封阻斷了物料流，下層氣密封不受固相物料的干涉與影響，密封嚴(yán)密，密封性顯著提高，圖 6 為獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥結(jié)構(gòu)圖。

5 獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥的應(yīng)用效果與市場前景

2006 年，中冶長天國際工程有限責(zé)任公司在日本和歌山鋼鐵有限公司 180 m² 燒結(jié)項(xiàng)目中實(shí)施了燒結(jié)機(jī)綜合密封技術(shù)，獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥是其中核心內(nèi)容，該項(xiàng)目燒結(jié)機(jī)整體漏風(fēng)率低于25%，相對于燒結(jié)機(jī)平均漏風(fēng)率指標(biāo) 40% ～60%大幅下降。項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，經(jīng)日方測定該燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率僅為16．75% ^［8］ ，節(jié)能效果十分明顯。

燒結(jié)球團(tuán)工藝中跨壓差排灰環(huán)境普遍存在，目前行業(yè)技術(shù)處理跨壓差排灰作業(yè)時(shí)效果不佳，因此造成的漏風(fēng)占總漏風(fēng)量約 10%，由此引起的能源浪費(fèi)巨大。從獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥的實(shí)際應(yīng)用效果可以看出，采用基于分相密封技術(shù)的獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥后，漏風(fēng)率大副下降，由此帶來的節(jié)能效果十分明顯; 漏風(fēng)的減少還可以減輕工業(yè)廢氣對大氣的污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

在當(dāng)前國家產(chǎn)業(yè)政策和鋼鐵行業(yè)發(fā)展趨勢下，推廣應(yīng)用獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥具有以下益處:

( 1) 節(jié)約電能，給企業(yè)直接帶來經(jīng)濟(jì)收益;

( 2) 場區(qū)環(huán)境質(zhì)量改善，減少粉塵排放;

( 3) 降低燒結(jié)球團(tuán)工藝耗能率;

( 4) 減少溫室氣體、污染氣體排放量。

目前國內(nèi)運(yùn)行的燒結(jié)機(jī)近1 000 套，現(xiàn)有密封技術(shù)的平均漏風(fēng)率為 50%，根據(jù)漏風(fēng)率每降低10%，電耗降低2 kWh/t，每1 m² 燒結(jié)機(jī)每年原產(chǎn)9 500 t^{［9 ～13］} 。采用綜合密封技術(shù)，漏風(fēng)率降低至25%計(jì)算，每噸產(chǎn)量可降低電耗5 kWh，電費(fèi)按0. 45 元/kWh，一臺 300 m² 燒結(jié)機(jī)一年可節(jié)約電費(fèi)300 ×9500 ×5 ×0．45 =6 412 500 元，其中跨壓差排灰漏風(fēng)占總漏風(fēng)的 10%計(jì)算，由分相密封技術(shù)節(jié)約的電費(fèi)為 6412500 ×0． 1 =641 250 元。根據(jù)每 1 m² 燒結(jié)生產(chǎn)每降低漏風(fēng)率 1%，可增產(chǎn)1%，漏風(fēng)率每降低 20% 后，每年增產(chǎn)所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益值在10 萬元左右，一臺300 m² 燒結(jié)機(jī)一年由漏風(fēng)率降低增產(chǎn)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá) 12． 5 ×300 =3 750 萬元，其中跨壓差排灰漏風(fēng)占總漏風(fēng)量的10%計(jì)算，每年由分相密封技術(shù)創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)3750 ×0．1 =375 萬元。在國家節(jié)能減排，綠色生產(chǎn)新的產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，可以預(yù)見，在今后的改造和新建項(xiàng)目中都會(huì)優(yōu)先考慮燒結(jié)機(jī)密封問題，獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥市場潛力非常巨大，潛在市場價(jià)值 10 億元以上。

6 結(jié) 論

( 1) 提出了跨壓差排灰的概念，分析了現(xiàn)有技術(shù)下燒結(jié)機(jī)、環(huán)冷機(jī)及靜電除塵器等設(shè)備排灰灰箱的漏風(fēng)現(xiàn)狀及原因。

( 2) 針對跨壓差排灰漏風(fēng)問題，提出了分相密封技術(shù)，并介紹了基于此技術(shù)開發(fā)的分相獨(dú)立氣密封雙層卸灰閥的結(jié)構(gòu)和工作原理。

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