高炉炉顶压力调压设备特性概述

张 良，高 斌，韩 芩

（1． 中冶南方工程技术有限公司炼铁分公司，湖北武汉 430223；2.陕西龙门钢铁有限责任公司炼铁厂，陕西韩城715405；3.武昌工学院机械工程系，湖北武昌 430006）

高炉炉顶压力调压设备特性概述

张 良1，高 斌2，韩 芩3

（1． 中冶南方工程技术有限公司炼铁分公司，湖北武汉 430223；2.陕西龙门钢铁有限责任公司炼铁厂，陕西韩城715405；3.武昌工学院机械工程系，湖北武昌 430006）

高炉炉顶压力稳定是保证高炉正常生产的关键条件之一，压力的稳定是需要靠调压装置的开或闭来控制。结合煤气净化工艺的演变，总结了几种高炉炉顶压力调压装置的结构特点，工作特性和存在的问题，对工程设计选型提供了相关建议。

高炉；调压设备；环缝锥；减压阀组

1 引言

在炼铁工艺中，高炉生产时会产生大量的煤气，通过高炉顶部引出管道和外部管网，不间断地将煤气输送到指定的位置，进行再利用。由于煤气不停的向外输送，高炉炉顶区域的煤气压力时刻发生变化。高炉要实现正常生产，关键条件之一炉顶压力稳定，不能出现大的波动。因此，在实际生产中，需要在煤气外部管网上设计调压设备，通过对煤气的流量和流速的调节，保证炉顶压力稳定。当压力增加时，需要开启调压装置，增加煤气流量，降低高炉炉顶压力；当压力偏低时，需要关闭调压装置，减少煤气流量，保证高炉炉顶压力在正常范围值内。

高炉炉顶压力的调压设备一般是设置在煤气净化系统中，并经历了湿法工艺的完善过程，以及干法工艺的应用。根据煤气净化系统技术的演变过程，本文总结了几种炉顶煤气压力调节设备的结构特点、工作特性等，为工程应用选型起到指导作用。

2 湿法工艺

高炉采用高压冶炼以来，煤气净化湿法工艺经历了不断完善的过程，从初期的应用于小高炉的塔文工艺，到后面的串联双文、蒸喷塔工艺，到应用于各大型高炉的成熟环缝洗涤工艺等过程。前面三种工艺，炉顶压力调节主要是靠减压阀组实现；环缝洗涤工艺是靠环缝锥或者TRT来实现炉顶压力的调节。

2.1 短型减压阀组

依靠减压阀组实现炉顶压力调节的工艺流程，见图1所示。

图1 工艺流程图

塔文工艺是七、八十年代，应用在钟式炉顶的高炉上，工艺流程原理：煤气从重力除尘器初步除尘后进入洗涤塔，对煤气进行洗涤后，进入文式管进行除尘，得到净煤气，煤气通过减压阀组，最后进入煤气总管再利用。减压阀组通过调节煤气流量，实现炉顶压力的调节。

随着无料钟炉顶的使用，高炉炉顶压力升高，塔文工艺不能满足要求，串联双文工艺提出并得到应用。其工艺流程原理与塔文工艺相似，只是用一文管替代了洗涤塔，使煤气净化效果更好，得到的煤气含尘可以达到10 mg/m3。在该工艺中，实现炉顶压力调节主要靠减压阀组。

为了减少串联双文耗水量大，设备检修频繁等问题，进一步完善工艺，产生了蒸喷塔工艺[1，2]，其流程原理：煤气从重力除尘器初步除尘后进入蒸喷塔，在蒸喷塔内有大量的喷嘴，对煤气进行洗涤、降温、精除尘净化后，通过减压阀组后进入旋风脱水器去湿，最后经过阀门进入煤气总管。

以上三种工艺中，文氏管和蒸喷塔都是竖直重叠结构，顶部是快速冷却，中间设计椭圆调节阀，底部是灰泥捕集器组成。椭圆调节阀具有一定的压差调节功能，一般要求15 kPa的压差，保证煤气净化效果，但该阀不具有调节炉顶压力的功能。因此，上述三种工艺上都会设置调压设备—减压阀组，来实现炉顶压力的调节。塔文工艺由于钟式炉顶的使用，会使炉顶压力波动很大，造成了减压阀组的调节性能大大降低，该工艺现在已经不再采用。其他两种工艺，在现在工程中还在采用。

减压阀组为一个集成设备，一般由4个蝶阀组成，其中一个为小通径的蝶阀（DN300～DN500），其余则为较大通径的蝶阀（DN700～DN1000），通径的大小选择是由高炉产生的煤气量多少决定的。4个蝶阀均由液压作为动力源，小蝶阀和一个大通径蝶阀采用伺服油缸控制，作为调节蝶阀，实现线性连续控制，阀板开度可以停在任意位置，保证调节功能。调节特性具有等百分比或近似等百分比特性，阀门开度为0～90°，全行程开启时间在10 s以内，但是平时生产操作时，应该将蝶阀的开度控制在线性范围内，一般为20°～75°。其余两个大通径蝶阀采用普通油缸控制，属于开关阀，分别作为超压安全阀和量程阀使用。

这种结构形式满足高炉正常生产要求，一般情况下开启一大一小的调节蝶阀，当煤气流量增加时，开启量程阀；如果煤气压力过大，超过设定的安全值，则打开超压安全阀，保证高炉安全生产。减压阀组断面结构，见图2。对于正常生产时，根据通过的煤气量和压力的不同而调节蝶阀的开度，一般是大通径的蝶阀阀板调节定位在某个角度后不再变化，而小通径蝶阀阀板开启的角度会在一定范围内连续来回变化，以消除高炉布料过程中的炉顶压力波动的峰值，保证炉顶压力近似稳定，不产生大的波动。如果炉顶压力波动过大，会对高炉使用寿命产生不可逆转的影响，因此，生产过程中避免出现炉顶压力大的波动，比如安全阀的频繁使用是需要避免的。

图2 减压阀组断面结构图

减压阀组长度约为3～4 m，每个蝶阀前设置波纹管，蝶阀由短管联接汇合，阀组两端直接与管道焊接，俗称短型减压阀组，其结构形式，见图3。

图3 短型减压阀组结构形式

在1000 m3以下高炉，炉顶压力、煤气流量都相对较小，短型减压阀组得到了大量的应用。

2.2 环缝锥

随着工艺技术的进步，出现了环缝洗涤工艺，并逐渐得到应用和推广，工艺流程见图4。

图4 环缝洗涤工艺流程图

工艺流程原理[3]：高炉粗煤气经过重力除尘器后，从顶部进入环缝洗涤塔，洗涤塔内设有大流量的喷嘴，喷嘴以雾化的形式将水喷出，既能冷却粗煤气，又能将粗煤气中的较大粉尘带走，得到半净煤气。一部分半净煤气作为高炉一次均压返回，另一部分半净煤气则继续下行，进入环缝洗涤装置，半净煤气被冷却和除尘，然后通过旋风脱水器进行去湿后，进入TRT进行发电，最后进入煤气总管，与TRT并联一个快开阀。

当TRT正常工作时，高炉炉顶压力靠TRT调节；当TRT出现故障时，高炉炉顶压力靠环缝洗涤塔内的环缝锥装置来实现调节。快开阀可以视为煤气的过流切断阀，调节能力满足不了工艺要求。

环缝洗涤装置关键部件为环缝锥，是调节炉顶压力的核心设备。由内、外锥组成，外锥由支架固定在洗涤塔塔壁上，内锥和下部的传动杆相接，传动杆又是通过底部的液压缸驱动的，从而带动内锥在圆锥形的喉口里面上下移动，通过调节油缸行程来调节内、外锥之间的缝隙大小。高炉煤气从环缝锥的顶部进入，经过内、外锥之间的缝隙流出，由于缝隙大小的变化，引起煤气流速和流量，压力的变化，从而调节高炉炉顶压力。环缝锥结构，见图5。

图5 环缝锥结构图

环缝锥具有调节原理和结构简单，占地面积小，动作迅速，振动、冲刷小等优点，在湿法工艺中，大量应用于文式洗涤塔或者比肖夫洗涤塔。但环缝锥存在安装精度高、易卡阻、油缸密封圈易磨损等问题。

3 干法工艺

随着钢铁企业的竞争加剧，低成本、高效益、绿色环保成为钢铁企业各项工作的重点。湿法工艺具有的高能耗的先天不足，逐渐体现，干法布袋除尘工艺成为各钢铁企业的首选。调压设备减压阀组又被吸入工艺设计中，在TRT出现故障或者离线时，实现对高炉炉顶压力的调节作用。

由于对短型减压阀组工作特性的认识不足，工艺布置限制等原因，仍将该型减压阀组应用在大高炉干法工艺工程中，出现了振动、噪音大、管道和波纹管被撕裂、煤气泄漏等影响正常生产的问题。

出现问题的原因是多方面的，但结构造成的是主要原因之一。该型减压阀组整体短小，煤气进出口都是直角，容易形成死角。当高炉煤气经过蝶阀后，压强由200多kPa降到11 kPa，压差大，气流经过蝶阀减压后汇合成一起，气流由低速变为高速，在死角处会产生大量涡流，涡流与内壁、涡流与涡流之间相互冲击和摩擦，产生振动和噪音。减压的过程就是能量释放的过程，振动和噪音是能量释放方式之一，只有尽量减少和降低，无法避免。尤其随着高炉炉顶压力不断提高，煤气量增加，干法工艺中的煤气低含水量，造成了短型减压阀出现上述问题。为了解决出现的问题，对短型减压阀组结构进行改进完善，产生了长型减压阀组。

3.1 长型减压阀组

由于对环境要求的提高，为了降低粉尘的排放，干法布袋除尘工艺得到应用，工艺流程见图6。

图6 干法布袋除尘工艺流程图

工艺流程原理：高炉粗煤气经过重力除尘器，进行半除尘后，进入布袋除尘器，进行精除尘，得到净煤气，进入TRT进行发电，最后进入煤气总管，与TRT并联减压阀组。

高炉正常生产，调节高炉炉顶压力调节的执行设备是TRT，当TRT出现故障停机时，高炉炉顶压力需要靠减压阀组进行调节[4]。

针对以往在湿法工艺中存在的各种问题，在原结构基础上，进行了改进完善，得到长型减压阀组。设备长度采用8～9 m，甚至某些企业采用10 m，但在通径小于2 m的管网，减压阀组的长度不易过长，否则既不能保证刚度，又增加占地空间，影响工艺布置。长型减压阀组两端采用封头形式，封头提供足够空间，吸收煤气汇合时产生的涡流，而且内壁光滑减少了涡流相互之间的冲击和摩擦，降低振动噪音；两封头之间由收缩管、蝶阀、扩散管等组成。扩散管可以充分吸收煤气经过蝶阀后的体积膨胀，速度提高。根据喷管理论[5，6]，扩散管角度一般为6° ～7°，长度约为通径的4～5倍，见图7。

图7 长型减压阀组

为了更好地减少振动，减压阀组采取了底部设置弹簧阻尼器，吸收径向振动；两端封头使用拉杆联接，提高整体刚度；基础采用混凝土，避免共振发生等措施。同时，由于煤气通过蝶阀时，流速会急剧增加，对扩散管的冲刷加大，为了减少扩散管被冲刷开裂的可能，一般会对扩散管内壁喷涂碳化钨，提高抗磨性。经过工程实际应用，长型减压阀组的使用效果到达了设计要求。

3.2 双蝶阀

随着阀门制造技术的进步，成本控制的要求，有的钢铁企业直接采用双蝶阀替代减压阀组的作用，一用一备的模式，实现对高炉炉顶压力调节，不再沿用整体集成安装的形式，见图8。

图8 双蝶阀布置图

两个蝶阀由伺服油缸控制，作为调节蝶阀使用，实现线性连续控制。正常生产时，一个蝶阀打开调节炉顶压力，另一个关闭处于预备状态。进气段采用收缩，出口采用长距离的扩孔，角度可以达到8° ～10°。采用调节蝶阀调节炉顶压力，结构简单，操作方便，建设、维护成本低，而且煤气经过调节蝶阀后，经过长距离的扩口管，充分释放能量，减少了产生涡流的可能，从而达到减振降噪的作用。但由于是将管道独立分开，刚度降低，蝶阀前后压差增加，蝶阀振幅度增加，引起管道振动，会出现撕裂管道的情况。目前，这种设置模式在工程应用中还未得到广泛推广。

4 结语

某些企业设计的减压阀组采用3个蝶阀的结构形式，都设置为调节蝶阀，取消量程阀和超压安全阀，也能满足高炉正常生产。蝶阀的驱动方式有液压驱动、电动、气动等形式，在工程中都得到了应用，丰富了高炉炉顶压力调压设备的选择范围。

综上所述，高炉炉顶压力调节设备是高炉正常生产的关键设备之一，该设备随着煤气净化工艺的不断进步而不断完善改进，本文简要总结了目前工程应用中采用的几种调压设备，分析了每个的结构特点、工作特性，提出了存在的问题，为工程设计选型提供了指导意见。

[1]刘健，王书民，张之东.蒸喷塔在高炉煤气净化工艺中的应用[J].冶金动力，2002，95（1）：18-19.

[2]尹玉成.高炉煤气清洗采用蒸喷塔装置在湘钢的成功应用[J].冶金动力，2005，111（5）：41-42.

[3]李慧珍.武钢6#比肖夫环缝密封系统泄漏原因分析及处理[J].冶金动力，2007，122（4）：17-20.

[4]刘会良.高炉煤气系统减压阀组调节性能分析[J].阀门，2006 （4）：36-39.

[5]张也影.流体力学[M].北京：高等教育出版社，1999：399-428.

[6]吴媛.高炉煤气干法除尘工艺中减压阀噪音的治理[J].冶金动力，2008，128（4）：16-19.

A Summary of the Characteristics of Blast Furnace Top Pressure Regulating Equipment

ZHANG Liang1,GAO Bin2,HAN Ling3
(1.Ironmaking Branch of WISDRI,MCC,Wuhan,Hebei 430223,China;2.Ironmaking Plant of Shanxi Longmen Iron and SteelCo.,Ltd.,Hancheng,Shaanxi715405,China;3.SchoolofMechanicsand Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuchang,Hubei 430006,China)

As one of the key conditions for normal ironmaking production,the stability of blast furnace top pressure is controlled by adjusting the open or close degree of the pressure regulating device.In light of the evolvement history of gas purification processes,the structural features,operation characteristics and existing problems of several types of pressure regulating equipment were summarized and related proposals on type selection for engineering designs were provided.

blast furnace;pressure regulating equipment;ring seam cone;pressure reducing valve unit

TF538.2

B

1006-6764(2015)06-0021-04

2015－03－20

张良(1980-)，男，2007年毕业于重庆大学，硕士研究生学历，高级工程师，现从事冶炼设备设计研究工作。