劉克儉 ¹，姜俠 ²，戴波 ¹

( 1． 國家燒結球團裝備系統工程技術研究中心，湖南 長沙 410205; 2． 湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105)

摘 要: 漏風一直是影響燒結球團生產能耗的重要因素，現常用的星形閥排灰技術和雙層卸灰閥排料技術密封效果不理想，使得跨壓差排灰漏風成為燒結球團總漏風的主要貢獻者之一，約占燒結機總漏風量的 10%，降低跨壓差排灰的漏風對于降低燒結球團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，介紹了燒結球團生產中跨壓差排灰技術的現狀及特點; 提出了有效解決跨壓差排灰問題的分相密封技術，介紹了基于分相密封技術的獨立氣密封雙層卸灰閥及其在燒結球團中的應用。實際應用數據顯示采用該技術后燒結機的整體漏風率可降至 25%，遠低于現有平均漏風 40% ～60%，具有良好的節能效果。

關鍵詞: 燒結球團; 跨壓差排灰; 分相密封; 獨立氣密封雙層卸灰閥

1 前 言

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

漏風是燒結球團工藝的主要能耗因素，目前，國內燒結機的漏風 40% ～ 60% ^{［3 ～4］} ，環冷機的漏風超過 30% ^［5］ ，鏈篦機、回轉窯的漏風也十分可觀。燒結球團工藝中引起漏風的因素很多，其中，跨壓差排放是引起燒結球團工藝漏風的重要因素，如燒結機大煙道的漏風約占總漏風的8． 1% ^［6］ 。傳統的跨壓差排灰技術分為星形閥排灰和雙層閥排灰兩種形式，星形閥排灰技術中，由于料封高度難以保障，造成密封不嚴，引起漏風; 雙層閥排灰技術中，由于上、下閥門容易卡堵，造成閥門無法完全關閉，引起漏風，兩種技術的實際效果均不理想。

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

2 燒結球團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，物料被排出時跨越不同壓力區域的過程，稱為物料的跨壓差排放。在燒結球團工藝中，生產過程中系統會產生大量的灰塵，大量工藝設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域被稱為跨壓差排灰。如燒結機、環冷機、靜電除塵器、回轉窯、鏈篦機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與星形閥排灰的技術，密封效果不佳，閥芯使用壽命短，由此引起的漏風占居總漏風量約 10% ^［7］ 。

圖 1 為燒結機風流示意圖。風機開啟時，大煙道內出現負壓，風箱支管將負壓傳遞到風箱內部，在風箱內負壓的作用下，空氣透過燒結機臺車上方的物料層進入風箱，同時點燃物料層內部的燃料，使物料加溫，完成燒結造塊過程。

由于空氣在穿過臺車物料層時會將顆粒細小的粉料帶入風箱，細顆粒物料經風箱支管進入大煙道并沉積形成積灰，積灰得不到及時排出，會造成大煙道堵塞，影響正常生產。

排除大煙道中的積灰有一定的技術難度。由于整個系統處于負壓環境中，積灰需從負壓環境的煙道內腔排出至常壓環境，排灰過程中還要確保大煙道內的負壓穩定，確保外部的空氣不至于進入大煙道，該排灰過程是典型的跨壓差排灰。現有技術通常利用雙層閥實現隔離封閉，逐級排放，排出大煙道積灰，確保大煙道負壓穩定。

圖 2 為靜電除塵器的結構簡圖，包括殼體、入口、出口、電暈極、集塵板、灰斗等構件。含塵氣流由進口側進入，經過集塵板后，被凈化成清潔空氣由另出口側流出，集塵板收集的粉塵經振打后在重力的作用下落入到下方的灰斗內，從灰斗下部排出，整個除塵設備處于負壓工作環境中。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 現有跨壓差排灰技術的不足及成因

跨壓差排灰技術具有以下特點。

( 1) 同一閥門對氣固兩相流同時進行密封。閥門關閉時，不僅要密封固相流外泄，同時要密封氣相流。

( 2) 排灰口內外存在氣壓差。燒結機風箱內外氣壓差 17 000 Pa 左右，環冷機風箱內外氣壓差 4 000 ～5 000 Pa，機頭電除塵器灰斗內外氣壓差 17 000 Pa。

( 3) 排灰過程必須保持內部空間的密封性。內部空間為正壓時，排灰過程不能造成內部氣壓外泄，內部空間為負壓時，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，必須很好的適應跨壓差排灰的技術要求，適應跨壓差排灰的環境特征。在燒結球團工藝中，現有的跨壓差排灰技術主要有兩種，即星形閥排灰技術與雙層卸灰閥排料技術。

3． 1 星形閥排灰技術

星形閥排灰技術是利用星形閥芯旋轉控制排料速度，依靠存灰高度對排灰口進行密封。圖3 為星形閥的結構示意圖。

星形閥芯被分隔成幾個區域，并沿中心軸做圓周旋轉，旋轉過程中，物料從上部落入閥芯的隔間內并隨著閥芯的旋轉排出閥外，閥芯的旋轉速度控制灰斗內存灰的高度，依靠積灰的密閉性實現密封效果。

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

3． 2 雙層卸灰閥技術

雙層卸灰閥采用兩層閥門，分別開啟和關閉，通過兩級密封，逐級排放，依靠閥芯與閥座的接觸實現密封，圖 4 為雙層卸灰閥結構示意圖。

雙層卸灰閥的排灰過程分為兩步: ①開啟上層閥，下層閥保持關閉，積灰從灰斗進入閥體內部的灰倉; ②關閉上層閥，開啟下層閥，灰倉中的灰從閥體中排出，完成一個排灰過程。雙層閥的排灰過程始終有一層閥門處于關閉狀態，實現了排灰過程中的密封性要求，非排灰狀態下，雙層閥上下層均處于關閉狀態。

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

4 分相密封技術及獨立氣密封雙層卸灰閥

鑒于燒結球團工藝中跨壓差排灰普遍存在，現有排灰技術處理跨壓差排灰時效果欠佳，經過研究人員的不懈努力，近年來一些新的密封技術應運而生，最具代表性的就是分相密封技術。

4． 1 分相密封技術。

分相密封技術是將排灰作業中的氣相和固相分別進行密封的一種技術，圖 5 為分相密封技術的閥門結構，其核心構件主要包括雙層碗狀閥芯和環狀閥座。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。

分相密封技術實施固相與氣相分開密封，不會因為固相物料在閥芯上粘黏、卡堵導致閥門氣密封效果下降，確保可靠的氣密封。

4． 2 獨立氣密封雙層卸灰閥。

獨立氣密封雙層卸灰閥是基于分相密封技術開發出來的新型閥類產品，其閥芯采用雙層密封結構，上、下層之間設置了壓縮彈簧，以實現上、下層密封動作的獨立性。見圖 6 所示。

獨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際密封效果。

由于實現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，密封嚴密，密封性顯著提高，圖 6 為獨立氣密封雙層卸灰閥結構圖。

5 獨立氣密封雙層卸灰閥的應用效果與市場前景

2006 年，中冶長天國際工程有限責任公司在日本和歌山鋼鐵有限公司 180 m² 燒結項目中實施了燒結機綜合密封技術，獨立氣密封雙層卸灰閥是其中核心內容，該項目燒結機整體漏風率低于25%，相對于燒結機平均漏風率指標 40% ～60%大幅下降。項目驗收時，經日方測定該燒結機漏風率僅為16．75% ^［8］ ，節能效果十分明顯。

燒結球團工藝中跨壓差排灰環境普遍存在，目前行業技術處理跨壓差排灰作業時效果不佳，因此造成的漏風占總漏風量約 10%，由此引起的能源浪費巨大。從獨立氣密封雙層卸灰閥的實際應用效果可以看出，采用基于分相密封技術的獨立氣密封雙層卸灰閥后，漏風率大副下降，由此帶來的節能效果十分明顯; 漏風的減少還可以減輕工業廢氣對大氣的污染，具有良好的經濟及社會效益。

在當前國家產業政策和鋼鐵行業發展趨勢下，推廣應用獨立氣密封雙層卸灰閥具有以下益處:

( 1) 節約電能，給企業直接帶來經濟收益;

( 2) 場區環境質量改善，減少粉塵排放;

( 3) 降低燒結球團工藝耗能率;

( 4) 減少溫室氣體、污染氣體排放量。

目前國內運行的燒結機近1 000 套，現有密封技術的平均漏風率為 50%，根據漏風率每降低10%，電耗降低2 kWh/t，每1 m² 燒結機每年原產9 500 t^{［9 ～13］} 。采用綜合密封技術，漏風率降低至25%計算，每噸產量可降低電耗5 kWh，電費按0. 45 元/kWh，一臺 300 m² 燒結機一年可節約電費300 ×9500 ×5 ×0．45 =6 412 500 元，其中跨壓差排灰漏風占總漏風的 10%計算，由分相密封技術節約的電費為 6412500 ×0． 1 =641 250 元。根據每 1 m² 燒結生產每降低漏風率 1%，可增產1%，漏風率每降低 20% 后，每年增產所創造的經濟效益值在10 萬元左右，一臺300 m² 燒結機一年由漏風率降低增產創造的經濟效益可達 12． 5 ×300 =3 750 萬元，其中跨壓差排灰漏風占總漏風量的10%計算，每年由分相密封技術創造的經濟效益可達3750 ×0．1 =375 萬元。在國家節能減排，綠色生產新的產業政策引導下，可以預見，在今后的改造和新建項目中都會優先考慮燒結機密封問題，獨立氣密封雙層卸灰閥市場潛力非常巨大，潛在市場價值 10 億元以上。

6 結 論

( 1) 提出了跨壓差排灰的概念，分析了現有技術下燒結機、環冷機及靜電除塵器等設備排灰灰箱的漏風現狀及原因。

( 2) 針對跨壓差排灰漏風問題，提出了分相密封技術，并介紹了基于此技術開發的分相獨立氣密封雙層卸灰閥的結構和工作原理。

參考文獻

［1］ 張鍇． 燒結機漏風治理探討［C］/ /冶金循環經濟發展論壇論文集，2008．

［2］ 張慶軍． 從降低漏風率談中小燒結廠節能［J］． 燒結球團，1989． 6 ; 55 －59．

［3］ 賴其翠，甘勤，楊順龍． 攀鋼燒結機漏風調查及降低漏風率研究［J］． 鋼鐵釩鈦，1995，1; 32 －39．

［4］ 王冠，張維超，王璐璐． 降低燒結機漏風的技術措施［J］．中國科技縱橫，2014，3; 106 －107．

［5］ 張加楠． 環冷機液密封技術及結構優化仿真研究［D］． 長沙: 中南大學，2014．

［6］ 高彥，么占坤，孫長征，等． 燒結機漏風治理技術方案［J］．燒結球團，2004，29( 1) ; 38 －42．

［7］ 呂明秀． 萊鋼 105 m 2 燒結機雙層卸灰閥改造［J］． 機電信息，2013，18; 56 －57．

［8］ 國家燒結球團工程技術研究中心． 燒結機綜合密封技術及裝備研究［R］． 長沙，2013，10．

［9］ 楊潤泉，王喜偉． 降低燒結漏風率［J］． 四川冶金，2001，23( 6) ; 3 －6．

［10］ 馮朝輝，張華，王艷紅． 燒結工序能耗預測與優化研究［J］．燒結球團，2012，37( 6) ; 13 －17．

［11］ 鄭家樹，于天齊，王新． 燒結機漏風治理技術的研究［C］/ /中小高爐煉鐵學術年會，2009．

［12］ 宋國良，傅志華，張全，等． 降低燒結機漏風問題的探討［J］． 燒結球團，2000，25( 2) ; 11 －13．

［13］ 吳學兵，周勝良． 燒結系統漏風分析及治理［J］． 科技傳播，2014，1; 194 －195．

［14］ 張戰英． 燒結機頭尾密封裝置的探討及研究方向［J］． 金屬材料與冶金工程，2009，37( 6) ; 30 －31．

［15］ 劉克儉，戴波，張震． 一種閥門結構及獨立氣密封雙層卸灰閥: 中國，201510423539［P］． 2015．