71--热装高炉高温煤气喷雾降温塔工艺计算

热装高炉高温煤气喷雾降温塔工艺计算热装高炉高温煤气喷雾降温塔工艺计算摘 要：高炉原燃料热装工艺能显著提高铁前工序显热资源利用效率，为保证高温高炉煤气的净化回收系统安全，须在干法布袋除尘设施前设置喷雾蒸发降温塔。本文通过对干式喷雾蒸发降温理论进行分析，结合热装高炉操作变工况条件，推导出全套喷雾蒸发降温塔的理论计算方法。该方法可对塔内喷水量、降温塔出口煤气露点和含湿量、液滴蒸发时间、及塔体结构尺寸等关键技术参数进行便捷准确的计算，且易于计算机编程应用，对实际推广具有积极的意义。关键词：热装高炉 高温煤气 喷雾降温塔 工艺计算Process Calculation of High Temperature Gas Spray Cooling Tower of Hot Charging Blast FurnaceAbstract: Sensible heat resource efficiency will be significantly improved by a new technical method of hot charge the burden to the blast furnace. A spray evaporative cooling tower should be set in front of the dry dust bag collectors to ensure the safety cleaning and recovery system of high-temperature BFG. This paper derives a full theoretical calculation method based on the dry spray evaporative cooling theory analysis and the variable loading conditions of hot charging blast furnace operation. Spray water volume, outlet gas dew point and moisture content of the cooling tower, droplet evaporation time, and the tower body size and other key technical parameters can be calculated by this method accurately and conveniently, which is easy for computer programming application and has positive significance for the actual promotion. Key words: hot charging blast furnace; high temperature gas; spray cooling tower; process calculation在目前以及今后相当长一段时间内，高炉炼铁工艺仍将在钢铁生产过程中占据主导地位，而采用高炉原、燃料热装的方案，可有效利用铁前原、燃料的显热，节约能源并减少 CO2的排放1。针对高炉热装生产以及高炉异常工况产生的高温荒煤气（温度超过 450） ，经余热锅炉余能回收降温至约 200再进入布袋除尘器净化的工艺流程，为了确保余热锅炉离线安全检修或故障时整个高炉及煤气输配系统的安全连续运行， 拟在余热锅炉系统的并联旁路上研究开发一座喷雾降温塔，采用喷雾蒸发冷却工艺，实现在余热锅炉离线工况时对经切换通过该塔的高炉煤气进行降温。喷雾降温的基本工作原理即：选择专用双流体喷嘴，确保流经喷嘴喷出水颗粒为粒径非常细小（一般为 50200m）的雾化水颗粒，雾化水粒与高温荒煤气直接接触，迅速汽化蒸发，将煤气中的显热转变成水的汽化潜热，达到迅速降低煤气温度的目的25。塔的工艺计算重点关注高炉生产变工况的特点，探讨煤气流量变化条件下塔的喷雾系统自动调节喷水量的控制参数选择，保证喷雾降温塔的出口煤气温度维持在设定的温度范围内，实现完全干式喷雾降温冷却。1喷雾降温塔工艺参数的研究与计算1.1高炉煤气主要技术参数某工程炉顶高炉煤气经过重力除尘器或旋风除尘器粗除尘后进入喷雾蒸发降温塔的高炉煤气参数如下：高炉煤气量：380000 Nm3/h（标况）；煤气压力：0.3 MPa（表压，下同）；入口煤气温度：450 ；出口煤气温度：200 ；高炉半净煤气成分组成:介质成分：CO：28.88%；CO2：23.98%；H2：5.5 %；N2：35.94%；H2O：5.7%；含水量：3040g/ Nm3；含尘：25 g/Nm3；粉尘粒度：150m。1.2换热量及喷水量计算理想气体的定压比热容是温度的单值函数，比热容与温度的关系只能用实验的方法测定，通常将测定的数据整理成如下的经验公式： （1）332210TaTaTaacp式中： T热力学温度；a0常数；a1、a2、a3各阶温度系数。P=0.3MPa 时水的临界温度为 TL=143.62，汽化潜热 r=2133kJ/kg，水的比定压热容取=4.20kJ/(kg)；水蒸汽的定压比热容取wc=2.14kJ/(kg)；汽水比取 0.1。vc根据热量衡算，高炉煤气降温放出的热量等于喷入水蒸发所吸收的热量与双流喷嘴喷入氮气（或蒸汽）的吸热量： （2321221122)()(TcmTcTcrmTcTcmQNNvwwaterpipii） 高炉煤气放出热量 = 水蒸发吸热量 + 氮气升温吸热量因第三项一般较小，可忽略不计，这里计算时省去。这里选用双流喷嘴，对应每个双流喷嘴均有一个最佳的两相比，从而得到高炉煤气入口温度为 450时辅助气体（如氮气或蒸汽）的流量为： （3）waterfumkm式中，k喷嘴气液两相比，一般取0.1。1.3喷雾降温塔出口煤气露点和含湿量计算物质的饱和蒸汽压通常采用安托尼(Antoine)方程式计算，但安托尼方程式的实用温度范围较窄（10T168），文献3用安托尼方程的形式通过对水的饱和蒸汽压实验值的非线性回归，得出水的饱和蒸汽压和温度的关联式为： )73.229/(659.387637379.16lnTPs（0T210） (4) )65.305/(082.520465216.17lnTPs（210T370） (5)式中 Ps为水的饱和蒸汽压，单位为 kPa，通过式(4)和式(5)可计算出对应喷雾降温塔出口200的高炉煤气中水的饱和蒸汽压为Ps=1.56MPa。根据高炉煤气中各组分组成及体积流量可计算得到入口高炉煤气的干气质量流量 mgs和含水量流量 mwater1。则出口高炉煤气中的含湿量为： (6)gswaterwatermmmd11000另含湿量有近似公式： (7)vvpppd 622式中，p 为高炉煤气绝对压力，p=0.4MPa，pv为高炉煤气中所含水蒸气的分压，将式(6)含湿量的值代入式(7)中，计算可得pv=0.076MPa。则出口高炉煤气中相对湿度为： (8)%100svpp并将 ps=0.076MPa 代入式(4)中计算可得T=92.17，此温度即为喷雾降温塔出口高炉煤气中水蒸气的露点温度。而出口温度定为200，则远高于此露点温度，可保证高炉煤气在进入布袋时不会产生结露现象而造成糊袋事故，影响布袋除尘器的正常运行。1.4喷雾蒸发冷却时间计算雾化后的液滴在流动的高温烟气中的蒸发过程是个相当复杂的问题，因为在蒸发过程中，液滴直径、液滴相对于气流的运动速度、换热系数、液滴温度以及与其相应的饱和蒸汽压力、液滴表面与周围气体的温差、蒸汽扩散条件以及其他因素等都同时在发生变化。在高温烟气中，液滴温度一般远小于烟气的温度。因此，液滴不断受热升温而蒸发，但由于液滴温度的升高，使得液滴与周围烟气的温差减小，从而减弱了周围烟气对水滴的传热速率。同时，随着液滴温度的升高，液滴表面的蒸发过程也加速，蒸发过程中液滴所吸收的蒸发潜热也不断增多。这样，当液滴达到某一温度，液滴所得热量恰好等于蒸发所需要的热量，于是液滴温度不再发生改变，蒸发处于平衡状态，液滴在这种状态下继续蒸发直到汽化完毕35。图 1 基于传热膜系数的蒸发模型这里忽略雾滴升温阶段时间，考虑在恒速蒸发阶段，根据热量衡算，高温烟气以对流方式传递给雾滴的显热等于雾滴汽化所需的潜热，因此得出以下热平衡式： (9)ddWLthAddQm式中，Q传热量，kJ；传热时间，s；h对流传热系数，kW/(m2)A传热面积，m2；tm雾滴表面和周围烟气之间在蒸发开始和终了时的对数平均温度差，； 2121/lntttttmW水分蒸发量，kg；L水的汽化潜热，kg/kg；对于球形雾滴，（Dp为雾滴直径，2pDAm） ，（p为雾滴密度，kg/m3） 。63ppDW因此，式(9)变为： (10)632ppmpDddLtDh根据 Marshall 传热方程式，对流传热系数h 由下式计算： (11)pfDNuh式中，Nu 为 Nusselt 数，Re 为雾滴相对雷3/12/1PrRe3 . 012 Nu诺数，Pr 为普兰特数，因此，公式(10)变成： (12)pmfppdDtDLd3/12/1PrRe3 . 014对上式积分，即可得在雾滴蒸发过程中，雾滴直径由 D0变化到 D1所需的时间 为： (13)3/12/12120PrRe3 . 018mfptDDL纯液滴完全蒸发完毕时，D1=0，即可得纯液滴蒸发时间为： (14)3/12/120PrRe3 . 018mfptDL从公式(14)中可以看出，给定温差和mt烟气及雾滴的物理特性后，雾滴蒸发时间与雾滴初始直径 D0的平方成正比。因此，初始直径越大，蒸发所需时间就约长（成平方倍增加），如图 2 所示，所以若要缩短喷雾液滴的蒸发时间，就必须要求具有较小的雾化细度，这也是采用气体辅助雾化喷枪的原因。图 2 液滴蒸发时间与液滴初始直径的关系对于初始直径为 200m 的液滴完全蒸发所需时间经计算为：1.929s。2塔体工艺尺寸计算2.1冷却塔有效段筒体直径计算在蒸发冷却塔的设计中，塔径的设计应满足 3 个目的：首先，应使湿雾滴不粘附到塔壁上；其次，因喷水量较大，塔内将有数个雾化喷嘴，塔体截面应保证有足够的大小来布置喷嘴；最后应控制通过塔体截面的流速在一定的范围内，使得煤气在塔内有足够的停留时间来与雾滴进行换热。雾滴自很高的初速度降至很低值（如当Re=0.5 时）的过程中不同的时刻 与其速度 ux的关系，可按式(15)用图解积分法或数值积分法求出雾滴沿水平方向的飞翔距离 Sx，m。求得 Sx后，对应单个喷嘴的冷却塔塔半径应稍大于 Sx。 (15)duSxx0由雾化器产生的细小雾滴以很高的速度从喷嘴喷出，雾滴受重力的影响可以忽略。对于气体辅助双流体喷嘴，雾滴以某一锥角喷出，其速度可以分解为水平速度 ux和垂直速度 uy。雾滴的运动时间与其速度的关系均可以下式描述： (16)243xxppxuDddu (17)243yyppppyuDgddu式中，ux，uy雾滴速度 u 在水平及垂直方向上的分量，如图 1所示； 气体的密度； 阻力系数。图 1 雾滴速度分解阻力系数为雷诺数 Re 的函数，一般由图得到 Re 和的近似关系如下：Re1，层流，Stockes 公式；Re241Re1000，过渡流，6 . 0Re5 .18Allen 公式；1000Re2105，湍流。44. 0为便于理论精确计算，文献3给出了一个使用范围在 0.5Re3000（包括层流区、全部过渡区和部分湍流区）的多项式拟合计算式，而喷雾液滴的运动基本上均落在该公式所适用的区域内，且该公式比上述的 Stockes 公式和Allen 公式更加精确。该多项式拟合计算式如下： （0.5Re3000） (18)xRe5 .26式中，R0=0.9178336，R1=-iiiRxReln500.0782483，R2=2.8924010-2，R3=-9.54717810-3，R4=1.34771910-3，R5=-6.94525510-5。因，故xpxuDRe，代入式(16)得pxxDuRe (19)xppxDddRe43Re2将式(19)及代入式(15)，pxxDuRe并利用式(18)整理得 (20)xxxxxxxppxxppxxdDdDduSReRe1ReRe000ReRe05031. 0ReRe34利用高斯-勒让德数值积分法即可直接求出0.5Re3000 区间内的 Sx值。2.2冷却塔有效段筒体高度计算蒸发冷却塔有效段筒体高度设计应使雾滴在塔内的停留时间大于传热所需时间，以保证雾滴完全蒸发。在垂直方向的运动中，雾滴先以某一初速度喷出，由于阻力的作用，逐渐减速，该阶段称为减速阶段；当雾滴的重力与所受阻力相等时，雾滴由减速运动变为等速向下运动，直至雾滴蒸发完毕。雾滴在塔内的停留时间为减速运动与等速运动的时间之和。将雾滴自初始速度 uy0作减速运动阶段到等速运动阶段开始前接近于到达沉降速度 uf之间的时间作为减速运动的时间，利用数值积分法得雾滴在减速运动阶段时间1内下降的距离H1，m： (21)1011duHy将代入式(17)，整理后pyyDuRe得 (22)221ReRe34yyppdDd (23)223Re34ffpppgD式中，f为雾滴等速沉降的阻力系数，无因次；Ref为雾滴等速运动时的雷诺数。把式(22)代入式(21)中，并利用式(18)整理得到 (24)0ReRe21Re5 .26ReRe34yyxyyyppdDH利用高斯-勒让德数值积分法即可直接求出0.5Re3000 区间内的 H1值。将式(18)代入式(22)并整理得如下积分方程： (25)0ReRe221Re5 .26Re34yyxyyppdD利用高斯-勒让德数值积分法即可直接求出0.5Re3000 区间内的1值，此即为雾滴减速运动的时间。则雾滴等速运动时间2为雾滴蒸发时间减去雾滴减速运动时间1。等速运动段的塔高 H2由下式计算： (26)ffuuH122在液滴等速运动段，液滴重力等于其受到的阻力，此时式(17)左端等于零，即，则由式(17)可整理得沉降速度 uf0dduy为： (27)fppfgDu34因此，蒸发冷却塔的筒体有效塔高即为雾滴在减速阶段和等速阶段飞翔距离之和，即 (28)21HHH由本文的数据代入可计算得结果如下：表 1 液滴蒸发所需横向距离和竖向距离项目Sx /m1 /sH1 /m2 /sH2 /mH /m数值0.8710.06720.74251.861810.5811.32以上分析计算均为基于蒸发冷却塔直筒内横截面煤气流速均匀，而实际上，煤气在塔体上部入口管道呈喷射状进入塔体，气流充分发展成匀速状态需要一定的距离，这也对液滴的蒸发造成一定的影响。因此针对该种影响，本文考虑一个放大系数 K，并取 K=1.5，得到直筒段高度为 H=11.321.5=16.98m，并考虑直筒段下部气流受出口管的紊流影响，圆整直筒段到出口上端的高度为 H=20m。单个喷枪覆盖面直径为 D=2KSx=21.50.871=2.613m，并根据前面 1.2 节计算的总喷水量和单个喷枪的喷水量计算出所需要的喷枪数量，本文选用 12个喷枪，在塔内沿塔体环向均匀布置，如图 所示。图 4 12 个喷枪环向布置示意图3结语高炉原燃料热装生产工艺能很好地节约能源，但炉顶高炉煤气温度将远高于常规高炉工况，而在干法布袋除尘设施前的余热回收系统并联设置喷雾蒸发降温塔则保证了高温煤气回收系统的安全性。本文采用理论分析的方法，分别对塔内喷水量、降温塔出口煤气露点和含