旋液流态化技术及其工程应用

1、第三章 旋液流态化技术及其工程应用为了让固体粒子能够顺利地在水平或接近水平的传热管（或流道）内流动起来，就必须保证有足够大的液体流动速度，即高流速。当沙子-水的流速达到2.5m/s以上时，沙子在水中处于充分悬浮的状态,并且以管中心线为轴对称分布。这种流态化状态称为对称悬浮流动。水平管内传统流态化技术清洗硬垢的能力强，但是要求流道内有2m/s以上的高流速。流速不够大时，颗粒比较大的粒子在水平流道下部分布密度大对水平段的下部磨损严重，而上部污垢清洗不彻底。在弯道处，高流速的流态化沙子的惯性对管壁的撞击和摩擦，加剧了管壁的破坏。并且不清洗时无传热强化功能。这样无形中增加了运行成本。本节研究的旋液流态

2、化技术将可以破解传统流态化的上述三大问题：一不需要高流速；二均匀清洗传热面污垢，但是部磨损管内壁；三不清洗时也具有对流传热强化功能。3.1.旋液流态化的结构原理1传热管 2螺旋线 3 流态化粒子图3.1. 卧式管外循环流态化清洗时横截面循环流动示意图结构原理是在传热管内设置有螺旋线。在不需要清洗的平常运行期间，螺旋线是传热管内对流传热强化元件，可以使传热系数提高20以上。需要清洗时，沙粒水混合物流动时，螺旋线自身不断的径向振动，流态化粒子随机地与管内壁摩擦，将污垢得以均匀地清洗。又由于流态化颗粒受螺旋线的周期性阻挡和扰动，特别是粒子顺着螺旋线方向的惯性运动，塑包螺旋线的作用有些类似螺旋输送器的

3、“螺旋片”，使传热管截面的下半部分的粒子顺着“斜坡”（如图3.1.所示）上升到截面上半部分，比空管时容易很多，以此十分有效地使管内均匀均匀流态化的流速要求值得到大幅度下降，一直降低到一般换热器设计流速范围的低下值水平，甚至0.40m/s时也能够均匀清洗，当然就不再存在流态化粒子对管内壁的磨损问题。由于流态化的低流速化，无须对泵的流量和扬程提出额外的高要求，使系统流程简化、操作简便、设备费与清洗作业电费下降。3.2.旋液流态化的动力学原理图3.2. 流态化粒子受力分析图 旋液流态化的粒子沿螺旋线的运动，可分解为沿管的轴线方向的直线运动和沿管壁的圆周运动。在水平流道内，要达到均匀清洗管壁污垢的目的

4、，就需要保障清洗粒子能可靠地沿螺旋线运动到横截面的顶部。为此，必须满足以下两个条件：A：粒子运动过程中始终与管内壁接触，且彼此存在有摩擦力；B：粒子运动过程中始终与螺旋线接触；H螺旋线螺距（m）；W沙粒平均体积（m3）；D螺旋线的外径（m）；沙粒的密度（kg/m3）；螺旋角（rad）；水的密度（kg/m3）；V沙粒平均速度(m/s)；局部阻力系数；d沙粒的平均直径1）沙粒与管壁之间的摩擦力 （1）2）沙粒与螺旋管之间的摩擦力 （2）3）沿螺旋线方向的下滑阻力 （3）4）沙粒受到冷却水对其的推动力 （4） 沙粒沿螺旋线运动并达到清洗管壁的目的需满足的条件：A 沙粒能沿螺旋线方向运动，即； （4）

5、B 沙粒与管壁之间有相互作用力：； （5）对条件A进行分析:令 （6） 理论计算式(2.11)对流道螺旋结构优化设计的指导作用在于，流态化清洗粒子要能够顺利地运动到流道横截面的顶部，粒子愈粗，粒子的密度愈大，流速愈小，螺旋角最小值就会要求愈大。将2.11.式改变为如下形式， 2.12这就是指导均匀清洗流态化低流速化技术突破的螺旋结构设计理论式。该式似乎可以得出结论是螺旋角（螺距）愈大愈好，其实最大值受到污垢清洗的轴向均匀性的限制；而且还存在螺旋角的最小值，它必须大于粒子愈螺旋线侧面之间的物料摩擦角。即 2.133.3.低流速化试验与螺距优化旋液流态化动力学试验研究装置如图3.3.所示。水槽里的

6、水经水泵，通过阀门流量计流入水冷壁，再经过加砂斗以及滤网流回水槽。沙子经过阀门与经过流量计的水汇合一起进入高炉水冷壁，在水冷壁管道里形成绕螺旋线旋转，从而实现清洗和防垢。沙子经过水冷壁后再次进入沙斗。粒子在内部构成循环，水经沙斗回水管流入水槽。粒子存放于沙斗中，实验开始前，阀门均处于关闭状态。试验开始时，打开阀门1，水槽中水经过阀门1进入模拟水冷壁管道，最后进入沙斗流会水槽，构成循环，此时打开阀门2，在重力作用下粒子开始下落，跟着水一起进入模拟水冷壁水管内，最后同样流回沙斗，这样粒子也构成一个稳定的循环，即为流态化粒子的内循环。图3.3. 旋液流态化动力学试验研究装置图为测量流态化的最小流速，

7、调整阀门，使流量由大到小变化，在整个过程中，直接观察管内流动现象，当颗粒在管内实现均匀化时，记录此时的流速和阻力值。为测量阻力、螺旋半径和流速之间的关系,需测不同螺旋半径下间距为1.2m的管道上两点在不同流速下的压力差。在改变螺旋半径和流速的条件下测量压差值。测量两点水柱差值再推算阻力。试验条件：Ø50×3mm管道。螺旋结构五种类：螺距H=35.0mm 螺旋外直径di=41.2mm；螺距H=42.5mm 螺旋外直径di=40.8mm；螺距H=45.5mm 螺旋外直径di=40.4mm；螺距H=51.0mm 螺旋外直径di=39.8mm；螺距H=60.0mm 螺旋外直径di=

8、39.2mm试验结果：如图3.4.曲线所示所试验的各种螺距结构，开始化均匀流态化清洗的流速都在0.6m/s以下，而相同条件下现有流态化要求2.5m/s以上，技术水平通过了4倍多。开始化均匀流态化清洗的流速远低于高炉水冷壁正常流速（1.02.0m/s），因此采用该技术很可靠。以螺距与流道内径相近时，开始化均匀流态化清洗的流速要求最低。 图3.4 流道内径44mm均匀流态化的流速曲线3.4. 污垢清洗能力及其清洗工艺参数在流态化自动清洗时，沙子是以一定的比例装在一个密闭的沙槽里。清洗时，若沙子浓度太大，清洗时间则相应较短。若沙子浓度较小，清洗时间则相应较长。由于流态化粒子循环槽的大小与沙子浓度和时

9、间有关，为此在满足清洗效果的前提下，应尽量减少沙子的用量，使粒子循环槽的尺寸大小合适，不致于显得过大。清洗能力试验人工预制污垢的成分是水泥与碳酸钙粉末以1:4的比例混合，再用乳胶、水调匀，然后涂在2根半透明塑料管内壁、1根钢管的内壁。水泥与碳酸钙粉末以1:3的比例与乳胶、水混合成糊状并均匀的涂在1根钢管的内壁。旋液流态化清洗能力试验记录表流道材料污垢成分（水泥:碳酸钙）流量计读数/流速（L/h）/(m/s)沙子体积（L）/体积浓度(%)污垢清洗干净的时间（s）半透明塑料管1:43000/1.030.883/1.63%65半透明塑料管1:42000/0.691.861/2.5%134碳钢管1:4

10、3000/0.692.7434/1.63%202碳钢管1:33000/1.036.343/1.63%467这种人工预制污垢比较工程实际的一般显然要硬得多。即使如此，旋液流态化清洗干净需要的时间也再8分钟以内，说明清洗能力足够。从表中可知，在相同条件下钢管的清洗时间比半透明塑料管的清洗时间要长，这说明混合物粘在钢管上的强度要大。水泥比例高的其强度高，清洗时间要长。清洗工艺试验结果表明，粒子浓度在2.0%左右、流速0.71.0m/s。粒子循环槽设计应该按8分钟时间计算，以便留有余地，实际清洗作业时间则应该按照温度显示的污垢清净程度决定，以免过度清洗。图3.5. 循环槽底粒子浓度控制结构3.5. 流

11、态化清洗粒子浓度的控制结构研究.结构原理 粒子浓度控制机构如图3.5.所示，是安装在粒子循环槽底部的一段弯管，设计有文丘里的喉部d2。喷水孔d1和回沙孔d3。粒子循环槽的水进出管直径相同。泵来的循环水从下方经过循环槽，其中一部分水从喷水孔d1喷射出来，使粒子流态化流动，进入文丘里喉部的回沙孔d2。这一部分水流动的动力由文丘里的降压提供，并且文丘里的降压愈大，出口流的粒子浓度就愈大。因此，出口流的粒子浓度与流速、管径之间的关系为 （7）可见，水管流速愈大，粒子浓度就愈大；尤其是文丘里管喉部直径愈是相对地细小，粒子浓度就愈是显著地增大。通过吸沙孔和喷淋孔的水量相等，喷淋孔的流速必须较大，才能有足够

12、的能量使槽内的沙子流态化，并且运送到吸沙孔口附近。通过吸沙孔的体积包含沙子有所增大，并且流速较低才有较高的效率。因此，吸沙孔直径必须大于喷淋孔直径。.试验研究 出口水流的粒子浓度与结构参数之间地关系试验记录表喷水孔直径mm吸沙孔直径mm流量m3/h流速m/s粒子体积浓度试验现象观察与记录136.62.80.025出沙不连续，出沙量小桶内水量基本保持平衡3.20.11958.22.60.485不连续，需外界轻微搅拌3.00.46出沙不连续，不稳定，出沙量小，易堵塞3.80.56出沙不连续，不稳定，出沙量小，易堵塞10.042.31.583不连续，但出沙量有明显增大，2.80.7不连续，桶内水量不

13、足需外界补充3.20.96不连续，但出沙量有明显增大，42.68较前次效果好，相对连续11.362.62.116基本连续，效果较好，出沙量大，3.22.41基本连续，桶内水量有所减少3.82.68基本连续，效果较好12.06632.53.347.连续，桶内水量保持不变。3.14.42连续，出沙量大，效果明显，1.63.06连续，出沙量大，效果明显，14.814.081.83.467同上2.34.94同上，但桶内水量变化明显，需外界补充3.57.13同上.试验分析与结构设计对粒子浓度的影响关系的试验结果 吸沙孔直径的影响 小于10mm时，浓度百分比主要与孔径大小有关，而流量的改变无较大的影响；在

14、68mm范围存在一个极限值，超过此值出沙量将显著增加。因此，吸沙孔直径一点要大于喷淋孔直径。 流量流速的影响 在吸沙孔直径大于10mm以后， 浓度高低与流量流速大小有一致性关。其理在于流速愈大，文丘里处的降压就会愈大，导致通过喷水孔与吸沙孔的推动力增大。 吸沙孔方向的影响 吸沙孔朝上，吸沙浓度较大。但是，若槽内有比较大的杂物时容易堵塞，可靠性最低。综合考虑以侧向较好。 吸沙孔与喷淋孔的相对位置试验确定 （试验条件：文丘里喉部直径d=17.5mm）粒子浓度与吸沙孔与喷淋孔相对位置的关系试验记录 表2.3.流量（L/h）流速m/sh(mm)L(mm)6000.2073841.2710000.345

15、46.103367.612000.41453.9989.1514000.48363.59101.1916000.55269.23114.24喷水孔应适当靠近、对准吸沙孔方向。 经验值试验表明，吸沙孔直径1014mm、喷水孔直径13mm、 流速为0.691m/s时,清洗沙子条件浓度为0.94.5，可以完全满足清洗所要求的（25）浓度值。3.6. 传热强化功能 图3.6. 流道螺旋的对流传热强化曲线无疑消耗热管内流道螺旋与钢丝螺旋线一样，具有相同的传热强化功能，显然区别在于流道螺旋的截面直径比传热管内固定的传热强化钢丝螺旋线大很多，螺距也大一些。为此，有必要对流道螺旋的传热强化功能重新试验测定。试

16、验测定是立式不锈钢管Ø40×3×2000mm，力矩优化以后的流道螺旋的外径28mm、螺距40mm，流道螺旋线的直径为4mm，管外水蒸汽加热，管内冷却水。试验结果如图3.6.所示，在测量的范围内，传热系数K值比安装流道螺旋线前平均提高了52.6%。钢丝螺旋线的传热强化幅度平均值是32.858，强化幅度前者比后者高了60。1列管换热器 2流道螺旋 3 管程液体 4粒子循环槽 5出水三通阀 6回沙孔 7文丘里喉部 8排污垢管9选择三通阀 10进水三通阀 11喷水孔图3.7. 旋液流态化曲线粒子循环流程示意图3.7. 旋液流态化式列管换热器 1套管 2螺旋线 3内管图38

17、 旋液流态化套管换热器旋液流态化列管换热器系统如图3.7.所示。不同点在于，一是两端的封头结构具有粒子均布所需要的特点；二是循环槽的尺寸大小与单一管程的传热管数成之比。因此，对于单一管程的传热管数较少的卧式列管换热器更具优势。 3.8. 旋液流态化式套管换热器 套管换热器在氮肥生产的中使用量最大最多，主要作为高压机的级间冷却器和合成塔出来的合成气体的冷却氨气组分的冷却冷凝分离。但是，套管换热器的环形流道的径向间隙很小，一般只有711.5 mm。因此，冷却水的环形流道的水垢的停车清洗非常困难。比较常用的方法有四种类：一是冷却水水质处理添加化学防垢剂。每年水处理的药剂费就是几十万元，但是仍然要结垢

18、，不过结垢的速度大大降低。二是化学清洗。由于水垢主要成分是硅酸盐，清洗药品费贵，清洗效果又没有钙镁盐垢酸洗那样好。三是人工清洗。须用卷扬机将高压内芯管一根一根的强行抽出拆卸，然后用高压射流水或者压缩空气喷砂清除表面污垢，再一根一根地又重新组装起来。非常累、非常脏、非常费工。每台换热器的检修工时需要一个维修班10天左右。因此，每台套管换热器清洗一次的费用（工时费、机具费、材料费）高达2.5万元左右。由于清洗困难，水垢不能及时清除，冷却效果普遍很差，从而导致高压机的能耗高、产量低，甚至被迫周期性停车清洗。四是专用的清洗车清洗。文献（贺运初，套管式换热器污垢循环流态化在线清洗技术，化工装备技术，19

19、99,20(5):6-9）介绍了套管冷却器污垢的循环流态化在线清洗车研制，需要一台价值5万元左右的清洗车，两2人操作，并且没有冷却强化功能。上述方法清洗以后再投入运行，冷却水的污垢又逐渐生长，一般10个月左右恢复到清洗以前的厚度，冷却效果很差。因此，都不能解决根本防垢功能，并且都没有冷却强化功能。 旋液流态化套管换热器系统如图3.8.所示。套管换热器的结构特点是单一流道，这种结构对旋液流态化的循环槽非常有利，体积可以非常小；并且没有列管换热器两端封头结构要求粒子均布带来的技术困难。因此，具有非常明显的优越性。3.9. 旋液流态化式螺旋夹套换热器 高温烟气采用反向喷淋膜裂式液滴细化的净化技术以后

20、，除尘净化的水洗喷淋量低，喷淋下来的污水温度较高，便于回收其中的热量。回收污水热量的传热设备是图3.9.所示的旋液流态化式螺旋夹套换热器，既是热污水储槽，也是烟灰尘泥的沉清槽。其槽体为夹套结构，夹套内为清洁的冷水，因此槽体本身又是传热面。夹套内的螺旋管来既用来分割夹套空间构成螺旋流道夹套。螺旋管内流通喷淋下来热的污水，与管外的冷水也构成换热器传热面。因此，因此，这种新型结构的设备既是换热设备，又是污水沉清储槽，其结构十分紧凑。作为污水利用的螺旋夹套换热器存在有大困难：一是传热面污垢必须要能够在线清洗；二是流速较低，设计取值范围在0.7m/s以下；三是阻力不能大；四是要求传热强化，传热效率愈高，

21、螺旋流道就会愈短，设备阻力就会降低到容许值以下。旋液流态化技术恰恰可以全面的给予满足。1热污水进口 2沉清储罐 3挡板 4蛇管 5螺旋线 6保温层 7排污口 8带螺旋线水平管 9文丘里 10颗粒 11回沙槽 12补沙口 14F1F15阀门图3.9. 旋液流态化式螺旋夹套换热器3.10.旋液流态化式高炉水冷壁3.10. 1.高炉水冷壁高炉内炉料状态 根据炉料状态，可分五个带(见图3.10.):散料带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带。图3.10. 炉内状态图 图3.11. 软熔带结构图1耐火砖 2 水冷壁 3炉壳图3.12. 高炉炉身基本结构软熔带结构与作用 矿焦层装的高炉，软熔带结构也是层状的。

22、一层矿石一层焦炭，矿焦相间，其形状受等温线分布的影响。矿石层透气性不好;焦炭层透气性良好，又称焦窗。其结构有以下名称(见图3.11.):焦窗、矿石软熔层、软化线(或固相线)、熔化线(或液相线)、顶部、根部位置。高炉内软熔带起煤气分布器作用。从目前研究结果看，炉内煤气流的分布状态受下列因素影响而变化:1)风口数量与直径，决定煤气流的原始分布;2)软熔带结构与形状改变了煤气流的原始分布;3)炉顶布料，矿石与焦炭的物理性能与堆尖位置，改变煤气分布;水冷壁的结构和作用 高炉炉身的基本结构如图3.12.所示：最外层是钢板焊接的炉壳，最里层是耐火砖，中间层是通冷却水的水冷壁。一座炼铁高炉有数百块水冷壁高炉

23、水冷壁是 高炉炉体结构的重要组成部分，对炉体寿命可起到如下作用：（1）保护炉壳。在正常生产时，高炉炉壳只能在低于800C的温度下工作，炉内传出的高温热量由冷却设备带走85%以上，只有约15%的热量通过炉壳散失。（2）对耐火材料的冷却和支承。在高炉内耐火材料的表面工作温度高达15000C左右，如果没有冷却设备，在很短的时间内耐火材料就会被侵蚀或者磨损。通过冷却设备的冷却可提高耐火材料的抗侵蚀和抗磨损能力。冷却设备还可对高炉内衬起支承作用，增加砌体的稳定性。（3）维持合理的操作炉型。使耐火材料的侵蚀内型线接近炉型，对高炉内煤气流的合理分布、炉料的顺行起到良好的作用。（4）当耐火材料大部分或全部被侵

24、蚀后，能靠冷却设备上的渣皮继续维持高炉生产。.高炉水冷壁的水垢问题图1.13. 水垢对水冷壁热面温度和热应力的影响水垢与热面温度、热应力的关系冷却水管水垢厚度与水冷壁的温度和热应力的关系如图3.13.所示4。从图中可见,水管结垢对水冷壁的温度和热应力的影响较大,特别是对温度的影响必须引起注意。当水垢厚度达到1mm时,水冷壁热面最高温度会比无水垢时上升约60。整个壁体的温度随着水垢厚度的增加迅速上升。这是因为水垢的导热系数仅为壁体导热系数的1/25,水垢的形成大大增大了冷却水与水冷壁之间的综合热阻。也即使水冷壁与温度大幅上升。当水垢厚度增大到5mm时,水冷壁热面温度的最大值将达到840左右,这就

25、意味着水冷壁很可能会被烧坏(通常水冷壁最高温度超过700,就可能烧坏壁体)。由图3.13.可见,壁体热应力先随着水垢的形成而大幅增大。水垢从无到增为1mm后,最大热应力增大（约13）近280MPa。但是,随着水垢的变厚,热流强度的下降的结果，水冷壁壁体内的温度梯度随之降低，并且热面温度显著上升，材料弹性显也显著下降，因此最大热应力略有下降,但是其值基本保持在250270MPa之间。因此,日常维护中一定要严格控制冷却水的水质。从3.13.图分析：l 从热面温度700控制要求，周期自动清洗的水垢厚度上限值控制在1.5 mm比较合适；l 水垢对热面温度非常敏感，1mm水垢可以升高200；l 水垢厚度

26、对最大热应力的影响几乎是线性的，每1mm水垢上升20MPa,因此幅度特别大。 高炉铸钢冷却壁传热和结构的影响因素分析. 钱中、程惠尔、吴俐俊(上海交通大学工程热物理所) ,2005,27(5)34-38重要性本钢解剖资料介绍污垢厚度达十多毫米，尤其是与炉罐对应的第13层水冷壁的污垢。根据实验，1mm厚的水垢，炉体水冷壁的换热量会下降80左右，将对水冷壁造成50100的温升1。因此，水冷壁的冷却效率在很大程度上决定着炼铁高炉的寿命。本钢5号高炉第三代大修炉体破损调查表明，六段水冷壁结垢最厚达20mm，炉缸水冷壁管内结垢物一般厚2.5mm,最厚达5.0mm。水垢生成恶化了传热条件，冷却水管和水冷壁

27、温度升高，更加速了水垢的增长。计算表明，在高炉炉役末期，炉衬脱落后，1mm厚的水垢可能使水冷壁内表面温度升高400，35mm的水垢可能使水冷壁内表面温度升高600，甚至超过材料最高容许使用温度，从而引起壁体龟裂、剥落，冷却水管暴露炉内，极易烧坏，导致停炉检修2 3。杭州钢铁公司的1高炉的水冷壁180m2（2000.02），2350m2（1997.12.），3302m2（1995.07）。3高炉200多块水冷壁。冷却水为不加药处理的运河水。在每根水冷管进口段已经安装有一个三通阀门。3高炉的冷却水流速实测值为1.21.3（m/s）。按此作为平均流速，以250根管推算，实际供水量为1130(m3/h

28、)，低于设计流量15002000(m3/h)。供水压力为0.3Mpa，清洗时的冲洗压力为0.6Mpa。冷却水温度上升值，第一层2，第二层3，第三层4。已经有十多块水冷壁烧坏。因此，在炉外浇冷却水补充冷却。随着高炉容积的扩大和冶炼强度的不断提高，致使高炉内衬过早损坏，特别是炉腰和炉身下部,被迫停炉检修。一座1000的高炉，每一次停炉中修的维修费为3000万元，少产生铁810万吨（产值1亿元左右），减少利润2000万元。例如，包钢的高炉寿命如果减少一次中修，费用可以节省60008000万元5。高炉是大型化、现代化的设备,投资巨大。高炉的长寿对一代炉役可创造巨大经济效益:如果750m3 高炉延长1

29、年寿命,按多产铁70 万t 计算,每吨铁利润按150 元计,年效益可达1.05 亿元6。 因此，提高炉役寿命是国内外高炉高效面临的共同课题，炼铁高炉长寿的经济意义是巨大的。延长高炉寿命是系统工程，最为关键的是防治水垢，实现冷却壁系统的有效冷却7。参考文献1 胡源申,袁晓敏,王彪等. 马钢3号HT高炉水冷壁破损分析J 1炼铁,1996 2 杨天钧等. 高炉冷却器结垢及高压水射流技术，钢铁，1995.(9):67-69 3 程素森 薛庆国 苍大强 杨天钧. 高炉冷却壁的传热学分析 北京科技大学 19974 钱中，程惠尔，吴俐俊. 高炉铸钢水冷壁传热和结构的影响因素分析J，上海金属，第27卷，第4期

30、，2005年7月5 丁志云，董伟君、段维民. 包钢高炉现状及长寿工作对策，包钢科技，2000，29(4):336储滨, 肖阳, 龚涛(宝钢股份不锈钢分公司, 上海200431)，750 m3 高炉高利用系数条件下高煤比实践,钢铁，2006，41（3）12147 黄晓煌、孙金择(鞍山钢铁集团公司)，鞍钢7号高炉炉身破损原因剖析，炼铁，2001，20（6）14.高炉水冷壁的纯水（软水）密闭循环二次冷却技术目前国内外所有使用的软水冷却型式按其膨胀水箱设置不同可分为上置式和下置式两种1。（1） 上置式软水闭路循环冷却系统 （如图3.14.所示）1） 系统运行安全可靠。当循环泵停止工作时，冷却系统能自动

31、的从软水的强制循环转化为汽化冷却的自然循环，膨胀水箱就变成汽包。系统内各回路间相互影响小。软水闭路循环的冷却系统是根据不同的冷却部件组成几个不同的冷却回路，以便进行热负荷控制。上置冷却系统中各回路的出口都直接与膨胀箱相接，而膨胀箱内的压力不会由于某一回路流量的变化而发生变化，所以，各回路之间的影响就小。 1补水箱 2补水泵 3 循环泵 4热交换器5逆止阀 6膨胀水箱 7冷却壁图3.14. 上置式软水闭路循环冷却系统2） 系统内的压力波动较小。软水闭路循环冷却型式的定压工作是依靠向膨胀水箱内充满一定的压力的氮气来实现的。由于膨胀水箱处在系统的最高点，膨胀水箱内的压力只要高于大气压力就可以。其压力

32、一般控制在0.010.05MPa ，所以，其压力波动只是在控制范围之内。（2） 下置式软水闭路循环冷却系统 （如图3.15.所示） 下置式软水闭路循环冷却系统如图3.15.所示，是把膨胀水箱位置布置在大约最下层被冷却的冷却器同一高度上。下置式冷却型式与上置式比有以下缺点：1） 循环泵停止工作时，整个系统就停止运行；2） 系统内各回路间相互影响较大。每个冷却回路不是独立回路而汇集到一点，汇集点的压力有可能随某一流量较大回路的流量变化而变化，即某一个回路的流量变化可能导致另一回路流量变化，所以，系统中各回路间的相互影响较大；3） 系统压力波动较大。下置式膨胀水箱冷却系统的定压，要考虑一旦循环泵工作

33、时系统的最高点不能出现负压，即膨胀水箱内但其压力要高于系统最高点内压力发生较大波动即氮气体积发生较大变化时，其压力的变化就很大，一般可达0.30.5MPa。所以，下置式膨胀水箱冷却系统各点的压力波动就大可达0.30.5MPa。下置式冷却型式系统见图9。1循环泵2热交换器3膨胀水箱4补水泵5补水箱6冷却壁图3.15. 下置式软水闭路循环冷却系统涟钢炼铁厂有1座2200m3大型高炉和5座300m3级小高炉，大高炉采用软水密闭循环冷却系统，5座300 m3小高炉使用的都是敞开式工业水冷却循环系统。2004年初,涟钢对1号高炉进行了大修扩容改造，将原329m3扩容为488m3。为了节能，延长高炉寿命，

34、加上原冷却水系统改造困难，在1号高炉大修改造中，高炉炉体及热风炉的冷却水采用了先进的软水密闭循环冷却系统，投资约1600万元。国外高炉主要采用软水冷冻密闭循环系统防垢。但是，每座1000m3的高炉的冷却水量很大（15002000 M3/h），投资费用高20003000万元，运行成本高昂，每年多数百万元，中小型高炉在经济上难以承受1。图3.16. 高炉水冷壁旋液流态化系统 1周传典,主编. 高炉炼铁生产技术手册M,北京：冶金工业出版社，2002.8.高炉水冷壁的旋液流态化冷却技术.高炉水冷壁旋液流态化冷却效益分析高炉寿命效益分析流态化在线清洗最主要的效益体现在可以有效地延长高炉冷却壁的寿命方面。

35、螺旋流态化在线清洗与纯水或软水密闭循环的二次冷却相比，前者通过在线就是清洗，后者提高防垢，两者都能很好解决冷却水的水垢问题。但是，前者有使流道内的对流传热膜系数提高50的重要功能，后者却没有。因此，单从水冷壁的冷却效果角度有理由推断采用流态化在线清洗的水冷壁的寿命不低于纯水或软水密闭循环的冷却壁。水冷壁流道改为螺旋流道结构的磨损寿命试验的试验条件：水冷管内径为32mm，螺旋线钢丝直径为2mm，外径29mm，螺距45mm。运行时间20h，流速1m/s，流态化沙子粒度612目，体积浓度略大于1。试验结果：不锈钢钢丝原重量98.99克，磨损后重量98.90克。结果分析：螺旋线钢丝直径磨损减少到1.4

36、mm为寿命限，则按此磨损速度钢丝螺旋线可以经受此条件下的流态化清洗磨损的时间为10000小时。即使水冷壁寿命20年，每年的清洗时间可以高达500小时。远远超过预计磨损寿命的要求。装置设备费（制造成本费）与现有的水冷壁相比，流态化水冷壁系统的制造成本几乎不增加。因此，可以节省纯水或软水密闭循环二次冷却系统建造费2000万元左右。 运行费l 节水效益 因为强制对流的传热管内的传热系数计算式为式中 n值视热流方向而异，当流体被加热时，；被冷却时，； 流体的导热系数，； 流体的粘度，； 流体的定压比热，； 管径；m; 流体密度；kg/m3; 由于管内安装了螺旋线以后的传热膜系数强化幅度为50，因此计算

37、式改变为：依据上两式，从保持同等冷却效果要求，采用螺旋流态化前后的冷却水流速有如下关系计算得到，节水率可以高达40。以湘钢3号高炉为例，测得其中两个出水管的流速分别为u=2.3m/s，u=2.9m/s。若留有余地，按节水率30，工业循环冷却水0.13元/吨（取0.10元/吨），每天24小时，每年360天，循环冷却水按4000T/h计算,则每年节水：360×24×4000×30%=1036.8万吨。每年的节水效益：1036.8×0.10=103.68万元。l 药品费二次循环冷却水的药品费每年200多万元。小结与纯水或软水密闭循环的二次冷却技术相比， 同样能

38、很好解决冷却水的水垢问题，有效地延长高炉冷却壁的寿命。 旋液流态化技术还具有有使流道内的对流传热膜系数提高3050的重要功能， 节省建造费2000万元左右。 每年节省运行费300多万元。.旋液流态化铸钢水冷壁.1.旋液流态化球铁水冷壁的间隙问题图2.38. 气体间隙对热面温度热应力的影响曲线球铁制造的旋液流态化水冷壁在制造时，为了防止浇铸过程中向低碳钢的水冷管渗碳，必须在管外壁刷涂防渗碳剂。因此，在球铁与水冷管之间存在有一定的气体间隙。由于气体间隙的导热性非常差，气隙的导热系数壁水垢更小，只有水垢的1/4左右，仅为壁体导热的1/1300左右。因而,气隙层的微小增加,综合传热系数也就大幅下降,最

39、终导致壁体温度的直线大幅上升。在热应力方面,随着气隙层厚度的变化,最大热应力值变化却不是很大。先是,随着气隙的增厚,热应力略有下降。这表明,此时的整个壁体的温度虽然大幅增高,但是其各部分温度相对均匀。但是,当气隙厚度继续增加时,热应力开始增长,此时壁体的换热能力极大下降,壁体各部分的温差又开始增大。总的来说,热应力变化范围不大,不超过20MPa。在制造过程中一定要尽量避免气隙层,严格控制气隙层厚度，以免水冷壁壁体升温过高而导致损坏。气体间隙对热面温度和热应力的影响关系通过数值模拟得到的曲线 如图2.38.所示，可见：l 球铁材料要求热面温度控制在700以下，气隙厚度的上限值只容许控制在0.15

40、 mm以下，这是非常困难的；l 气隙厚度对热面温度远比水垢敏感，0.5mm气隙可以升高270；l 气隙厚度对最大热应力的影响不敏感，并且最大影响的幅度在20MPa。 高炉铸钢冷却壁传热和结构的影响因素分析. 钱中、程惠尔、吴俐俊(上海交通大学工程热物理所) ,2005,27(5)3438.2.旋液流态化式新结构铸钢水冷壁 水冷壁与气体间隙的总热阻分析表铸入钢冷却壁的冷却水管,不需要像球铁铸造那样在水冷管外表面涂加任何防渗碳剂涂层，只是在浇铸工艺上采取相应的措施防止水管在浇铸时不被高温钢液熔穿，同时又能和母体紧密地融合成一个整体;如果冷却水管与钢液的成分一致，则这种铸钢冷却壁既无渗碳问题，从结构

41、上看也不存在任何热阻。在冷却水管和铸钢冷却壁母体之间的气缝已经减小到0.1mm以下。这就大大地减少了水冷壁本体导热的总热阻，如右表所示 。 朱童斌、石玮、王黎明等，高炉铸钢冷却壁的研制，铸造，2003，52（7）505509图2.39. 含碳量与导热性的关系曲线图2.39. 渣皮对水冷壁温度场和应力场的影响由于渣皮的导热性低，因此对热面温度的降低最直接、最有效。渣皮厚度与水冷壁的温度和热应力的关系如图2.39.所示。渣皮极差的导热性能使其对壁体起到了极大的保护作用。当无水垢、而存在渣皮的情况下,水冷壁的温度有较大的下降。只要形成5mm厚的渣皮，水冷壁的热面最高温度将从622(无渣皮情况)下降到

42、505,降幅超过115。当渣皮厚度达25mm的时候,水冷壁最高温度下降到了290左右。同样,渣皮的存在也导致了水冷壁热应力的迅速下降。当渣皮厚度为5mm时,壁体最大热应力将比无渣皮时下降近35MPa,当渣皮厚度为25mm时，最大热应力值仅为无渣时的46%左右。因此,稳定高炉操作,在炉衬表面形成一层稳定的渣皮是延长高炉水冷壁寿命的关键12。铸钢水冷壁可以解决球铁水冷壁的气体间隙热阻这一主要矛盾，并且铸钢的导热性又比球铁高得多，钢铁的含碳量多少与导热性的关系曲线如图2.39.所示。这就为旋液流态化冷却充分发挥高技术效益提供了前提条件。两者相结合的旋液流态化铸钢冷却壁，更重要德是将冷却水管在冷却壁本

43、体结构中设计到更靠近热面，包括横肋在内，如图2.41所示。这种新结构与现有结构的球铁水冷壁相比，从传热学的角度预计，是可以非常有效降低热面温度，使热面形成稳定的渣皮保护，甚至有可能在一定程度上接近铜冷却壁的冷却能力，从而达到很高效益的高炉长寿、大幅度节能节水的目的。而且横肋的渣皮远比传统结构的各种水冷器的渣皮的稳定性好。双向波形薄壁铸钢水冷壁结构原理图3.11.旋液流态化式料浆输送技术# 作为运输工具，管道的发展几乎是与车、船同步的，也有两千多年的历史，但从运输物质的范围、规模和数量上，则大大不如车、船。直到本世纪下半叶，随着石油工业的发展，管道运输才有了一个较快、较大的发展。伴随着科学技术的

44、进步及环境保护的要求，将固体物质制成浆体或矩状体通过管道输送，将在21世纪有较大的发展。我国在矿浆、煤浆等管道翰送上已开始起步，下世纪将逐步实现规划中的目标，并将开拓新的物质输送领域。. 浆体的管道输送特点 我国目前长距离管道输送的大量物质，如石油和天然气(多相流除外)，主要是气态物质或液态物质，在管内呈单相流体，流体力学问题相对简单。浆体的管道输送则是将固体物质粉碎成一定粒径的颗粒与液体拌和制成，在管内呈固/液两相流体，因而流体力学问题较复杂，其输送特点表现如下。 (1)浆体的流动性; (2)浆体的沉积性; (3)管道的磨损性; (4)管道的敷管坡度受限性。 浆体的流动性除了像单相流体受限于

45、流体自身的粘度外，同时还受限于固体浓度、颗粒组成、温度、流态等。浆液具有很高的粘性，流动性很差，管道输送阻力大。为改善浆体流动性，往往通过化学添加剂降低浆体粘性，以达到改善浆体流动性的目的。 浆体在水平管内流动时，若固体部分颗粒得不到来自液体的动量转让，这部分颗粒就会停止运动而沉积于管底，进而影响浆体输送。旋液流态化输送技术原理在于此。这在单相流体输送的管道内不会发生。要求浆体在输送速度下保持固体颗粒悬移运动而不沉降分选，这是浆体输送的稳定性要求。要使浆体输送有较好的稳定性，就要保证浆体具有最佳的输送浓度、合适的颗粒组成、最佳临界不淤流速及合理的水力坡度。在浆体输送过程中，如果其固体颗粒始终保

46、持悬浮状态，则对管壁的磨损比较轻微。如果因流态改变或管道坡向变化，固体颗粒出现上稀下浓的状态，则对管壁的磨损比较严重。不同物性的固体颗粒和不同的流速，对管道的磨损是不同的。磨损性在单相流体管道设计中可以忽略，而在浆体的管道输送中则是必须考虑的一个问题。采取降低流速(即减小阻力)、稳定流态、控制敷管坡度、气环隔离(这是三相流问题)等措施均可减轻对管道的磨损。众所周知，单相压力流管道可以依自然地形布管，可视地质条件绕避移线，基本不限制管道敷设坡度。如前所述，管道输送浆体则要考虑浆体输送的稳定性，既要保持固体颗粒悬浮于液体中，又要保证管道停输时不发生沉积(堵管)。这样，对输送浆体的管道就有了限制敷管

47、坡度的要求，如我国太原钢铁公司的尖山至太原精铁矿浆管道，其管道线路敷设坡度不大于100%.管道输送浆体的若干技术问题 根据管道输送浆体的特点，选择管道输送最佳参数是关键的技术问题。目前，我国清华大学、武汉水利电力大学、辽宁工程技术大学、煤科院唐山管道运输研究所、长沙矿冶研究院等单位已开展了大量的实验研究工作，主要研究的技术问题有，浆体组成及悬液粘性对浆体不淤流速的影响和对浆体管道稳定性的影响;固/液两相管流水击压力的计算;沉降性浆体管道输送水力坡度的研究;水煤浆的基本性质与管道输送参数研究;温度对管道输送浆体参数的影响;大洋锰结核气力提升扬矿管道参数研究;用系列模型延伸法推求浆体管道输送最佳参数;管道输送浆体的三相流研究等，其中一些研究成果已应用于尖山至太原的精铁矿浆管道上。涉及到管道输送浆体工程中的应用研究有，隔离泵的研制与应用;流态化工业矿浆仓的研制与应用;两相流水击压力检测;两相流称重式悬浮介质浓度计的研制与应用;山区浆体管道限坡敷设的工程措施等。从目前管道