岳 雷

(1.中冶東方工程技術(shù)公司動(dòng)力所，內(nèi)蒙古 包頭014010;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭014010)

0 引言

氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道技術(shù)在大中型轉(zhuǎn)爐中被廣泛使用，是冶金系統(tǒng)煙氣余熱回收的有效手段，工業(yè)機(jī)械部相繼頒布了“煙道式余熱鍋爐設(shè)計(jì)導(dǎo)則JB/T7603－94”和“氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件JB/T7603－94”，并且提出了相關(guān)的傳熱計(jì)算方法［1－2］。輻射冷卻室受熱面積吸收熱量可以按照下列換熱方程式計(jì)算。

式中Qf——冷卻室受熱面積吸收熱量/kJ·h－1;

C'——輻射系數(shù)/kW·m－2·℃－4;

Hf——有效輻射受熱面積/m2;

ζ——輻射受熱面污染系數(shù);

Typ——冷卻室中煙氣的平均溫度/℃;

Tb——冷卻室中受熱面管壁的溫度/℃。

雖然機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)提出了輻射冷卻室吸收熱量的計(jì)算方法，但是該計(jì)算方法中的輻射系數(shù)比較難確定，而使用ANSYS之類的軟件直接進(jìn)行數(shù)值分析，也有一定難度，特別是對(duì)邊界層厚度、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、運(yùn)動(dòng)黏度等都很難確定。因此，本文將結(jié)合鍋爐計(jì)算方法給出較實(shí)用的計(jì)算方法。氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)參考圖1。

圖1 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Waste Heat Boiler

1 煙氣成分計(jì)算

煙氣的物性參數(shù)主要需要確定汽化冷卻入口煙溫和焓值。而爐氣的燃燒產(chǎn)物，進(jìn)入煙罩時(shí)，所攜帶的熱量主要包括爐氣的物理熱、一氧化碳等可燃物通過燃燒所放出的化學(xué)熱，以及空氣帶入的熱量。其中空氣帶入的熱量主要包括從煙罩入口的空氣和汽化器高溫段漏入的空氣，漏入空氣溫度一般可按30℃考慮。進(jìn)入煙罩的熱量，除去煙氣帶入的熱量外，尚包含灼熱的爐襯和熔池內(nèi)的金屬向罩內(nèi)的輻射傳熱，根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)這部分熱量應(yīng)占到煙氣總能量的4%左右。同時(shí)，在煙氣中的二氧化碳和水蒸氣會(huì)發(fā)生熱分解，熱分解需要吸熱，降低了煙氣的焓值。因此，對(duì)煙氣的焓值計(jì)算可參考式(2)［3－5］。

式中I——爐氣的焓值/kJ·Nm－3;

Il——爐氣的物理熱/kJ·Nm－3;

Ir——爐氣中的可燃物燃燒放熱/kJ·Nm－3;

Ik——空氣帶入熱/kJ·Nm－3;

IF——爐氣中二氧化碳與水的分解熱/kJ·Nm－3。

計(jì)算爐氣的物理熱比較復(fù)雜，需要考慮二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、氮?dú)?、干空氣和爐塵的焓值［4］，計(jì)算參考式(4)～式(13)。

式中Ni——燃燒后各組分氣體的百分?jǐn)?shù)/［%］;

Ii——燃燒后各組分氣體的焓值/kJ·Nm－3;

Ih——燃燒后爐塵的焓值/kJ·Nm－3。

燃燒后爐塵的焓值計(jì)算，參考計(jì)算式(4)～式(6)。

式中 μy——煙氣中煙塵的濃度/kg·Nm－3;

μl——爐氣中煙塵的濃度/kg·Nm－3;

Cash——熔塵損失/［%］，一般取0.8;

△C——總降碳量/［%］;

τ——鐵水比/［%］，一般取94%。

在計(jì)算爐氣的物理熱時(shí)，各組分的焓值可參考相關(guān)資料。爐塵計(jì)算時(shí)如果沒有確切的數(shù)據(jù)，則對(duì)于中小型轉(zhuǎn)爐爐塵密度可取0.174 kg/Nm3，對(duì)于大型轉(zhuǎn)爐爐塵密度可取0.2 kg/Nm3，進(jìn)行估算。因?yàn)?，爐氣中的一氧化碳進(jìn)行燃燒進(jìn)一步放熱，計(jì)算可參考式(7)。在扣罩處和汽化冷卻煙道高溫段及末段處，存在漏風(fēng)問題，所以由空氣帶入的熱量，其計(jì)算可參考式(8)。

式中tlk——當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度/℃，一般取30℃;

Csk——濕空氣的定壓比熱/kJ·Nm－3·℃－1。

二氧化碳和水蒸氣分解所需的分解熱，二氧化碳和水蒸氣分解度參考相關(guān)資料［6］，分解熱計(jì)算參考式(9)。

式中fCO2——二氧化碳分解度;

fH2O——水蒸氣分解度。

2 輻射傳熱計(jì)算

大型鍋爐標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算中所使用的水冷壁管道的傳熱計(jì)算方法來編制算法，并根據(jù)汽化冷卻煙道的特點(diǎn)進(jìn)行改造［4－10］。輻射傳熱量計(jì)算參考式(10)。

式中Qf——冷卻室受熱面積吸收熱量/kJ·Nm－3;

Vl——爐氣量/Nm3·s－1;

M——水冷壁特性參數(shù);

adl——水冷壁當(dāng)量黑度;

Ψ——水冷壁熱有效系數(shù);

T'——入口計(jì)算煙溫/℃;

T″——出口計(jì)算煙溫/℃。

水冷壁當(dāng)量黑度計(jì)算參考式(11)。

式中a——煙氣黑度。

煙塵黑度計(jì)算參考式(12)～式(14)。其中，凈煙氣黑度計(jì)算參考式(13)。煙氣中各組分黑度查詢需要依靠各組分分壓與輻射層厚度的乘積來確定查詢系數(shù)曲線［5］。

式中aj——凈煙氣黑度;

aCO2——二氧化碳黑度;

aCO——一氧化碳黑度;

aH2O——水黑度;

Kht——煙塵輻射減弱系數(shù);

p——煙氣的絕對(duì)壓力，一般取p=1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

χ——輻射層厚度/m。

煙塵輻射減弱系數(shù)計(jì)算參考式(15)、式(16)。

式中Kh——爐口段和煙罩處取0.05，爐口段以上輻射段取0.01;

μj——煙塵中爐塵計(jì)算濃度/kg·Nm－3;

T——煙塵平均溫度/℃參考公式(23);

dcj——塵粒計(jì)算直徑/μm。

塵粒直徑可以根據(jù)空氣過剩系數(shù)來確定，當(dāng)α＜0.15時(shí)，dcj=5.5;當(dāng)0.15≤α ＜0.75時(shí)，dcj=3;α≥0.75時(shí)，dcj=3。水冷壁角系數(shù)、水冷壁熱有效系數(shù)和水冷壁特性參數(shù)計(jì)算參考式(17)～式(19)。

式中 ζ——水冷壁假想污染系數(shù)，可取0.65;

X——水冷壁角系數(shù);

dw——水冷壁管直徑/mm;

Lb——鰭壁厚度/mm;

Hxd——最高煙區(qū)相對(duì)高度，煙罩處取1，爐口段處取0.6。

3 對(duì)流傳熱計(jì)算

對(duì)流傳熱主要發(fā)生在爐口段、中段和末段處，煙罩處不考慮對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱計(jì)算主要確定對(duì)流傳熱系數(shù)，參考式(20)、式(21)、式(22)、式(23)、式(24)和式(25)［4－9］。

式中 λy——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

Dd——煙道當(dāng)量直徑/m;

Re——雷諾數(shù);

Pr——普蘭德數(shù);

ωy——煙氣流速/m·s－1;

Dd——當(dāng)量直徑/m;

νy——煙氣的運(yùn)動(dòng)粘度/m2·s－1;

Tavg——煙道平均溫度/℃;

Vy——煙體積流量/m3·s－1;

Fy——煙體截面積/m2;

△t——煙道溫差/℃;

T——管內(nèi)汽水介質(zhì)溫度/℃，一般可取189℃。

4 綜合試差

氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)計(jì)算的核心計(jì)算問題就是計(jì)算汽化冷卻煙道，其計(jì)算過程中需要針對(duì)各段煙氣的出口溫度進(jìn)行假設(shè)，需要反復(fù)驗(yàn)證假設(shè)溫度是否正確。計(jì)算流程如圖2。一般需要編制計(jì)算程序計(jì)算［4－9］。

圖2 計(jì)算流程圖Fig.2 Program Flow

5 結(jié)論

本文所提出的計(jì)算方法相比機(jī)械工業(yè)部所提出的計(jì)算方法更具有實(shí)用價(jià)值，并可以有效的進(jìn)行程序設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。通過對(duì)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果中的傳熱量數(shù)據(jù)可知，對(duì)流傳熱除扣罩外，其余段位輻射傳熱屬于主要傳熱形式，約占總傳熱量的75%～95%，而對(duì)流傳熱量比率只有5%～25%，而且隨著溫度不斷降低總傳熱量也在不斷降低。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符合，較機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)算法更具有可操作性。因此，建議將以上算法歸列為氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道標(biāo)準(zhǔn)傳熱計(jì)算方法。

［1］中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).煙道式余熱鍋爐設(shè)計(jì)導(dǎo)則:JB/T7603－94［S］.1994.

［2］中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件:JB/T6508－92［S］.1992.

［3］ВИ ЦКИ.鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

［4］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計(jì)算［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［5］工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法委員會(huì).工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［6］氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐汽化冷卻設(shè)計(jì)編寫組.氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐汽化冷卻設(shè)計(jì)［M］.包頭:包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院，1979.

［7］北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院.余熱鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1983.

［8］氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及回收設(shè)計(jì)參考資料編寫組.氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及回收設(shè)計(jì)參考資料［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［9］宋貴良.鍋爐計(jì)算手冊(cè)［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1995.