朱亞同

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900）

高爐煤氣噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

朱亞同

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海201900）

敘述了利用噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)對(duì)鋼鐵企業(yè)中高爐煤氣進(jìn)行降溫的工程應(yīng)用。介紹了相關(guān)的工作原理、工藝流程、工藝特點(diǎn)，給出了實(shí)際的技術(shù)方案。

高爐煤氣；噴霧；蒸發(fā)冷卻；雙流體

1 概述

從節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，鋼鐵企業(yè)煉鐵高爐系統(tǒng)普遍采用干法布袋除塵系統(tǒng)，輸出的高爐煤氣最高溫度可達(dá)200℃，超出了煤氣柜的承受溫度，需要采取冷卻措施將煤氣冷卻到煤氣柜要求的溫度。

以下闡述蒸發(fā)冷卻的原理及在實(shí)際工程中利用噴霧蒸發(fā)冷卻對(duì)高爐煤氣進(jìn)行冷卻的應(yīng)用案例。

2 蒸發(fā)冷卻工藝

2.1 雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻工作原理

雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻的原理是：同時(shí)供水和氮?dú)?，在噴嘴?nèi)，水和氮?dú)饨?jīng)過(guò)高速切割作用，霧化成微米級(jí)的小液滴，強(qiáng)制噴射到被冷卻氣體中，吸收氣體中的顯熱后蒸發(fā)汽化，在核態(tài)沸騰以及兩次成核等機(jī)理的共同作用下，達(dá)到冷卻的作用。霧化顆粒非常小，平均粒徑為50～70 μm，確保100%蒸發(fā)。

2.2 噴嘴特性及其控制

雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻的核心技術(shù)是噴嘴特性及其精確控制，目前國(guó)內(nèi)已充分掌握這項(xiàng)技術(shù)。

噴嘴設(shè)計(jì)的考慮因素有：射流速度、水氣配比、噴射壓力、噴射角度等。

射流速度增加時(shí)，會(huì)加速氣霧之間的混合程度，增加接觸面積，提高換熱效率，但如果流速太大，也會(huì)引起系統(tǒng)阻力過(guò)大，接觸時(shí)間過(guò)短，而降低換熱效果。

水氣配比影響了液滴的形成和粒徑分布，合適的配比可以更好地對(duì)水進(jìn)行分割，相對(duì)增加換熱面積，提高換熱效果。

噴射壓力加大時(shí)，增加噴霧的流量，但是會(huì)影響噴嘴的使用壽命。

噴射角度的設(shè)計(jì)要考慮到噴霧的覆蓋面積大，在不濕底不濕壁的前提下充分有效換熱。

3 應(yīng)用案例

以八鋼南疆基地項(xiàng)目為例，煉鐵高爐系統(tǒng)采用了干法布袋除塵系統(tǒng)，輸出的高爐煤氣溫度為200℃，超出了煤氣柜的承受溫度，設(shè)計(jì)在進(jìn)柜前設(shè)置雙流體噴霧蒸發(fā)冷卻裝置，將煤氣冷卻到煤氣柜設(shè)備要求的溫度。

3.1 技術(shù)方案

高爐煤氣由外部管網(wǎng)送來(lái)，壓力為＞12 kPa，煤氣總管管徑為DN2600，進(jìn)柜區(qū)的高爐煤氣先經(jīng)過(guò)自動(dòng)噴霧冷卻裝置，最大處理能力為200000 m3/h。

氮?dú)忪F化水噴霧冷卻系統(tǒng)，設(shè)2組噴頭，前后設(shè)溫度計(jì)，通過(guò)入口煤氣溫度控制噴淋水量，將出口煤氣溫度控制在55℃以下。按最大流量200000 m3/h，最高溫度200℃設(shè)計(jì)。

外部供水壓力為0.6 MPa，滿足噴霧冷卻裝置的要求，可直接使用外部供水供應(yīng)噴淋冷卻裝置。

系統(tǒng)工作時(shí)，冷卻水自水源水箱經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾后由水泵升壓到一定的壓力，經(jīng)出口管路送到噴

槍?zhuān)趬嚎s氮?dú)獾淖饔孟蚂F化，產(chǎn)生非常細(xì)小的霧化顆粒，水霧在高溫煤氣中迅速蒸發(fā)，吸收煤氣的大量熱量，使煤氣溫度迅速降低到設(shè)定的溫度以下。

圖1為立面布置設(shè)計(jì)圖。

3.2 工藝流程

系統(tǒng)流程框圖如圖2所示。

圖 1噴霧蒸發(fā)冷卻裝置立面布置圖

圖2 噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程圖

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)構(gòu)型式：管道式；

接點(diǎn)壓力：＞12 kPa；

處理煤氣量：2萬(wàn)m3/h；

入口溫度：150～250℃；

出口溫度：≤55℃；

系統(tǒng)阻力：＜0.2 kPa；

氣霧噴槍個(gè)數(shù)：3支×2組；

冷卻水溫度：～35℃；

總水量：25 t/h（MAX）；

水質(zhì)：工業(yè)水；

供水壓力：0.4 MPa（地面）；

氮?dú)饬髁浚?40 m3/h（連續(xù)使用MAX）；

氮?dú)鈮毫Γ?.6 MPa（泵站前接點(diǎn)壓力）；

管道長(zhǎng)度：～25 m；

管道直徑：外徑2620 mm，厚度10 mm；

主要材質(zhì)：Q235B（管道）；316L（噴嘴）；

設(shè)備總重：～1.2 t；

設(shè)備防護(hù)等級(jí)：IP54。

3.4 系統(tǒng)組成

3.4.1 噴霧執(zhí)行系統(tǒng)

噴霧執(zhí)行系統(tǒng)由6支雙流體噴槍和1只分組控制箱組成。沿著煤氣流向分兩組布置在不同的位置點(diǎn)，每組噴槍之間相距15 m左右。

第一組3支噴槍當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，處于常噴狀態(tài)。

第二組3支噴槍配備一套分組控制箱，分組控制箱能獨(dú)立控制每支噴槍的開(kāi)啟和關(guān)斷，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)煤氣降溫需要自動(dòng)選擇開(kāi)啟或關(guān)閉。分組控制箱內(nèi)選用具有防爆功能的電磁閥。

噴槍的參數(shù)如下：

材質(zhì)：316L不銹鋼；

噴霧水量：3.6 m3/h（單支）；6.0 m3/h（單支）；噴槍工作壓力范圍：氣壓0.4～0.5 MPa；水壓0.3～0.7 MPa。

3.4.2 水路系統(tǒng)

水路系統(tǒng)主要由過(guò)濾器、離心水泵、壓力開(kāi)關(guān)、氣動(dòng)球閥、電磁流量計(jì)、壓力變送器、壓力表、單向閥以及球閥等通過(guò)管道連接而成。幾乎所有的管路都

有備份回路，當(dāng)正常的工作管路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)切換至備份回路，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

水泵采用多級(jí)離心泵，配備兩臺(tái)，相互備用。水量通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電磁流量計(jì)用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)消耗的水量，通過(guò)觸摸顯示屏顯示并傳送至PLC。

氣動(dòng)球閥用來(lái)切換相應(yīng)的回路投入工作。

通過(guò)切換過(guò)濾器前后的球閥，可以在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)更換和清洗過(guò)濾器。

壓力變送器用來(lái)檢測(cè)壓力并向控制器傳送壓力信號(hào)，參與噴霧控制，通過(guò)檢測(cè)水泵出口壓力來(lái)判斷供水是否正常，防止水泵干運(yùn)轉(zhuǎn)。

溢流（排放）回路連接在水泵的出口處，當(dāng)供水管路壓力超過(guò)系統(tǒng)耐壓等級(jí)時(shí)，泄壓閥打開(kāi)泄壓，保證系統(tǒng)的安全。本系統(tǒng)的耐壓等級(jí)為1.6 MPa。

3.4.3 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)主要由過(guò)濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、氣動(dòng)球閥、壓力表、單向閥、截止閥和球閥通過(guò)管道連接而成。幾乎所有的管路都有備份回路，當(dāng)正常的工作管路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)切換至備份回路，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

根據(jù)雙流體噴槍的工作特點(diǎn)，在正常工作時(shí)，氣路的氮?dú)鈮毫Ρ３趾愣?，不需要?jīng)常調(diào)節(jié)。

在泵站系統(tǒng)停止工作且管道內(nèi)仍然有煤氣通過(guò)時(shí)，氣路系統(tǒng)通過(guò)旁路繼續(xù)供給噴槍低壓的壓縮氮?dú)猓?.02 MPa左右），以防止噴槍被煤氣中的灰塵堵塞。

儀表用氣用于給氣動(dòng)球閥供氣，主要由過(guò)濾器和壓力調(diào)節(jié)閥組成。

3.4.4 泵站

水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和電氣控制柜（視現(xiàn)場(chǎng)需要也可與泵站分離）都集成在一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)底座上，結(jié)構(gòu)緊湊，便于運(yùn)輸和安裝。

泵站有五個(gè)管道接口，其中兩個(gè)管道接口是進(jìn)氣和進(jìn)水，分別連接壓縮氮?dú)夂退?；兩個(gè)管道接口是出氣和出水，分別連接噴槍的氣路和水路；還有一個(gè)管道接口是溢流（排放）出口，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)一定值或者系統(tǒng)檢修需要將管路里的水排空時(shí)，打開(kāi)溢流出口。

3.4.5 溫度檢測(cè)部分在煤氣管道的入口和出口均安裝溫度傳感器：入口溫度傳感器1只，用于監(jiān)視來(lái)自上游的煤氣溫度；

出口溫度傳感器2只，用來(lái)檢測(cè)噴霧降溫后的煤氣溫度；

溫度傳感器采用316L保護(hù)套管，具有很強(qiáng)的耐磨性。

溫度傳感器防爆等級(jí)為：EEx dⅡC T4-T6。

3.4.6 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的主要由PLC控制器、觸摸顯示屏、變頻器和其他電器元件等組成。

觸摸顯示屏的操作界面是中文，噴霧系統(tǒng)所有重要的參數(shù)，包括煤氣管道入口和出口溫度、泵站出口氣體和液體壓力、消耗水量等，都可以在觸摸屏上顯示。同時(shí)，通過(guò)觸摸屏還可以更改相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，比如更改出口期望溫度。

除在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作外，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。跟中控之間的通訊一般采用Profibus-DP總線方式。

3.4.7 系統(tǒng)控制主要要求

控制溫度的調(diào)節(jié)元件是變頻器。當(dāng)檢測(cè)到的溫度與設(shè)定溫度不相同時(shí)，控制器會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)調(diào)節(jié)水量，從而達(dá)到控制溫度的目的。

泵站系統(tǒng)中配備兩臺(tái)水泵，當(dāng)一臺(tái)工作時(shí)另一臺(tái)處于備用狀態(tài)，以防止水泵出現(xiàn)故障影響系統(tǒng)工作。在工作到一定的時(shí)間后（默認(rèn)設(shè)定時(shí)間為11 h），系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地切換，啟動(dòng)另一臺(tái)水泵工作，使兩臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間大致相同（相同的磨損）；也可通過(guò)柜面按鈕泵1泵2切換按鈕來(lái)進(jìn)行彼此的切換。

系統(tǒng)共配備三支溫度傳感器（一體化熱電阻），其中管道入口安裝一支，管道出口安裝兩支來(lái)檢測(cè)出口煤氣溫度。當(dāng)兩支傳感器中有一支可以正常工作時(shí)，系統(tǒng)可以正常工作，一旦出現(xiàn)兩個(gè)傳感器同時(shí)失效，則系統(tǒng)立即進(jìn)入壓力控制模式運(yùn)行。

當(dāng)煤氣入口溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，噴槍不噴水，此時(shí)只有氮?dú)庖允孪仍O(shè)定好的壓力供給噴槍以防止灰塵進(jìn)入噴槍?zhuān)瑢?dǎo)致堵塞。

4 實(shí)際使用效果

高爐煤氣噴霧冷卻系統(tǒng)自2012年投入運(yùn)行以來(lái)，效果良好。溫度控制穩(wěn)定，基本上平時(shí)利用前部3支噴槍就能達(dá)到控制溫度的要求，沒(méi)有發(fā)生過(guò)冷卻后煤氣超溫、氣柜設(shè)備損壞等事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為一項(xiàng)已經(jīng)成熟的技術(shù)，具有投資少、高效冷卻、快速切換，全自動(dòng)控制、節(jié)水節(jié)資等顯著優(yōu)點(diǎn)，值得在實(shí)際項(xiàng)目中推廣采用。

DesignandApplicationofSprayEvaporativeCoolingSystemforBlastFurnaceGas

ZHU Yatong
(Baosteel Engineering&Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

The application of spray evaporative cooling technology in metallurgical enterprises to cool blast furnace gas is described,related process principles,process features are introduces and practical technical solutions are also provided.

blast furnace gas;spray;evaporative cooling;double-fluid

TQ542.7

B

1006-6764(2014)05-0013-03

2014－02－19

朱亞同（1978-），男，2001年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)供熱空調(diào)及燃?xì)夤こ虒?zhuān)業(yè)，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事冶金系統(tǒng)燃?xì)鈱?zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)研究工作。