文档介绍：1 绪论
工程背景
转炉炼钢工艺中会产生大量的废气和废热,烟气中的主要成分为一氧化碳、二氧化碳,是人工煤气的主要组成部分,因此,必须对其进行有效的回收。一方面,需要除尘达到净化回收的效果,另一方面,也要对其冷却降温,并对废热加以利用。
目前,氧气转炉炼钢的净化回收主要采用煤气干法(LT 法)净化回收系统,在这套工艺流程中,转炉烟气被尾部的引风机抽入蒸发冷却器(EC)之前,依次经过活动烟罩、热回收装置及汽化冷却烟道,进行初步冷却,把温度降至 800~1200℃。一旦进入 EC 筒体,筒内若干个喷嘴开始工作,即喷入常温冷却水及高压蒸汽(用于产生雾化效果), 雾化水滴与烟气充分换热,使烟气温度降低到 150~200℃。为了收集烟气中有用的高热值煤气,需要对烟气除尘:先在筒体内捕获 40%的粉尘,通过链式输送机把这些粗颗粒粉尘输入粗灰料仓[1];再使用静电除尘器精除尘。降温除尘以后的合格烟气为了进入煤气柜储存,需经过煤气冷却器降温到 70~80℃,若发现煤气含氧量>2%,可以通过火炬装置放散。LT 法的主要优点表现为:系统全部采用干法处理,没有二次污染,不需要污水处理;除尘效率高,含尘烟气通过电除尘器以后粉尘浓度可降至 10mg/Nm3 以下,回收的粉尘可直接利用;系统阻力损失很小,风机运行节约了能源;系统相对于湿法技术得到简化,占地面积小,便于管理和维护。因而具有很好的经济效益和环境效益。
烟气入口
气水控制仪表
蒸汽(空气) 水
塔体 喷嘴装置
烟气出口弯管
卸灰装置
图 1. 1 蒸发冷却器结构简图
干法除尘系统中,蒸发冷却塔是一关键设备,主要包括设备本体、喷枪,供水和供
气系统以及控制系统等五部分,其基本结构见图 1. 1。设备主体部分主要由壳体、灰斗、进出口管道、框架和梯子平台等组成。喷枪部分主要由喷嘴、汽水混合装置、喷枪固定装置等组成。喷枪部分设计要求达到喷雾颗粒微细,流量大、压力低、耗气量低等标准。每个喷嘴所喷出的汽水雾颗粒,在冷却塔内的中心区域外应避免交叉重叠,尽量避免水滴的碰撞,喷入的水雾也不能喷洒在冷却塔的内壁上,否则将引起粉尘的粘结和壳体的腐蚀。供水系统主要由水泵、水箱、过滤器,流量调节阀及检测报警装置等组成[2]。根据蒸发冷却塔出口烟气温度的高低,自动调节供水量。
蒸发冷却器运行及存在的问题
转炉烟气经过汽化冷却烟道,温度降至 800~1200℃,进入蒸发冷却器,主要成分见表 1. 1[1],在蒸发冷却器内,与气液双介质喷嘴喷出的水雾直接接触,液滴与烟气之间进行热质交换。液滴的初始温度相对烟气很低,一般为环境温度。液滴由于压力的作用, 有一定的初速度,压力控制流量的大小。液滴的初始半径一般在 80 到 500 微米之间,平
均值为 100 微米左右。在钢厂的实际运行中,若喷水量过多或者液滴过大,就会有粉尘与水雾粘结,湿泥板结在筒体上,烟气进气量减小了,液滴不能完全蒸发,形成“板结”和“湿底”问题,还使得系统阻力加大;若喷水量过少或液滴过小,烟气温度得不到有效冷却。
由此可见,蒸发冷却器是干法除尘技术的关键设备,其工作过程复杂,是一个受传热和传质控制,在多相内部始终存在着质量、能量和动量的传递以及相互作用的多相湍流的物理过程。在这一过程中,烟气温度、喷雾水滴初始直径、由于强烈蒸发而产生的 Stefan 流,以及水滴与烟气的相对速度等都影响着水滴的蒸发速率,同时,由于炼钢工艺过程的变化,烟气中 CO、CO2 的成分比例也随之变化,直接影响着烟气对水滴的辐射传热作用。
表 1. 1 烟气主要成分含量(体积%)
CO
CO2
N2
H2
其他
本文主要研究内容
如上文所述,喷水量控制在于水滴的蒸发,而蒸发又是传热传质的耦合过程,所以要研究对流强度、外界温度等各种影响因素下的传热传质机理。若选择液滴群为研究对象,就要考虑烟气温度在液滴群下降过程中的变化规律;EC 运行也要求液滴不碰撞,有利于迅速蒸发降温;而考虑单个液滴的蒸发时,没有液滴碰撞,外界烟气温度在此极短时间内变化不大,认为恒定,这样便于研究单液滴复杂的传热、传质机理。
本文首先学习了以往液滴蒸发的有关理论,然后总结了相关研究成果,在不同的外界环境及水滴的初始条件下,分析了不同的物理数学模型,综合考虑热物性随温度变化、 Stefan 流、内部环流等影响因素,对国内外较少研究的水滴热辐射吸收,采用几何光学近似计算,对内部辐射传递方程采用 MDP0(Modified differential approximation)近似, 分析了约 100 到 200 微米的半透明水滴在 1000K 以上的高温混合烟气中的蒸发特性,通过 MA