高炉煤气喷雾蒸发冷却系统设计应用

朱亚同

（宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）

高炉煤气喷雾蒸发冷却系统设计应用

朱亚同

（宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）

叙述了利用喷雾蒸发冷却技术对钢铁企业中高炉煤气进行降温的工程应用。介绍了相关的工作原理、工艺流程、工艺特点，给出了实际的技术方案。

高炉煤气；喷雾；蒸发冷却；双流体

1 概述

从节能环保的趋势来说，钢铁企业炼铁高炉系统普遍采用干法布袋除尘系统，输出的高炉煤气最高温度可达200℃，超出了煤气柜的承受温度，需要采取冷却措施将煤气冷却到煤气柜要求的温度。

以下阐述蒸发冷却的原理及在实际工程中利用喷雾蒸发冷却对高炉煤气进行冷却的应用案例。

2 蒸发冷却工艺

2.1 双流体喷雾蒸发冷却工作原理

双流体喷雾蒸发冷却的原理是：同时供水和氮气，在喷嘴内，水和氮气经过高速切割作用，雾化成微米级的小液滴，强制喷射到被冷却气体中，吸收气体中的显热后蒸发汽化，在核态沸腾以及两次成核等机理的共同作用下，达到冷却的作用。雾化颗粒非常小，平均粒径为50～70 μm，确保100%蒸发。

2.2 喷嘴特性及其控制

双流体喷雾蒸发冷却的核心技术是喷嘴特性及其精确控制，目前国内已充分掌握这项技术。

喷嘴设计的考虑因素有：射流速度、水气配比、喷射压力、喷射角度等。

射流速度增加时，会加速气雾之间的混合程度，增加接触面积，提高换热效率，但如果流速太大，也会引起系统阻力过大，接触时间过短，而降低换热效果。

水气配比影响了液滴的形成和粒径分布，合适的配比可以更好地对水进行分割，相对增加换热面积，提高换热效果。

喷射压力加大时，增加喷雾的流量，但是会影响喷嘴的使用寿命。

喷射角度的设计要考虑到喷雾的覆盖面积大，在不湿底不湿壁的前提下充分有效换热。

3 应用案例

以八钢南疆基地项目为例，炼铁高炉系统采用了干法布袋除尘系统，输出的高炉煤气温度为200℃，超出了煤气柜的承受温度，设计在进柜前设置双流体喷雾蒸发冷却装置，将煤气冷却到煤气柜设备要求的温度。

3.1 技术方案

高炉煤气由外部管网送来，压力为＞12 kPa，煤气总管管径为DN2600，进柜区的高炉煤气先经过自动喷雾冷却装置，最大处理能力为200000 m3/h。

氮气雾化水喷雾冷却系统，设2组喷头，前后设温度计，通过入口煤气温度控制喷淋水量，将出口煤气温度控制在55℃以下。按最大流量200000 m3/h，最高温度200℃设计。

外部供水压力为0.6 MPa，满足喷雾冷却装置的要求，可直接使用外部供水供应喷淋冷却装置。

系统工作时，冷却水自水源水箱经过过滤器过滤后由水泵升压到一定的压力，经出口管路送到喷

枪，在压缩氮气的作用下雾化，产生非常细小的雾化颗粒，水雾在高温煤气中迅速蒸发，吸收煤气的大量热量，使煤气温度迅速降低到设定的温度以下。

图1为立面布置设计图。

3.2 工艺流程

系统流程框图如图2所示。

图 1喷雾蒸发冷却装置立面布置图

图2 喷雾蒸发冷却系统流程图

3.3 主要技术参数

结构型式：管道式；

接点压力：＞12 kPa；

处理煤气量：2万m3/h；

入口温度：150～250℃；

出口温度：≤55℃；

系统阻力：＜0.2 kPa；

气雾喷枪个数：3支×2组；

冷却水温度：～35℃；

总水量：25 t/h（MAX）；

水质：工业水；

供水压力：0.4 MPa（地面）；

氮气流量：840 m3/h（连续使用MAX）；

氮气压力：0.6 MPa（泵站前接点压力）；

管道长度：～25 m；

管道直径：外径2620 mm，厚度10 mm；

主要材质：Q235B（管道）；316L（喷嘴）；

设备总重：～1.2 t；

设备防护等级：IP54。

3.4 系统组成

3.4.1 喷雾执行系统

喷雾执行系统由6支双流体喷枪和1只分组控制箱组成。沿着煤气流向分两组布置在不同的位置点，每组喷枪之间相距15 m左右。

第一组3支喷枪当系统启动时，处于常喷状态。

第二组3支喷枪配备一套分组控制箱，分组控制箱能独立控制每支喷枪的开启和关断，系统会根据煤气降温需要自动选择开启或关闭。分组控制箱内选用具有防爆功能的电磁阀。

喷枪的参数如下：

材质：316L不锈钢；

喷雾水量：3.6 m3/h（单支）；6.0 m3/h（单支）；喷枪工作压力范围：气压0.4～0.5 MPa；水压0.3～0.7 MPa。

3.4.2 水路系统

水路系统主要由过滤器、离心水泵、压力开关、气动球阀、电磁流量计、压力变送器、压力表、单向阀以及球阀等通过管道连接而成。几乎所有的管路都

有备份回路，当正常的工作管路出现故障时，系统自动会切换至备份回路，保证系统正常运行。

水泵采用多级离心泵，配备两台，相互备用。水量通过调节变频器来实现。

电磁流量计用来检测系统消耗的水量，通过触摸显示屏显示并传送至PLC。

气动球阀用来切换相应的回路投入工作。

通过切换过滤器前后的球阀，可以在不停机的情况下实现更换和清洗过滤器。

压力变送器用来检测压力并向控制器传送压力信号，参与喷雾控制，通过检测水泵出口压力来判断供水是否正常，防止水泵干运转。

溢流（排放）回路连接在水泵的出口处，当供水管路压力超过系统耐压等级时，泄压阀打开泄压，保证系统的安全。本系统的耐压等级为1.6 MPa。

3.4.3 气路系统

气路系统主要由过滤器、压力调节阀、压力变送器、气动球阀、压力表、单向阀、截止阀和球阀通过管道连接而成。几乎所有的管路都有备份回路，当正常的工作管路出现故障时，系统自动会切换至备份回路，保证系统正常运行。

根据双流体喷枪的工作特点，在正常工作时，气路的氮气压力保持恒定，不需要经常调节。

在泵站系统停止工作且管道内仍然有煤气通过时，气路系统通过旁路继续供给喷枪低压的压缩氮气（0.02 MPa左右），以防止喷枪被煤气中的灰尘堵塞。

仪表用气用于给气动球阀供气，主要由过滤器和压力调节阀组成。

3.4.4 泵站

水路系统、气路系统和电气控制柜（视现场需要也可与泵站分离）都集成在一个钢结构底座上，结构紧凑，便于运输和安装。

泵站有五个管道接口，其中两个管道接口是进气和进水，分别连接压缩氮气和水源；两个管道接口是出气和出水，分别连接喷枪的气路和水路；还有一个管道接口是溢流（排放）出口，当系统压力超过一定值或者系统检修需要将管路里的水排空时，打开溢流出口。

3.4.5 温度检测部分在煤气管道的入口和出口均安装温度传感器：入口温度传感器1只，用于监视来自上游的煤气温度；

出口温度传感器2只，用来检测喷雾降温后的煤气温度；

温度传感器采用316L保护套管，具有很强的耐磨性。

温度传感器防爆等级为：EEx dⅡC T4-T6。

3.4.6 电气控制系统

电气控制系统的主要由PLC控制器、触摸显示屏、变频器和其他电器元件等组成。

触摸显示屏的操作界面是中文，喷雾系统所有重要的参数，包括煤气管道入口和出口温度、泵站出口气体和液体压力、消耗水量等，都可以在触摸屏上显示。同时，通过触摸屏还可以更改相关参数的设定，比如更改出口期望温度。

除在现场对系统进行操作外，系统还可以实现远程控制。跟中控之间的通讯一般采用Profibus-DP总线方式。

3.4.7 系统控制主要要求

控制温度的调节元件是变频器。当检测到的温度与设定温度不相同时，控制器会通过调节变频器频率来调节水量，从而达到控制温度的目的。

泵站系统中配备两台水泵，当一台工作时另一台处于备用状态，以防止水泵出现故障影响系统工作。在工作到一定的时间后（默认设定时间为11 h），系统会自动地切换，启动另一台水泵工作，使两台水泵的运行时间大致相同（相同的磨损）；也可通过柜面按钮泵1泵2切换按钮来进行彼此的切换。

系统共配备三支温度传感器（一体化热电阻），其中管道入口安装一支，管道出口安装两支来检测出口煤气温度。当两支传感器中有一支可以正常工作时，系统可以正常工作，一旦出现两个传感器同时失效，则系统立即进入压力控制模式运行。

当煤气入口温度低于设定温度时，喷枪不喷水，此时只有氮气以事先设定好的压力供给喷枪以防止灰尘进入喷枪，导致堵塞。

4 实际使用效果

高炉煤气喷雾冷却系统自2012年投入运行以来，效果良好。温度控制稳定，基本上平时利用前部3支喷枪就能达到控制温度的要求，没有发生过冷却后煤气超温、气柜设备损坏等事故。

5 结束语

喷雾蒸发冷却技术作为一项已经成熟的技术，具有投资少、高效冷却、快速切换，全自动控制、节水节资等显著优点，值得在实际项目中推广采用。

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

朱亚同（1978-），男，2001年毕业于同济大学供热空调及燃气工程专业，本科学历，工程师，现从事冶金系统燃气专业设计研究工作。