浅谈煤粉喷射混合器的选择

2016-12-02李义奎徐广龙孙建彬

现代冶金 2016年5期

关键词：音速混合器压缩空气

李义奎，徐广龙，孙建彬

(大峘集团有限公司，江苏南京 211112)

浅谈煤粉喷射混合器的选择

李义奎，徐广龙，孙建彬

(大峘集团有限公司，江苏南京 211112)

简要介绍了高炉喷煤系统中所用的喷射混合器的原理，通过简易分析给出了选用喷射混合器的原则。

喷煤；喷射混合器；音速气流

1 概述

煤粉混合器是高炉煤粉喷吹系统中的重要设备，其结构型式直接关系到煤粉与压缩空气(或氮气)的混合效果，影响喷吹管道中的煤粉浓度，喷吹量。因此选择合适的混合器是喷吹系统设计的关键。

煤粉混合器主要形式有：传统的喷射混合器(T字型混合器)，沸腾式混合器，改进后的喷射混合器(角式混合器)。随着高炉的大型化建设，T字型混合器由于喷吹量小、混合效果差已经被淘汰；沸腾式混合器由于造价高、气体浪费现象较严重，也渐渐地退出市场；现在较常用的结构为角式混合器，配合喷吹罐流化床的型式如图1所示，两者的配合充分利用了流化气与引射器的动能，形成了同时流化、下料、喷吹的模式。

图1 角式混合器与流化床配套装置

2 喷射混合器的原理

喷射混合器根据喷射原理即高速气体由Ⅱ处喷出，使Ⅰ、Ⅱ处形成负压区，把I处的煤粉带入到混合器出口Ⅲ处输送到输煤管道内，如图2所示。喷射能力的大小与喷嘴直径、气流速度、煤粉流化状态以及喷嘴位置有关。

图2 喷射混合器示意图

在高炉喷煤中常将压缩空气作为喷吹气体，即Ⅱ处喷出的高速气体为压缩空气。由于压缩性气体的亚音速流和超音速流，在流动过程中其密度、流速和压力与截面的变化有质的不同。在混合器中，压缩空气速度在大于等于音速时，能有效地发挥“带动压”(负压区)“冲力区”的作用，故应该选择压缩空气喷出速度为音速作为设计依据。

音速气流临界压力遵循以下公式

P/P0=0.528

(1)

式中P为混合器内的压力(kPa)；P0为喷吹气压力(kPa)。

在临界状态下，气体的重量流量与临界面积、滞止温度及压力服从如下规律：

(2)

(3)

式中M为气体重量流量(kg/s)；F临为音速喷嘴零界面积(cm2)；T0为喷吹气温度(K)。

3 计算分析

由式(1)知，为了达到较好的引射效果，P0与P要满足一定的条件。实际应用中可视空压机压力P空为P0，喷煤管道的总阻损P阻为P，即P阻/P空=0.528。若满足不了此条件，选用喷射混合器将达不到预期的效果，即是否选用喷射混合器要根据空压机的压力等级与喷煤管道的总阻损来决定。

喷煤管道的总阻损取决于高炉热风压力、喷吹管路两相流输送的压力损失、管路系统中的局部损失值，而这些阻损又与固气比、输送管道直径、输送管道水平当量长度、喷煤量、输送管道垂直段长度等设计参数有关系。

若可以满足音速气流临界压力的要求，则需要选择合适的喷嘴面积。

由式(3)可知道，在临界状态下，随着P0的增大，F临在减小。随着M的增大，F临在增大。随着喷煤量增大，气固比减少，M增大。喷嘴的大小要根据空压机的能力，高炉需喷煤量，固气比来确定。

假设工艺配置中选定的空压机压力为1200 kPa，高炉要求喷煤量为Q=33 t/h，固气比μ=20 kg/kg，取压缩机效率为95%，则P空=1140 kpa。为了满足P阻/P空=0.528，则P阻MAX的最大值为601.92 kPa。输送压缩空气V=41.66 m3/min，即M=0.8332 kg/s。取T0=298 K,P0=P空=1140 kPa，带入式(3)可得F临=3.0933 cm2，可得喷嘴直径Φ=1.9845 cm。

由以上假设值计算可得，喷煤管道总阻损小于600 kPa时，可以选用喷射混合器，喷嘴的直径为20 mm时，可满足33 t的喷煤需要。