高炉煤气喷淋塔的传热及热量衡算

高炉煤气喷淋塔的传热及热量衡算
王彦军
【摘要】热平衡计算是高炉煤气喷淋塔工艺计算的基础,也是其循环水系统的设计依据.主要介绍了喷淋塔的煤气冷却传热过程和热量衡算公式,并结合工程实例介绍
了热平衡计算的方法.
【期刊名称】《冶金动力》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】3页(P39-41)
【关键词】喷淋塔;煤气冷却;传热;热量衡算
【作者】王彦军
【作者单位】中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆 400013
【正文语种】中文
【中图分类】TF54
高炉煤气净化采用布袋除尘工艺，比采用湿法除尘能显著提高TRT的发电量，但
受高炉操作和TRT运行的影响，净煤气温度波动范围大，危害管网的安全运行，
并且煤气中含有的HCl、SO2、SO3、H2S等酸性气体溶解在煤气的冷凝水中还
会对管道和设备造成腐蚀。

在减压后的高炉煤气管道上设置具有降温、洗涤作用的喷淋塔，是解决干法除尘煤气温度高、腐蚀性强的有效办法。

喷淋塔是一种空心结构的喷雾洗涤塔，热煤气从塔体下部进入，经降温洗涤后从塔顶流出。

喷淋塔内设有若干喷淋雾化水滴的喷枪，
碱性水雾在塔内与煤气逆流接触冷却煤气，煤气中的大部分酸性物质溶解在水中，从塔体底部排出。

喷淋塔上部还设有填料脱水层，用于脱除洗涤后煤气中的过量机械水。

在喷淋塔内，雾化水滴与煤气直接接触，迅速汽化，将煤气的显热转变成水的汽化潜热，能快速降低煤气温度，由于水的热容量很高，不同温度的煤气都能在喷淋塔内有效降低至60℃以下。

当TRT运行时，进入喷淋塔的煤气温度一般为40℃～65℃；当减压阀组运行时，根据炉顶操作状况的不同，进入喷淋塔的煤气温度最
高可达200℃以上。

经过洗涤降温后，喷淋塔出口煤气温度一般35℃～55℃，完全满足各新、旧管网的运行要求。

喷淋塔中煤气的冷却分两个阶段进行，第一阶段靠水的蒸发来冷却煤气，第二阶段为煤气与水接触传热冷却。

喷淋塔的有效高度需满足雾化水滴在塔内的停留时间不小于传热所需的时间，才能保证水滴充分蒸发，煤气冷却至饱和状态。

饱和后的煤气温度还会进一步降低，其中的过饱和水分析出，这有利于提高煤气的燃烧温度，降低喷淋水消耗。

喷淋塔中煤气和水的热交换状态见图1所示。

在蒸发冷却阶段，水滴在不饱和的热煤气中蒸发，从煤气中吸收大量的热量，使煤气放热降温，直到冷却到露点温度。

这个过程在喷淋塔的中、下部进行，水滴温度tw和煤气热焓h基本保持不变，煤气温度tg降低，煤气中的含湿量d增大到饱
和状态。

饱和后的煤气在喷淋塔内继续上升，与上部喷淋的水滴进入接触冷却阶段，煤气放出显热传递给水滴，其热焓开始下降，温度继续降低，煤气中的过饱和水不断析出，水温上升到煤气的湿球温度。

煤气在冷却过程中的含湿量变化见图2所示。

热量衡算是喷淋塔工艺计算的基础，也是其循环水系统的设计依据，在煤气降温冷却设计中具有重要意义。

喷淋塔的热力学模型是一个开口热力系统，当煤气与水的传热冷却过程趋于稳定时，带入系统的各流热量之和等于带出系统的各流热量之和。

喷淋塔的各热流量见图3所示。

煤气和水的热量平衡可按下式计算：
式中，Qg——标准状态下（下同）的煤气（干气，下同）流量，m3/h；
Qw1、Qw2——喷淋塔供水、排水量，kg/h，其中，
Cg1、Cg2——洗涤前、后煤气比热，kJ/m3·℃；
hs1、hs2——洗涤前、后煤气中水蒸汽的比焓，kJ/kg；
Cw1、Cw2、Cw3——供水、排水、洗涤后煤气中机械水的比热，kJ/kg·℃；
tg1、tg2——洗涤前、后煤气温度，℃；
tw1、tw2——供水、排水温度，℃；
d1、d2——洗涤前、后煤气的含湿量，kg/m3；
m——洗涤后煤气中的机械水含量，kg/m3；
q′——通过喷淋塔外壁散失于周围介质中的热量，这部分热量很小，在工程计算中一般可以忽略不计。

某4000 m3级高炉煤气净化采用全干式布袋除尘工艺，减压阀组及TRT后的净煤气管道上设置喷淋塔，高炉煤气经降温、洗涤后再送往外部管网。

热平衡计算以该喷淋塔为例，通过计算得到喷淋塔的出口煤气温度和消耗的水量。

4.1 计算条件
（1）进入喷淋塔的高炉煤气参数
煤气流量：正常575000 m3/h，最大645000 m3/h；
煤气压力：10 kPa；
煤气温度：正常55℃，最大250℃；
煤气含湿量：0.040 kg/m3。

（2）喷淋水参数
供水量：150000 kg/h；
供水温度：35℃。

（3）气象条件
当地大气压力：101.15 kPa。

4.2 计算过程
按正常情况下的煤气流量和温度进行计算。

（1）带入喷淋塔的热量
煤气带入的热量qi1：
查得55℃下高炉煤气的比热Cg1=1.361 kJ/m3·℃；
煤气中水蒸汽带入的热量qi2：
查得55℃下水蒸汽的比焓hs1=2600.11 kJ/kg；
喷淋水带入的热量qi3：
常温下水的比热Cw1=4.178 kJ/kg·℃。

带入喷淋塔的总热量qi：
（2）带出喷淋塔的热量
带出喷淋塔的热量采用试算法计算，假设喷淋塔出口煤气温度37.7℃，查得饱和状态下的水蒸汽分压力为6.51 kPa，则出口煤气含湿量d2：
煤气带出的热量qo1：
查得37.7℃下高炉煤气的比热Cg2=1.353 kJ/m3·℃；
煤气中水蒸汽带出的热量qo2：
查得37.7 ℃下水蒸汽的比焓 hs2=2569.42 kJ/kg；
煤气中机械水带出的热量qo3：
煤气经过填料脱水后的机械水含量约0.007 kg/m3；
塔底排水带出的热量qo4：
排水温度通常比出口煤气温度低2℃左右。

带出喷淋塔的总热量qo：
（3）热平衡计算误差
热平衡的计算误差δ：
喷淋塔出口煤气温度假设成立。

（4）消耗的水量Q′W
消耗水量
4.3 计算结果
不同进口温度条件下，煤气流量按正常值和最大值计算得到的出口煤气温度及消耗水量分别见图4和图5。

从图4可以看出，在降温喷淋水量足够的情况下，洗涤后的煤气温度主要是由洗
涤前煤气温度决定的，受煤气量变化影响不大，最高煤气温度不超过60℃；从图
5可以看出，喷淋塔的消耗水量与煤气流量成正比，洗涤前煤气温度越高，消耗的水量越大，喷淋循环水系统的补水能力应按最不利情况下的消耗水量设计。

喷淋水不但用于煤气降温，还要吸收、中和煤气中的酸性物质，实际采用的喷淋水量远大于仅降温所需的用水量。

热平衡计算时，需要按照适宜的水气比确定供水量，然后再进行计算。

喷淋水充分雾化是保证煤气降温、洗涤效果的重要条件，应当选择大孔径的高效雾化喷嘴，防止喷头堵塞。

【相关文献】
[1]冶金工业部钢铁司.冶金企业煤气的生产与利用[M].北京：冶金工业出版社，1987.
[2]钢铁企业燃气设计参考资料编写组.钢铁企业燃气设计参考资料[M].北京：冶金工业出版社，1976.。