高炉煤气高效曲板脱水装置的试验研究.pdf

高炉煤气高效曲板脱水装置的试验研究 * 丁志江刘赫肖立春肖林 燕山大学环境与化学工程学院， 河北 秦皇岛 066004 摘要 提出了一种降低机械水含量的新型脱水装置， 针对曲板脱水装置内两相流动复杂的问题， 在改变结构和运行参 数的情况下对曲板脱水装置的性能进行了试验研究， 探讨了各影响因素对脱水效率和压力损失的影响。试验结果表 明 曲板脱水装置的最佳气流速度为 1. 75 ～ 2. 25 m/s， 曲板间距为 5 ～ 7. 5 mm， 斜板长度为 200 ～ 250 mm， 液气比为 0. 2 ～ 0. 25 L/m3， 水雾粒径为 100 ～ 500 μm 时， 可以获得最高脱水效率和最小压力损失。 关键词 煤气脱水; 曲板脱水装置; 湿式电除尘器; 脱水效率; 压力损失 DOI 10. 7617 /j. issn. 1000 － 8942. 2013. 03. 021 EXPERIMENTAL STUDY ON EFFICIENT CURVED- PLATE DEHYDRATION EQUIPMENT OF BLAST- FURNACE GAS Ding ZhijiangLiu HeXiao LichunXiao Lin College of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China AbstractA novel dehydration device was put forward to reduce the mechanical water content． Aiming at the complex two-phase flow of curved-plate dehydration equipment，its capabilities were studied by changing the structures and operation parameters． The effects of all the factors on dehydration efficiency and pressure loss were also discussed． The results indicate that the optimum gas velocity is 1. 75 ～2. 25 m/s，the space between the curved-plates is 5 ～ 7. 5 mm，and the length of the inclined plate is 200 ～ 250 mm． Moreover，the best ratio of liquid and gas is 0. 2 ～ 0. 25 L/m3，and the optimized particle size of water sprays is 100 ～ 500 μm． In the conditions described above，the highest dehydration efficiency and the smallest pressure loss can be obtained． Keywordsdehydration of coal gas; curved-plate dehydration equipment; wet electrostatic precipitator; dehydration efficiency;pressure loss * 河北省重大科技项目 10273920z 。 0引言 曲板脱水装置是一种新型高效脱除高炉煤气中机 械水的装置， 其性能的好坏对设备的腐蚀、 煤气的热值 和燃气轮机的安全运行有着重要影响 ［1- 2］。曲板脱水 装置具有脱水效率高， 压力损失小、 不易堵塞、 制造容 易等优点， 能够有效的去除粒径在 6 μm 以下的机械 水， 将煤气的机械水含量降低到 5 mg/m3。但是， 其脱 水性能受结构和运行参数影响很大， 所以需要对曲板 脱水装置进行深入研究， 为工业设计提供依据 ［3- 4］。 影响脱水性能的因素有很多， 如气流速度、 曲板 间距、 转折角、 斜板长度、 收集钩位置等 ［5- 6］。本文选 择五个影响因素， 并在湿式电除尘器内高压放电状态 下进行试验研究， 以解决高炉煤气机械水含量偏高的 技术难题。 1试验部分 1. 1试验原理 曲板脱水装置的脱水原理如图 1 所示。含液滴 的气流进入弯曲通道， 由于离心力的存在， 使液滴在 弯曲处和气流分离， 一部分与板壁碰撞， 在重力作用 下形成连续水膜流下而被收集; 另一部分大的液滴在 第一个收集钩里从气流中分离出来， 剩下的细液滴随 气流继续流动， 经同样过程， 逐级被分离， 最后， 含液 滴的气流在经过曲板后变成无液滴的洁净气体 ［7］。 1. 2试验装置 湿式电除尘器试验装置如图 2 所示。气流从进 风口进入管道 1， 与喷淋系统 3 混合， 经过曲板脱水 装置 7 脱除水分， 最后由风机 8 排出。 18 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 1曲板脱水装置液滴分离示意 1管道; 2高压供电系统; 3喷淋系统; 4流量计; 5压力表; 6放电收尘系统; 7脱水装置; 8风机; 9水; 10水泵; 11调节阀 图 2湿式电除尘器试验装置 2结果与讨论 2. 1脱水效率影响的研究 2. 1. 1斜板长度对脱水效率的影响 如图 3 所示 随着斜板长度的增加， 曲板的脱水效 率呈上升趋势。其原因是 当曲板斜板长度为50 mm 和 100 mm 时， 其脱水效率较低， 其原因主要是小的水 滴还没有来得及运动到转折处就被气体夹带出， 同时 收集的有效面积也将减少。曲板的斜板长度在 150 mm 处即可捕集到气体中的大部分液滴， 当斜板长度大 于 200 mm 后， 由于液滴受到的惯性力较大阻力较小， 液滴将不受曲板的阻碍直接随气流从出口流出。当曲 板其他结构参数不变时， 再增加斜板长度也不能进一 步捕捉液滴， 因此脱水效率也不会进一步提高。 图 3不同斜板长度的脱水效率 2. 1. 2曲板间距对脱水效率的影响 从图 4 可看出 随着曲板间距的增加， 曲板的脱 水效率呈下降趋势。这是由于曲板间距过大， 减弱了 板壁对气流的导流作用， 大部分的气流携带着水滴没 有改变方向而直接穿过了脱水装置; 也使液滴在弯曲 通道中的流通截面积增加， 同时气流的速度变化趋于 缓慢， 导致液滴在弯曲通道内的离心力降低， 使液滴 和气流的跟随性较强， 速度松驰时间变短， 与板壁及 收集钩的碰撞率降低， 从而易于跟随气流流出而不被 捕集， 使脱水效率降低。 图 4不同曲板间距的脱水效率 2. 1. 3气流速度对脱水效率的影响 如图 5 所示 当气流速度提高时， 脱水效率明显 提高， 但气流速度在超过 2. 0 m/s 时， 脱水效率呈现 下降的趋势。其主要原因是 在实验范围内气流速度 越大， 使得含液滴的气流在弯曲通道内速度方向的改 变加快， 进入弯曲通道中的离心力也显著增大， 由于 惯性力的作用， 液滴跟随性变差， 速度松驰时间变长， 直接导致了大部分的液滴偏离了气流运动的轨道继 续流动， 从而造成了在收集钩内收集的液滴增加以及 液滴与板壁的碰撞增加而被捕集， 从而使脱水效率大 幅度提高 ［8］。但是气流速度有一个临界值， 当超过 该临界值时， 便会发生飞溅现象产生二次液滴， 使得 变化趋势相反。当速度增大到一定程度时， 气流紊流 程度增加， 小液滴将不容易被分离; 当风速超过临界 值时， 板壁上的液滴在收集钩处被吹入气流中， 变成 细小的水滴被气流重新夹带， 即二次液滴现象， 从而 导致脱水效率反而降低。 2. 1. 4水雾粒径对脱水效率的影响 水雾粒径对脱水效率的影响如图 6 所示 随着水 雾粒径的增大， 脱水效率迅速增大。这是由于随着水 雾粒径的增大， 气流中液滴的跟随性也随之变差。细 液滴受惯性力的影响小， 与气流保持相同的运动状 态， 不易与板壁发生碰撞， 所以较难从气流中脱离; 而 粗液滴受惯性力的影响大， 更易于保持原有的运动方 28 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 5不同气流速度的脱水效率 图 6不同水雾粒径的脱水效率 向与速度， 也更容易与板壁发生碰撞形成水膜， 从而 从气流流动中脱离出来 ［9］。 2. 1. 5液气比对脱水效率的影响 如图 7 所示 随着液气比的增大， 脱水效率呈下 降的趋势。这是由于大液滴的分离机理主要是依靠 惯性力， 而小液滴 的分 离 机 理 主 要 是 依 靠 湍 流 效 应 ［10］。随着液气比的增加， 液滴的凝聚作用增强， 小 液滴在碰撞后形成较大的液滴， 这使得湍流效应减 弱， 从而不利于气液分离; 同时液膜受到的表面张力 相对变小， 使得液滴从液膜中飞溅出来， 形成二次液 滴， 使其临界风速降低， 脱水效率急剧下降。 图 7不同液气比的脱水效率 2. 1. 6高压对脱水效率的影响 通过观察图 3图 7 可知 在高压保持一稳定数 值的条件下， 通过试验得到的脱水效率均有不同程度 的升高， 但是与不升高压条件下对比， 提升幅度不是 很大。造成这种现象的主要原因是高压使水雾荷电。 本试验中， 湿式电除尘器中阴极周边的电晕区发生电 晕放电， 经过电晕区的水雾与电离产生大量的离子和 高能自由电子发生碰撞和扩散作用， 并获得电荷， 随 即带电的液滴在电场力的作用下发生定向移动， 形成 电泳现象。水雾荷电后向阳极运动， 被阳极板捕集， 被捕集到的液滴通过灰斗排入沉淀池， 从而在湿式电 除尘器本体中脱除了一部分水雾， 间接提高了脱水 效率。 2. 2压力损失影响的研究 2. 2. 1斜板长度对压力损失的影响 如图 8 所示 压力损失随着斜板长度的增加而增 大， 且增加的幅度不大， 因此适当的增加曲板的斜板 长度可以提高脱水效率。从图 3 中可以看出， 在试验 条件下， 当斜板长度为 200 mm 时， 脱水效率就接近 100 ， 如果再增加斜板长度， 对脱水效率不能起到大 的贡献， 却使压力损失增加了。 图 8不同斜板长度的压力损失 2. 2. 2曲板间距对压力损失的影响 如图 9 所示 随着曲板间距的增大， 脱水装置的 压力损失相应降低。这是由于对于有收集钩的曲板 脱水装置， 随着曲板间距的增大， 气流在曲板间弯曲 通道中的流动趋于平缓， 曲板间距的增大减少了收集 钩对气流流动的节流作用， 即减少了压力损失。 2. 2. 3气流速度对压力损失的影响 如图 10 所示 压力损失随气流速度的增加而增 大。其原因是 一方面， 流体在弯曲管道中受到离心 力的作用， 使气流在曲板的拐弯处形成了一个旋涡， 由于气流速度增大导致离心力增大， 产生的旋涡使流 38 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 图 9不同曲板间距的压力损失 图 10不同气流速度的压力损失 动阻力增加， 所以导致压力损失增加; 另一方面， 当气 流速度超过临界值后， 收集钩破坏了边界层， 引起了 流体扰动 ［11］， 二次液滴使气流受到的扰动更加剧烈， 所以导致脱水装置的压力损失大幅度地增加。 2. 2. 4水雾粒径对压力损失的影响 水雾粒径对压力损失的影响如图 11 所示 进出口 压力损失几乎不随水雾粒径的变化而变化， 这说明水雾 粒径的大小不是影响脱水装置压力损失的主要因素 ［12 ］。 图 11不同水雾粒径的压力损失 2. 2. 5液气比对压力损失的影响 如图 12 所示 压力损失随液气比的增加而平缓 地增加。这说明液气比增加时， 液体流动所占用的弯 曲管道的通道面积增加， 使气体的实际流速增大， 导 致压力损失上升 ［13］。 图 12不同液气比的压力损失 3结论 针对湿式电除尘器中采用曲板脱水装置降低煤 气机械水含量的要求， 考察了不同结构和运行参数下 的脱水性能， 进一步测定其脱水效率与压力损失， 得 到如下结论 1对脱水效率的影响因素依次是曲板间距、 气 流速度、 水雾粒径、 液气比、 斜板长度; 对压力损失的 影响因素依次是气流速度、 曲板间距、 液气比、 斜板长 度、 水雾粒径。 2提高脱水效率和降低压力损失的最佳曲板结构 参数及运行参数 最佳气流速度应为 1. 75 ～2. 25 m/s， 曲板间距为 5 ～ 7. 5 mm， 斜板长度为 200 ～ 250 mm， 液 气比为 0. 2 ～0. 25 L/m3， 水雾粒径为100 ～500 μm。 3在电除尘器电场升高压的情况下， 脱水效率 有不同程度的提高， 但幅度不大。 4使用曲板脱水装置能使气体中机械水浓度降 低至 5 mg/m3以下， 可满足燃气轮机等关键设备对煤 气机械水含量的要求。 参考文献 ［1］苑卫军，李金海，李建胜． 加压前后发生炉煤气饱和水量影响 因素分析［J］． 玻璃，2010 5 24- 26． ［2］Guo Z C，Fu Z X． Current situation of energy consumption and measures taken for energy saving in the iron and steel industry in china［J］． Energy，2010， 35 11 4356- 4360． ［3］冯健美，杨鑫，高翔，等． 旋风式油气分离器数值模拟与实验 研究［J］． 西安交通大学学报，2011，45 7 55- 59． ［4］Zhao L F，Chen Y S，Zhu J M． Optimization and application of the 150 MW generator unit’ s gas-steam combined cycle generation technology using blast furnace gas［J］． Baosteel Technology，2009 2 11- 15． ［5］任强，高磊，闫晨帅，等． 邯钢纯燃高炉煤气联合循环电站工 艺的改进［J］． 节能，2010，29 6 57- 60． 下转第 105 页 48 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期 梁的土建成本; 并且罩车不会发生横向位移。 图 3罩车半车三维模型 2. 4罩车行走装置的设计 根据工艺要求， 罩车的行驶速度为 12. 6 m/min， 在罩车车架上配备 2 个主动轮和 2 个被动轮。每个 主动轮轴上安装一台减速电机。经计算， 选择的电机 型号 为 SAT97-YZYEJ5. 5kW- 9. 6PRM-M4- 90， 其 功 率为 5. 5 kW， 转速为 9. 6 r/min。 3结论 根据钢渣热闷的工艺特点及工艺要求， 单轨移动 罩车在工艺设计上有如下特点 1 除尘罩采用大容量空间罩， 可以显著增大容 气量， 并使得挖掘机可在罩内作业。 2 该设备采用单地轨与导向装置， 使得挖掘机 可在热闷坑一侧无障碍工作， 不致撞坏轨道。 3 该设备的驱动装置安装在除尘罩的主动轮 上， 能够使除尘罩在给定的轨道上移动， 无需拆装除 尘罩即可方便的进行维修保养。 4 该设备的管道对接装置可实现与除尘罩管道 的快速对接。 单轨移动罩车在设备设计上有如下特点 在罩顶无灰载荷情况与 20mm 灰载荷两种情况， 分别对罩车进行横向力学分析。结合罩车的三维模 型的分析， 设计出单轨罩车最合适的配重。如此配置 使整车重心保证在配重与车架中间， 并使导向装置所 受压力最小， 减少了立柱横梁的土建成本; 并且罩车 不会发生横向位移。 综上所述， 通过此方法设计的单轨移动罩车能大 大改善钢渣热闷厂房的工作环境， 减少厂房的腐蚀， 提高厂房屋顶的寿命周期。 参考文献 ［1］马忠民， 翟国营， 刘三军． 安钢钢铁渣循环利用方案探讨［J］． 河南冶金， 2010， 18 5 26- 29． ［2］王纯， 钱雷， 杨景玲， 等． 熔融钢渣池式热闷在新余钢铁钢渣处 理中的应用［J］． 环境工程， 2012， 30 4 90- 92． ［3］柴轶凡， 彭军， 安胜利． 钢渣综合利用及钢渣热闷技术概述 ［J］． 内蒙古科技大学学报，2012， 31 3 250- 253. ［4］夏俊双， 孙红亮， 刘建新， 等． 转炉钢渣热闷技术在济钢的开发 应用［J］． 工业安全与环保，2009， 35 3 45- 46. 作者通信处陈玲100088北京海淀区西土城路 33 号 中冶建筑研 究总院有限公司环保事业部 电话 010 82227619 E- mailmcczyhb 126． com 2012 － 09 － 24 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 84 页 ［6］徐迎超，闫波，樊泳，等． 燃气 － 蒸汽联合循环 CCPP 发电 在首钢迁钢公司中的应用［J］． 冶金动力，2011 1 27- 29． ［7］Moigne E Y，ANDR A，GREIs I，et al．BWR steam dryer for extended power uprate［J］．Nuclear Engineering and Design， 2008，238 8 2106- 2114． ［8］李嘉，黄素逸，王晓墨，等． 波形板分离器的冷态实验研究［J］ ． 华中科技大学学报． 自然科学版， 2008，36 1 112- 114． ［9］黄龙浩，肖海平，谢乾，等． 湿法脱硫系统除雾器性能的实验 研究［J］． 现代电力，2009，26 4 71- 75． ［ 10］孙婧元，刘文剑，楼佳明，等． 折流式气液分离器内流场的数 值模拟与实验研究［J］． 北京理工大学学报，2011，31 12 1455- 1460． ［ 11］王进卿，池作和，张光学，等． 双钩波形板分离器的冷态试验 研究［J］． 流体机械，2012 3 8- 11． ［ 12］文闯，曹学文，杨燕，等． 超声速旋流分离器内气液两相流流 动特性［J］． 中国石油大学学报． 自然科学版，2011，35 4 129- 133． ［ 13］Galletti C，Brunazzi E，Tognotti L． A numerical model for gas flow and droplet motion in wave-plate mist eliminators with drainage channels［J］．Chemical Engineering Science，2010，635639- 5652． 作者通信处丁志江066004河北省秦皇岛市燕山大学环境与化 学工程学院 E- mail527780053 qq． com 2012 － 09 － 14 收稿 501 环境工程 2013 年 6 月第 31 卷第 3 期