白旭强1 杨冶2 刘涛3 刘彤2 舒畅1 李志远2 于丰浩2 王爱学3
1.鞍钢股份有限公司能源管控中心
2.鞍钢集团工程技术有限公司
3.山东英翔环保科技有限公司
摘要：针对高炉煤气干法除尘后煤气温度高且波动大，影响CCPP发电系统的正产运行，该装置采用新型的节能中空雾化洗涤塔配套新型的节能中空雾化凉水塔配合的模式对高炉煤气进行降温，使之稳定生产，达到提高CCPP运行稳定性的目标。
关键词：高炉煤气、中空雾化、降温塔、凉水塔、工艺、应用
ABSTRACT：In view of the high and fluctuating gas temperature after blast furnace gas dry dedusting，which affects the normal operation of CCPP power generation system，the device adopts a new energy-saving hollow atomizing washing tower and a new energy-saving hollow atomizing cooling water tower to cool down the blast furnace gas so as to stabilize the production and improve the operation stability of CCPP.
一、前言
高炉煤气净化采用布袋干法除尘工艺，比采用湿法除尘能显著提高TRT的发电量，因此在高炉除尘的工艺选择中逐渐被采用。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，同时影响CCPP发电系统的正常运行，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一定的腐蚀。
因此在减压后的高炉煤气管道上选择一种具有降温、洗涤作用的洗涤降温塔是应对上述问题的必选工艺。中空雾化塔是一种节能型无阻力高效气液传质效率的新型节能降温洗涤塔，该塔主要特点是设计空塔流速选择较大，气液传质效率高，空塔设计无阻力运行。中空雾化塔内设多层高效雾化器，利用雾化器的特殊设计原理进行高效的液体分布，液体在塔内与塔底部来的高温煤气进行顺逆流的混合接触进行煤气的冷却和除尘。
二、中空雾化塔的工作原理：
采用气液混合式雾化器进行水的分布，该雾化器设计原理如下：
1、根据射吸原理设计的，液态介质经喷嘴喷出后，随压力的变化而带入部分气态介质（如高炉煤气），完成气液充分接触并在气液之间进行传热、传质。
2、该雾化器是在“双膜理论”基础上发展起来的“粒理论”而设计的。目的是增大气液接触面积，充分进行传热、传质。
雾化器设计特点：
1、采用直式喷嘴，其阻力小，无中空现象，有效地利用了塔内的空间。
2、喷嘴外雾化：液态介质（如水）经喷嘴喷出后，经分流雾化，不易堵塞。
3、雾化效果好：在雾化器喷嘴零基准压力为0.18Mpa时，液态介质被分散的最小粒径在1mm左右，粒重0.5233mg左右，比表面积达3500～4500m2/m3左右。
4、喷射高度可调，在压力不变的条件下，通过调节雾化器的结构达到调节雾化高度的目的，喷射高度一般设计在3.5m～5.0m左右。
5、气液介质的传热、传质的效果好：由于分散后的比表面积大，再加上液态介质在射流的同时，从周围吸入大量的气态介质，气介质依靠自身的膨胀将液膜冲破打碎，完成高效传热、传质。
6、使用寿命长：特高温洗气塔喷嘴为304材质，耐腐蚀、耐磨损、不结垢。可广泛地应用于不同生产环境。
7、少维修或无维修设计：若喷嘴需要排堵时，只需旋开螺纹丝口即可，简单快捷。
三、设计条件及塔型计算
计算依据：正常气体流量Q=500000Nm³/h，气体入口温度90～100℃（不含湿度，含尘量小于5mg/m³）（TRT装置检修时不含湿最高温度达250℃），要求气体出口温度≤35℃。气体为常规高炉煤气，比热容核算为1.332。
根据上述设计参数进行热量核算，该洗气塔正常运行时循环水流量计算为1031m³/h，考虑设计富裕能力应需满足1375m3/h，TRT检修时计算循环量1375 m³/h，考虑设计富裕能力应需满足1818m3/h。热量计算主要考虑的是煤气的热值转移所需的水量（未考虑煤气含湿量）。
根据工况设计和中空雾化塔的特点计算该洗气塔选用直径6000/7800/4600一台分段式异径降温洗涤分液一体塔特点是流量大、温度高，属于中温引射带液传质洗气塔。
具体塔型描述：
下部洗涤降温段塔体直径：Ф=6000
中部洗液降温段塔体直径：Ф=7800
上部旋流分液段塔体直径：Ф=4600
塔体总高度：H=26483
处理煤气总量（标况）：500000m3/h
进塔气体温度：t1≤100℃，极限进塔温度250℃（TRT检修时）
进塔水温：30℃（夏季）
出塔气体温度核算要求：t2≤35℃
设计前提条件：当地夏季湿球温度条件在27.8℃以内设计条件下，高炉煤气不含湿度情况下，满足上述热量工艺核算。
总冷却水量：计算Q=1375 m3/h，最大水量1818 m3/h。
计算说明：经计算煤气需转移总热量约为4329万KJ/小时（TRT检修时最大量14319万KJ/小时），计算所需水量（温差按6～25℃计算）按水量利用率75%计算所需水量为1375m³/h～1818 m³/h（该数据为热量计算数据）；作为洗气塔设计还应考虑液气比和淋洒密度，因此根据我方生产设计的雾化器在高温洗气塔中应用的相关经验数据来看淋洒密度和液体分布重叠率采用不小于24m³/㎡·h来计算，该塔淋洒密度已大大满足设计要求不需要再考虑热量的富余，最终设计水量最大为1818m³/h。
此方案为高炉煤气洗气塔，使用洗涤水为循环水，水质略差，该洗气塔喷嘴口径设计不小于12mm，塔内布置四层（加2辅助层）。要求供水雾化器零米静压头不低于0.18MPa。
四、具体方案：
（一）洗涤降温塔：
在洗涤降温段底层气体分布器上部设置一层上喷雾化器（采用型号ZJ-7.5/0.2-304型），该雾化器主要作用是使水在中温区雾化并达到微气化提高气液传质效率达到高的气液混合度的目的；
在洗涤降温段底层液体分布器上方约三米处设置一层上喷雾化器（采用型号VZJ-7.5/0.2-304型），该雾化器主要作用是使水雾化与气体充分混合后对气液混合气进行洗涤降温；
在洗涤降温段中下层液体分布器上方约三米处设置一层下喷雾化器（采用型号VZJ-7.5/0.2-304型），该雾化器主要作用是使水雾化与气体充分混合后对气液混合气进行洗涤降温（该层为调温层）；
在洗液降温段上部设置一层下喷雾化器（采用型号ZJ-7.5/0.2-304型），该雾化器主要作用是使水雾化与气体充分混合后对气体夹带的水滴、雾沫等进行洗涤，防止带水现象，同时对高炉煤气继续降温以达到设计温度指标；
在旋流分液段内装设一层高速无阻力旋流气液分离板及导液管，对气相夹带的液体进行彻底的分离，并对分离的液体进行导引回收。
每层雾化器设置单管独立上水并设置布水分布管。
DN6000洗涤降温段塔雾化器分三层布置，下层上喷布水量320 m3/h（ZJ-7.5/0.2-304型雾化器45套）（错层增加一辅助层上喷布水量150 m3/h（ZJ-7.5/0.2-304型雾化器22套）用于TRT检修时增加水量使用），中层一上喷布水量420 m3/h（VZJ-7.5/0.2-304型雾化器56套），中层二上喷布水量420 m3/h（VZJ-7.5/0.2-304型雾化器56套）（错层增加一辅助层上喷布水量160 m3/h（VZJ-7.5/0.2-304型雾化器22套）用于TRT检修时增加水量使用），上层下喷布水量340m3/h（ZJ-7/0.2-304型雾化器48套），塔外上水分支单层设置支管并设阀门控制。
气体走向采用下进上出的结构形式配置。
（二）辅助凉水塔设计：
采用相同运行原理的中空雾化节能型凉水塔，根据场地局限性设计放置在泵房顶部设计新建处理循环水量4*450m³/h凉水塔一套（按高温塔布水尺寸设计同时单塔加设控水阀），凉水塔采用英翔无填料节能型凉水塔。
YX系列节能型喷雾冷却塔的冷却原理：
冷却塔的冷却效果决定于三个推动要素，即气水比、气水接触比表面积、气水热交换时间，基于这三个推动因素，YX节能型喷雾冷却塔采用了以下方法：
1、增大冷空气量与冷却水量的比值（气水比）：
由于喷雾冷却塔在取消填料后，使冷却塔的系统阻力全压值降至填料塔的50%，塔阻力明显降低，轴流风机风量增至填料塔的120%，相同冷却水量时，气水比增大20%。
2、增大冷却介质（空气）和被冷却介质（水）接触的比表面积：
喷雾冷却塔采用低压高效雾化装置，在较低的压力（装置工作压力仅为0.03-0.05Mpa，零平面压力0.08-0.15 M pa）下，将水雾化成为0.7-1.0mm微小颗粒，比水被填料分散成的膜状比表面积增大25%，而工程实际值为20% 以上，能连续快速地更新传热传质比表面，迅速将水流的显热和潜热带走。
3、延长热交换时间：
采用雾化原理，将雾化装置合理分布安装在进风道上方，使水的微粒在塔内经过顺向、悬浮和逆向三个运动过程，从而延长水在塔内的冷却时间。
YX系列节能型喷雾冷却塔的设计构思正是基于以上三个要素，并摒弃传统填料塔的不足而使冷却效果、冷却过程趋于理想化。
YX系列节能型喷雾冷却塔同比于填料式冷却塔的优点：
1、冷却温差大、阻力小、逼近度小：
由于低压高效雾化装置将水喷洒成0.7-1.0㎜微小颗粒，其比表面积远大于水被填料分散成膜状的比表面积，气体传热传质表面积大，且布水均匀。避免了填料老化变形、脆裂及淤泥堵塞而产生的死区、束流、沟流等导致冷却温度分布不均匀的现象，因此冷却效果明显优于填料塔。由于无填料喷雾冷却塔取消了填料，塔的系统阻力降到原来的50%，在风机相同的情况下，由风机特性曲线可知，风量增至原来的120%。气水比也增至原来的120%，因此冷却温差较新建填料塔大1～3℃。
2、冷却水量大：
在同风机同温差下，无填料喷雾冷却塔系统阻力减小，风量增大，冷却水量比填料塔提高20%以上；
3、运行费用低，节能效果显著：
高效低压雾化装置工作压力较填料塔的0.2Mpa低0.16Mpa，配套水泵功率也大大降低。而且塔阻力仅为填料塔的50%，在冷却水量、风机相同时，配套的风机电机功率降到填料塔的70%，节能效果显著。而且取消了清洗、更换填料和布水喷头的费用。
4、无噪音小，比填料塔低8dB：
由于风机静压值降低，使冷却塔的噪音比填料塔低8dB。
5、无飞水现象，具有良好的环保效益：
采用我公司研制的特种收水器，防止了飞水现象的发生，避免了液态水损失，同时也避免了冷却水中药剂的损失，不但保护了生态环境，而且节约水资源。
6、用特殊喷雾装置解决生产系统设备堵塞的问题：
由于用喷雾装置作为冷却元件，彻底解决了传统填料塔的填料易老化、变形、脆裂、堵塞及填料碎片对生产系统设备、管道的堵塞和塔内沟流、束流等布水不均现象。
7、运行周期长于填料式冷却塔：
由于填料式冷却塔在运行一定时间后，填料的老化、变形、脆裂，导致水流在塔中呈沟流和束流状态，热水的冷却效果明显降低。而喷雾冷却塔而用喷雾装置在塔内均匀分布，其冷却效果不会随运行时间的延长而影响热水的降温。
（三）水泵配置：
水泵配置冷水泵Q=700m³/h，H=48m（核算依据上塔最高水位高度21.3米加管道弯头阀门阻力损失5米加雾化器零米静压头18米计算，最低总高度为44.3米，考虑富余量设计选用扬程H=48m），四台，开三备一或开二备二设计。热水泵Q=700m³/h，H=38m（核算依据上凉水塔最高水位高度7.5+3.5米加管道弯头阀门阻力损失5米加雾化器零米静压头18米计算，最低总高度为34米，考虑富余量设计选用扬程H=38m），四台，开三备一或开二备二设计（根据水温和气温调整洗涤塔上水量决定水泵开机数），风机在环境温度低于10℃时可停运以达到运行节电的目的。
五、洗涤塔操作控制说明
根据高炉煤气温度和洗涤塔出口气温度设定上水量连锁控制，各层上水阀门均设置连锁控制阀，根据温度可远程操作控制上水阀开度，同时连锁水泵启动台数，以确保系统实现远程可控经济运行的目的。
具体操控方式：
低负荷运行时以开洗涤塔下部两层上喷雾化器和底层辅助雾化器运行为主，在满负荷运行时根据运行热量确定是否增开一层下喷还是增开两层下喷雾化器，根据出口运行温度决定，系统在最大满量负荷而运行时除水泵设置有备用泵外，凉水塔以及洗涤塔各层上水均处于全运行状态。
六、投运后运行状态及存在问题
根据系统24小时运行数据和72小时运行数据来看，正常运行状态下可满足设计温度要求，煤气温度在最高210摄氏度（TRT未运行状态）煤气量最大520000m³/h工况下出口煤气温度可控制在设定出口35℃的指标之内。但存在波动现象，前期运行波动数据较大。经核实为高炉炉顶温度出现超温现象时系统会向高炉顶部打水以控制煤气温度保护干法除尘布袋。最高炉顶温度超至近500℃，瞬间小时打水量可达到60～180立方米，产生大量的超负荷热量进入系统，造成出口温度波动大。
雨季运行时出现高炉物料湿度大，造成高炉煤气含湿量增加，导致系统负荷增加影响降温塔运行效率。
经查相关资料得知高炉煤气露点温度在50℃以下，由于高炉煤气这一特性导致该工况在低温区仍然存在相变的现象，因此煤气含湿度对降温系统的影响非常大，控制高炉入炉料的干湿度减少高炉煤气含湿量是稳定该系统正常运行的关键。
七、结论
中空雾化塔降温装置与干式布袋除尘系统组合使用，即能使TRT系统最大限度的回收高炉煤气顶压及显热的能量，同时又能稳定系统出口煤气温度，稳定CCPP发电系统的稳定运行。该装置必将被各钢厂企业认可并加以推广使用。