氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道傳熱計算

岳 雷

(1.中冶東方工程技術(shù)公司動力所，內(nèi)蒙古 包頭014010;2.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭014010)

0 引言

氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道技術(shù)在大中型轉(zhuǎn)爐中被廣泛使用，是冶金系統(tǒng)煙氣余熱回收的有效手段，工業(yè)機械部相繼頒布了“煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則JB/T7603－94”和“氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件JB/T7603－94”，并且提出了相關(guān)的傳熱計算方法［1－2］。輻射冷卻室受熱面積吸收熱量可以按照下列換熱方程式計算。

式中Qf——冷卻室受熱面積吸收熱量/kJ·h－1;

C'——輻射系數(shù)/kW·m－2·℃－4;

Hf——有效輻射受熱面積/m2;

ζ——輻射受熱面污染系數(shù);

Typ——冷卻室中煙氣的平均溫度/℃;

Tb——冷卻室中受熱面管壁的溫度/℃。

雖然機械部標準提出了輻射冷卻室吸收熱量的計算方法，但是該計算方法中的輻射系數(shù)比較難確定，而使用ANSYS之類的軟件直接進行數(shù)值分析，也有一定難度，特別是對邊界層厚度、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、運動黏度等都很難確定。因此，本文將結(jié)合鍋爐計算方法給出較實用的計算方法。氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)參考圖1。

圖1 余熱鍋爐結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Waste Heat Boiler

1 煙氣成分計算

煙氣的物性參數(shù)主要需要確定汽化冷卻入口煙溫和焓值。而爐氣的燃燒產(chǎn)物，進入煙罩時，所攜帶的熱量主要包括爐氣的物理熱、一氧化碳等可燃物通過燃燒所放出的化學熱，以及空氣帶入的熱量。其中空氣帶入的熱量主要包括從煙罩入口的空氣和汽化器高溫段漏入的空氣，漏入空氣溫度一般可按30℃考慮。進入煙罩的熱量，除去煙氣帶入的熱量外，尚包含灼熱的爐襯和熔池內(nèi)的金屬向罩內(nèi)的輻射傳熱，根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗這部分熱量應(yīng)占到煙氣總能量的4%左右。同時，在煙氣中的二氧化碳和水蒸氣會發(fā)生熱分解，熱分解需要吸熱，降低了煙氣的焓值。因此，對煙氣的焓值計算可參考式(2)［3－5］。

式中I——爐氣的焓值/kJ·Nm－3;

Il——爐氣的物理熱/kJ·Nm－3;

Ir——爐氣中的可燃物燃燒放熱/kJ·Nm－3;

Ik——空氣帶入熱/kJ·Nm－3;

IF——爐氣中二氧化碳與水的分解熱/kJ·Nm－3。

計算爐氣的物理熱比較復(fù)雜，需要考慮二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、氮氣、干空氣和爐塵的焓值［4］，計算參考式(4)～式(13)。

式中Ni——燃燒后各組分氣體的百分數(shù)/［%］;

Ii——燃燒后各組分氣體的焓值/kJ·Nm－3;

Ih——燃燒后爐塵的焓值/kJ·Nm－3。

燃燒后爐塵的焓值計算，參考計算式(4)～式(6)。

式中 μy——煙氣中煙塵的濃度/kg·Nm－3;

μl——爐氣中煙塵的濃度/kg·Nm－3;

Cash——熔塵損失/［%］，一般取0.8;

△C——總降碳量/［%］;

τ——鐵水比/［%］，一般取94%。

在計算爐氣的物理熱時，各組分的焓值可參考相關(guān)資料。爐塵計算時如果沒有確切的數(shù)據(jù)，則對于中小型轉(zhuǎn)爐爐塵密度可取0.174 kg/Nm3，對于大型轉(zhuǎn)爐爐塵密度可取0.2 kg/Nm3，進行估算。因為，爐氣中的一氧化碳進行燃燒進一步放熱，計算可參考式(7)。在扣罩處和汽化冷卻煙道高溫段及末段處，存在漏風問題，所以由空氣帶入的熱量，其計算可參考式(8)。

式中tlk——當?shù)丨h(huán)境溫度/℃，一般取30℃;

Csk——濕空氣的定壓比熱/kJ·Nm－3·℃－1。

二氧化碳和水蒸氣分解所需的分解熱，二氧化碳和水蒸氣分解度參考相關(guān)資料［6］，分解熱計算參考式(9)。

式中fCO2——二氧化碳分解度;

fH2O——水蒸氣分解度。

2 輻射傳熱計算

大型鍋爐標準計算中所使用的水冷壁管道的傳熱計算方法來編制算法，并根據(jù)汽化冷卻煙道的特點進行改造［4－10］。輻射傳熱量計算參考式(10)。

式中Qf——冷卻室受熱面積吸收熱量/kJ·Nm－3;

Vl——爐氣量/Nm3·s－1;

M——水冷壁特性參數(shù);

adl——水冷壁當量黑度;

Ψ——水冷壁熱有效系數(shù);

T'——入口計算煙溫/℃;

T″——出口計算煙溫/℃。

水冷壁當量黑度計算參考式(11)。

式中a——煙氣黑度。

煙塵黑度計算參考式(12)～式(14)。其中，凈煙氣黑度計算參考式(13)。煙氣中各組分黑度查詢需要依靠各組分分壓與輻射層厚度的乘積來確定查詢系數(shù)曲線［5］。

式中aj——凈煙氣黑度;

aCO2——二氧化碳黑度;

aCO——一氧化碳黑度;

aH2O——水黑度;

Kht——煙塵輻射減弱系數(shù);

p——煙氣的絕對壓力，一般取p=1標準大氣壓;

χ——輻射層厚度/m。

煙塵輻射減弱系數(shù)計算參考式(15)、式(16)。

式中Kh——爐口段和煙罩處取0.05，爐口段以上輻射段取0.01;

μj——煙塵中爐塵計算濃度/kg·Nm－3;

T——煙塵平均溫度/℃參考公式(23);

dcj——塵粒計算直徑/μm。

塵粒直徑可以根據(jù)空氣過剩系數(shù)來確定，當α＜0.15時，dcj=5.5;當0.15≤α ＜0.75時，dcj=3;α≥0.75時，dcj=3。水冷壁角系數(shù)、水冷壁熱有效系數(shù)和水冷壁特性參數(shù)計算參考式(17)～式(19)。

式中 ζ——水冷壁假想污染系數(shù)，可取0.65;

X——水冷壁角系數(shù);

dw——水冷壁管直徑/mm;

Lb——鰭壁厚度/mm;

Hxd——最高煙區(qū)相對高度，煙罩處取1，爐口段處取0.6。

3 對流傳熱計算

對流傳熱主要發(fā)生在爐口段、中段和末段處，煙罩處不考慮對流傳熱。對流傳熱計算主要確定對流傳熱系數(shù)，參考式(20)、式(21)、式(22)、式(23)、式(24)和式(25)［4－9］。

式中 λy——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

Dd——煙道當量直徑/m;

Re——雷諾數(shù);

Pr——普蘭德數(shù);

ωy——煙氣流速/m·s－1;

Dd——當量直徑/m;

νy——煙氣的運動粘度/m2·s－1;

Tavg——煙道平均溫度/℃;

Vy——煙體積流量/m3·s－1;

Fy——煙體截面積/m2;

△t——煙道溫差/℃;

T——管內(nèi)汽水介質(zhì)溫度/℃，一般可取189℃。

4 綜合試差

氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)計算的核心計算問題就是計算汽化冷卻煙道，其計算過程中需要針對各段煙氣的出口溫度進行假設(shè)，需要反復(fù)驗證假設(shè)溫度是否正確。計算流程如圖2。一般需要編制計算程序計算［4－9］。

圖2 計算流程圖Fig.2 Program Flow

5 結(jié)論

本文所提出的計算方法相比機械工業(yè)部所提出的計算方法更具有實用價值，并可以有效的進行程序設(shè)計進行計算。通過對實例進行計算，分析計算結(jié)果中的傳熱量數(shù)據(jù)可知，對流傳熱除扣罩外，其余段位輻射傳熱屬于主要傳熱形式，約占總傳熱量的75%～95%，而對流傳熱量比率只有5%～25%，而且隨著溫度不斷降低總傳熱量也在不斷降低。計算結(jié)果與實際相符合，較機械部標準算法更具有可操作性。因此，建議將以上算法歸列為氧氣轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道標準傳熱計算方法。

［1］中華人民共和國機械行業(yè)標準.煙道式余熱鍋爐設(shè)計導(dǎo)則:JB/T7603－94［S］.1994.

［2］中華人民共和國機械行業(yè)標準.氧氣轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐技術(shù)條件:JB/T6508－92［S］.1992.

［3］ВИ ЦКИ.鍋爐機組熱力計算標準方法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1976.

［4］馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌.鍋爐原理及計算［M］.北京:科學出版社，2003.

［5］工業(yè)鍋爐設(shè)計計算標準方法委員會.工業(yè)鍋爐設(shè)計計算標準方法［M］.北京:中國標準出版社，2003.

［6］氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐汽化冷卻設(shè)計編寫組.氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐汽化冷卻設(shè)計［M］.包頭:包頭鋼鐵設(shè)計研究總院，1979.

［7］北京有色冶金設(shè)計研究總院.余熱鍋爐設(shè)計與運行［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1983.

［8］氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及回收設(shè)計參考資料編寫組.氧氣轉(zhuǎn)爐煙氣凈化及回收設(shè)計參考資料［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［9］宋貴良.鍋爐計算手冊［M］.沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社，1995.