高爐鼓風脫濕系統(tǒng)的冷能分析及有效利用

楊東偉， 郁鴻凌， 管晨希， 肖博鈞

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海，200093）

隨著高爐冶鐵技術的發(fā)展，高爐鼓風按送風濕度控制［1－3］而言，經歷了一個從自然濕度鼓風到加濕鼓風再到脫濕鼓風的過程.1974年日本開始出現(xiàn)脫濕鼓風［4－5］，并在幾年內得到了迅速發(fā)展.筆者對某鋼廠的高爐鼓風冷卻脫濕系統(tǒng)運行狀況進行分析，并建立了脫濕系統(tǒng)節(jié)能運行的數學模型，為該系統(tǒng)能源有效利用的研究提供理論依據.

1 冷能有效利用的熱力學原理

冷能有效利用是針對空氣冷凝脫濕的特性，提出的能源有效利用的可行性方案.它包括兩個方面：冷凝脫濕法和用能分析法.所謂的冷凝脫濕法［6］，即利用熱交換器在一定的水蒸氣分壓力pv下，先將未飽和濕空氣冷卻達到露點溫度；繼續(xù)冷卻使部分水蒸氣凝結成水滴析出.在此狀態(tài)下濕空氣中的水分呈水蒸氣狀態(tài)，將沿著飽和蒸汽線變化，溫度和水蒸氣分壓力同時降低.冷卻脫濕過程的濕空氣焓濕圖如圖1所示，圖中h為濕空氣焓值；d為濕空氣含濕量；t為濕空氣溫度；φ為濕空氣相對濕度.而用能分析法是依據熱力學第二定律，衡量整個系統(tǒng)用能的實際情況，從而揭示系統(tǒng)節(jié)能的潛力和方向.此分析法同樣適用于冷能分析，用能過程熱效率為

式中，Ey，Ek為已利用的冷能和總冷能.

圖1 濕空氣焓濕圖Fig.1 Enthalpyhumidity diagram

1.1 冷能流程介紹

針對高爐鼓風脫濕系統(tǒng)實際運行情況，進行了基本設定：冷卻水、空氣等各項流量保持不變；制冷脫濕系統(tǒng)各級效率保持不變.圖2為高爐鼓風脫濕系統(tǒng)冷量流程示意圖.

圖2 高爐鼓風脫濕系統(tǒng)冷量流程示意圖Fig.2 Flow chart of cooling energy in blast furnace blower dehumidifying system

依照圖2和以上兩個設定可知，制冷系統(tǒng)提供的所有冷量QL，一部分為送風空氣冷凝脫濕吸收的冷量QL1，另一部分為凝結形成的冷凝水吸收的冷量QL2；其中QL2由于冷凝水銅離子過多而排放，造成大量的冷量浪費；依據用能分析可知整體實際用能效率為

1.2 數學模型建立

由圖2可知，高爐鼓風脫濕系統(tǒng)的冷能有效利用對系統(tǒng)的影響主要由兩部分構成，即單位時間內產生的冷凝水量和這部分冷凝水冷量回收對冷凍機制冷量的改善.利用物料平衡法和熱力平衡法可得到這兩部分的數學模型.

1.2.1 單位時間冷凝水量

依照物料平衡法可知，單位時間的冷凝水量主要由脫濕器進出口空氣含濕量以及干空氣質量流量等參數確定.

式中，ΔQm，w為每小時的冷凝水量，t／h；qm，a為干空氣的質量流量，kg／min；din，dout為脫濕器進口含濕量和出口含濕量，g／kg干空氣.

式（3）中的送風空氣進出口含濕量可由測量儀器得到，而干空氣質量流量需要根據送風空氣的體積流量計算得出

式中，pa，out，pv，out為脫濕器出口干空氣分壓和出口水蒸氣分壓，Pa；pout為脫濕器出口空氣壓力，Pa；Rg，a為干空氣氣體常數，287J／（kg·K）；qv，out為脫濕器出口送風風量，m3／min；Tout為脫濕器出口溫度，K.

1.2.2 冷凝水冷量對冷凍機制冷量的影響

冷凝水的冷能有效利用全部用于改善冷凝器的換熱效果，根據換熱器計算的熱力平衡法，最終得到制冷劑質量循環(huán)流量，確定冷凍機增加的制冷量.

冷凝器循環(huán)冷卻水吸收冷量后降低溫度，根據熱力平衡法，確定冷卻水吸收冷量后降低的焓值

式中，Mcw為冷卻水循環(huán)質量流量，kg／s；H1，H2為冷卻水吸收冷量前后的焓值，kJ／kg；t′2為冷卻后的冷卻水溫度，℃.

根據水和水蒸氣熱力性質圖表確定t′2，代入到熱力平衡式求得制冷劑質量流量

式中，t′1為冷凝器制冷劑進口溫度，℃；t″1，t″2為冷凝器制冷劑和冷凝器冷卻水出口溫度，℃；c1，c2為制冷劑和水的比熱，kJ／（kg·℃）；qm1，qm2為制冷劑質量流量為冷卻水質量流量，kg／s；QC為冷凝器換熱量，kW；k為冷凝器總體換熱系數，W／（m2·K）；A為冷凝器換熱面積，m2.最后根據熱力平衡式［7］迭代校核制冷劑質量循環(huán)量，在壓縮機功耗不變的情況下，得出增加的制冷量

式中，QC1，QC2為冷凝器原先和改造后換熱量，kW.

2 實際工程應用

2.1 系統(tǒng)概況

該鋼鐵企業(yè)的高爐鼓風系統(tǒng)主要由鼓風系統(tǒng)和輔機系統(tǒng)構成，鼓風機單體送風流程如圖3所示，其輔機系統(tǒng)［8］由除塵過濾系統(tǒng)、冷卻脫濕系統(tǒng)、富氧系統(tǒng)以及送風管網系統(tǒng)構成.各個子系統(tǒng)中，冷卻脫濕系統(tǒng)為整個輔機系統(tǒng)的主要能耗部位.

圖4為該鋼鐵廠高爐鼓風系統(tǒng)中冷卻脫濕系統(tǒng)的布置方式，主要由兩部分構成：制冷系統(tǒng)和脫濕系統(tǒng).冷水、鹽水冷凍機產生的冷量通過冷水、鹽水進入到冷卻脫濕器中，與除塵過濾后的送風空氣進行間接熱交換，將送風空氣溫度降低到指定的飽和狀態(tài)所對應的溫度值，從而達到冷卻除濕的效果；而產生的冷凝水目前做排空處理.

圖3 高爐鼓風輔機系統(tǒng)示意圖Fig.3 Blast furnace blower auxiliary system

2.2 數據處理及分析

根據該鋼鐵廠在2009年的運行數據進行處理和分析，7，8月份盛夏時期日均產生的冷凝水量如表1所示（見下頁）.

圖4 高爐鼓風脫濕系統(tǒng)流程圖Fig.4 Blast furnace blower dehumidifying system

表1 盛夏時期脫濕器日均冷凝水量Tab.1 Daily condensed water of dehumidifiers in midsummer period

由表1可知，該鋼廠在2009年7，8月份脫濕器的冷凝水量基本保持在5t／h以上.最高冷凝水量如2號脫濕器，達到了6.36t／h.按照該鋼廠的脫濕標準，脫濕器出口送風溫度都為10℃，也即意味著從送風空氣脫濕得來的冷凝水為10℃.該鋼廠的高爐鼓風系統(tǒng)每日有4臺脫濕器同時運作，則該鋼廠在7，8月份平均每日每小時可產生22.56t的10℃冷凝水.

2.3 冷能的有效利用

該鋼廠7，8月份每日每小時產生10℃的冷凝水，對這些冷凝水進行回收利用形成整個系統(tǒng)的冷能有效利用，流程圖如圖5所示.高爐鼓風脫濕系統(tǒng)產生的大量冷凝水經過銅離子水處理后，可通入鹽水冷凍機冷凝器，改善冷凝器的換熱效果.在保持原有功耗的情況下，可增大制冷劑循環(huán)量，增加冷凍機的制冷量，具體數值如表2所示，

圖5 制冷脫濕系統(tǒng)的冷能有效利用流程圖Fig.5 Cascade use of cooling energy in refrigerating system

由表2可知，冷凝水冷量的回收利用，有效降低了單臺鹽水冷凍機冷凝器側冷卻水進口溫度1℃，改善了冷凝器的換熱效果，提高制冷系統(tǒng)的制冷量352kW；以整個高爐鼓風系統(tǒng)來看，一方面增強了高爐鼓風的脫濕效果，確保了高爐煉鐵的正常工作；另一方面降低了高爐鼓風的送風體積流量，從而增加了鼓風機的工作效率，降低了功耗.

表2 冷能有效利用對制冷系統(tǒng)的改善效果Tab.2 Improvement of the effective use of cooling energy in refrigerating system

3 結 論

高爐鼓風制冷脫濕系統(tǒng)中存在著大量的低溫冷凝水，對冷凝水進行回收，實現(xiàn)整個制冷系統(tǒng)的冷能有效利用，不僅可以增加制冷系統(tǒng)的制冷量，還可以改善整個高爐鼓風系統(tǒng)的送風標準以及降低鼓風機的工作功耗.以某鋼廠為例，22.56t／h、10℃的冷凝水可降低單臺鹽水冷凍機冷卻水1℃，改善冷凝器換熱效果，提高制冷量352kW.對于高爐鼓風系統(tǒng)來說，冷能的有效利用節(jié)能潛力大，實施難度低，是高爐鼓風系統(tǒng)節(jié)能改進的良好選擇.

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