楊東偉， 郁鴻凌， 管晨希， 肖博鈞

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海，200093）

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

1 冷能有效利用的熱力學(xué)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(dá)到露點(diǎn)溫度；繼續(xù)冷卻使部分水蒸氣凝結(jié)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(jù)熱力學(xué)第二定律，衡量整個系統(tǒng)用能的實(shí)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(fēng)脫濕系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行了基本設(shè)定：冷卻水、空氣等各項(xiàng)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(fēng)脫濕系統(tǒng)冷量流程示意圖.

圖2 高爐鼓風(fēng)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(shè)定可知，制冷系統(tǒng)提供的所有冷量QL，一部分為送風(fēng)空氣冷凝脫濕吸收的冷量QL1，另一部分為凝結(jié)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(fèi)；依據(jù)用能分析可知整體實(shí)際用能效率為

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

由圖2可知，高爐鼓風(fēng)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(gòu)成，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生的冷凝水量和這部分冷凝水冷量回收對冷凍機(jī)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(shù)學(xué)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(jìn)出口空氣含濕量以及干空氣質(zhì)量流量等參數(shù)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(zhì)量流量，kg／min；din，dout為脫濕器進(jìn)口含濕量和出口含濕量，g／kg干空氣.

式（3）中的送風(fēng)空氣進(jìn)出口含濕量可由測量儀器得到，而干空氣質(zhì)量流量需要根據(jù)送風(fēng)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(shù)，287J／（kg·K）；qv，out為脫濕器出口送風(fēng)風(fēng)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(jī)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(jù)換熱器計算的熱力平衡法，最終得到制冷劑質(zhì)量循環(huán)流量，確定冷凍機(jī)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(jù)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(zhì)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(jù)水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表確定t′2，代入到熱力平衡式求得制冷劑質(zhì)量流量

式中，t′1為冷凝器制冷劑進(jìn)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(zhì)量流量為冷卻水質(zhì)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(shù)，W／（m2·K）；A為冷凝器換熱面積，m2.最后根據(jù)熱力平衡式［7］迭代校核制冷劑質(zhì)量循環(huán)量，在壓縮機(jī)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(shí)際工程應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)概況

該鋼鐵企業(yè)的高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)系統(tǒng)和輔機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，鼓風(fēng)機(jī)單體送風(fēng)流程如圖3所示，其輔機(jī)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(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成.各個子系統(tǒng)中，冷卻脫濕系統(tǒng)為整個輔機(jī)系統(tǒng)的主要能耗部位.

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

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

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)該鋼鐵廠在2009年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，7，8月份盛夏時期日均產(chǎn)生的冷凝水量如表1所示（見下頁）.

圖4 高爐鼓風(fēng)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(dá)到了6.36t／h.按照該鋼廠的脫濕標(biāo)準(zhǔn)，脫濕器出口送風(fēng)溫度都為10℃，也即意味著從送風(fēng)空氣脫濕得來的冷凝水為10℃.該鋼廠的高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)每日有4臺脫濕器同時運(yùn)作，則該鋼廠在7，8月份平均每日每小時可產(chǎn)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(chǎn)生10℃的冷凝水，對這些冷凝水進(jìn)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(fēng)脫濕系統(tǒng)產(chǎn)生的大量冷凝水經(jīng)過銅離子水處理后，可通入鹽水冷凍機(jī)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(jī)的制冷量，具體數(shù)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(jī)冷凝器側(cè)冷卻水進(jìn)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(fēng)系統(tǒng)來看，一方面增強(qiáng)了高爐鼓風(fēng)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(fēng)的送風(fēng)體積流量，從而增加了鼓風(fēng)機(jī)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(jié) 論

高爐鼓風(fēng)制冷脫濕系統(tǒng)中存在著大量的低溫冷凝水，對冷凝水進(jìn)行回收，實(shí)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(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)以及降低鼓風(fēng)機(jī)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(jī)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(fēng)系統(tǒng)來說，冷能的有效利用節(jié)能潛力大，實(shí)施難度低，是高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能改進(jìn)的良好選擇.

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