(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

20世紀中葉以來，隨著高爐的大型化轉(zhuǎn)變及高爐噴吹燃料技術(shù)的發(fā)展，高爐運行中需要鼓入大量的空氣(104～105Nm3/h)[1]，而空氣中的水分在爐內(nèi)高溫作用下會迅速熱解并吸取大量熱量。鼓風濕度每增加1 g/m3需補償約6℃風溫[2-3],為提高爐溫、降低焦比應(yīng)對送風進行除濕。同時，空氣中水分含量隨晝夜季節(jié)變化，如果氣體不經(jīng)處理就送入高爐煉鋼，鼓風過程中空氣絕對含濕量的波動將造成爐內(nèi)的溫度波動，成為高爐運行的不穩(wěn)定因素。因此現(xiàn)代高爐多采用脫濕鼓風的方式保證高爐進口空氣絕對含濕量的穩(wěn)定[4]。

工業(yè)領(lǐng)域常用的空氣脫濕方法主要分為兩類：冷凍式除濕和吸收式除濕[5-9]。冷凍式除濕是指將空氣冷卻至露點溫度或更低以冷凝和除去水分的方法；吸收式除濕是指采用干燥劑和空氣接觸以吸收和除去水分的方法，根據(jù)吸收劑的物態(tài)不同又可分為干式和濕式兩種[6,9]。應(yīng)用在高爐鼓風除濕中時，冷凍式除濕雖然可以將空氣維持在一個較低的濕度，但是系統(tǒng)龐大不易維護，耗電量巨大費用高昂。干式吸收除濕雖然運行時電耗低，但裝置壓降大且需定時更換吸附劑，不利于系統(tǒng)連續(xù)運行。相較而言，濕式吸收除濕(即液體除濕)雖然有腐蝕鼓風機葉片之慮，但是便于維護，能夠連續(xù)穩(wěn)定工作，更可以利用生產(chǎn)廢熱驅(qū)動再生過程，實現(xiàn)能源梯級利用，節(jié)約電能，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

國內(nèi)大部分煉鋼廠如首鋼[10]、寶鋼[11]、梅鋼[3]、新鋼[12]、馬鋼[13]等多采用鼓風機前冷凍除濕的方法，而液體除濕應(yīng)用較少。新日本鋼鐵公司在廣畑廠四高爐安裝了液體除濕設(shè)備，起到了降低焦比的效果[14]。對于液體除濕的研究，李玉奪等人[15]提出了一種帶回熱器的太陽能液體除濕系統(tǒng)，削弱了傳統(tǒng)除濕系統(tǒng)中外界環(huán)境對再生溶液濃度的影響。Su[16]提出了一種可用于工業(yè)應(yīng)用的新型兩級LiCl液體除濕系統(tǒng)，并通過對除濕過程中蒸汽分壓變化的分析，探討了其節(jié)能機理。Yang等人[17]提出了一種內(nèi)冷式超聲霧化除濕系統(tǒng)并建立了可靠的性能預(yù)測模型，結(jié)果表明，與絕熱式超聲霧化除濕系統(tǒng)相比，內(nèi)冷式除濕性能顯著提高。本文以上海某額定風量228 000 m3/h、容量1 800 m3高爐為例進行?；瘜嶒?，選取LiCl溶液為除濕劑，討論高爐液體除濕系統(tǒng)全年運行時各參數(shù)對除濕效果的影響并提出調(diào)節(jié)手段，最后進行高爐液體除濕應(yīng)用的可行性分析及經(jīng)濟性分析。

1 實驗內(nèi)容與裝置

1.1 實驗裝置

若選取風量過大，實驗裝置將非常龐大；若選取風量過小，會出現(xiàn)邊界效應(yīng)影響熱質(zhì)交換效果，達不到實驗?zāi)康?，因此對原高爐進行1∶60模化實驗。裝置原理圖及實物圖如圖1和圖2所示，主要設(shè)備參數(shù)表及測點布置表如表1和表2所示。為增強系統(tǒng)的傳質(zhì)效果，采用逆流內(nèi)冷型除濕塔、逆流絕熱型再生塔。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

表2 測點布置及精度表

在除濕塔內(nèi)，室外空氣被風機吸入與低溫LiCl溶液發(fā)生熱質(zhì)交換，達到含濕量要求后送入熱風爐內(nèi)；稀釋后的溶液則流回溶液箱中。在再生塔中，室外空氣吸收高溫LiCl溶液中的水分后排至室外，完成再生過程的LiCl溶液則流回溶液箱內(nèi)。為控制除濕、再生塔入口的LiCl溶液溫度，設(shè)置兩臺換熱器，實驗中由冷水機組提供冷水對除濕溶液進行冷卻，由熱水機組提供熱水對再生溶液進行加熱。

1.2 實驗內(nèi)容

高爐鼓風要求入口空氣濕度為10 g/Nm3，上海地區(qū)3～10月均需要除濕，根據(jù)逐月平均濕度可分為常年運行工況(春、秋季)和最不利工況(夏季)。本文先在常年運行工況下討論影響除濕性能的因素，提出調(diào)節(jié)手段，再在最不利工況下驗證裝置的實用性。

高爐穩(wěn)定運行時，影響系統(tǒng)吸濕(析濕)效率的主要因素包括入口液氣質(zhì)量比(溶液質(zhì)量/空氣質(zhì)量)、入口溶液溫度及濃度[18]。因為鼓風直接從大氣吸入且風量恒定，因此本文主要研究入口溶液的溫度、濃度、流量變化對除濕(再生)塔性能的影響。吸濕或析濕過程實質(zhì)上是熱質(zhì)交換過程，評價熱質(zhì)交換性能可用質(zhì)交換量及質(zhì)交換效率兩個指標。根據(jù)實驗要求設(shè)定實驗工況如表3所示。

表3 常年運行工況表

質(zhì)交換量指空氣通過除濕(再生)塔前后絕對含濕量差

Δω=|ωi-ωo|

(1)

質(zhì)交換效率指經(jīng)過除濕(再生)塔的空氣實際達到的參數(shù)變化幅度與理論最大變化幅度的比值[19]

(2)

1.3 實驗計算依據(jù)

由除濕(再生)塔進、出口的空氣溫度、相對濕度查詢濕空氣焓濕圖軟件可得空氣的絕對含濕量和水蒸氣分壓力；由溶液溫度、密度查LiCl性質(zhì)表可得溶液的質(zhì)量濃度。而溶液表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力迄今為止沒有統(tǒng)一的計算公式，較為常用的方法有兩種：LiCl溶液表面水蒸氣分壓與其溫度、濃度關(guān)系圖或者經(jīng)驗公式。LiCl溶液表面水蒸氣分壓與其溫度、濃度關(guān)系圖普遍為大家接受，但查詢過程中也不能保證數(shù)據(jù)的準確，并且數(shù)據(jù)處理過程繁瑣。Fumo[20]等針對低溫的除濕工況和高溫的再生工況提出了LiCl溶液表面水蒸氣分壓力的計算公式：

用于低溫下的除濕過程

(3)

用于高溫下的再生過程

(4)

Conde[21]則將除濕溶液表面飽和水蒸氣分壓力ps與純水飽和水蒸氣分壓力pw之間的關(guān)系進行了對比，得出以下計算公式

(5)

其中純水表面飽和水蒸氣分壓力pw的計算公式

(6)

為計算數(shù)據(jù)更可靠而對上述計算方法進行了對比，分別計算了典型除濕和再生溶液狀態(tài)下的水蒸氣分壓力ps,見表4。

由表可知，F(xiàn)umo公式與另兩種方法偏差較大，Conde公式與LiCl性質(zhì)圖較接近，故采用Conde公式作為ps的計算依據(jù)。

表4 不同文獻LiCl溶液表面飽和水蒸氣分壓力計算結(jié)果對比

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 常年運行工況

液氣質(zhì)量比對塔的運行性能影響顯著[18,22]。合適液氣質(zhì)量比保證了溶液與空氣的接觸面積，從而保證了除濕(再生)效率，不同結(jié)構(gòu)的除濕(再生)塔的最佳液氣質(zhì)量比不同。

由圖3可以看出除濕與再生過程都存在最佳的液氣比范圍，除濕塔最佳液氣比為1.39，再生塔最佳液氣比為1.34，液氣比過大或過小均會導致質(zhì)交換量與質(zhì)交換效率降低，這是因為液氣比過小時填料未得到充分利用，液體與氣體的接觸面積太小，質(zhì)交換不完全；液氣比過大時，液體會堵塞空氣流道，液氣實際接觸面積變小，不利于塔內(nèi)質(zhì)交換的發(fā)生。全年運行時，應(yīng)盡量保證最佳液氣比。

溶液濃度、溫度變化對除濕(再生)塔的工作效率影響亦十分明顯：溶液表面飽和空氣層的水蒸氣分壓力受溶液濃度、溫度影響，傳質(zhì)驅(qū)動力隨之改變。

由圖4可以看出，當濃度為38.2%時系統(tǒng)聯(lián)合性能最好，但除濕效率不高，此時除濕量為6 g/kg。濃度由38%提升至40%，除濕量由5.88 g/kg升至7.9 g/kg，增幅為34.4%；再生量由28 g/kg降至24.3 g/kg,降幅為15.2%。濃度由40%提升至42%，除濕量由7.9 g/kg升至8.39 g/kg，增幅為6.1%；再生量由24.3 g/kg降至20.7 g/kg,降幅為14.8%。濃度超過40%后，繼續(xù)提升濃度對除濕量影響不再顯著。因此為了兼顧除濕效果與系統(tǒng)聯(lián)合效率，全年運行時最佳溶液濃度為(39±1)%。

2.2 夏季最不利工況驗證

夏季條件下，除濕溶液溫度受冷卻塔出水溫度限制因而不會太低，對除濕造成了一定困難。為保證出口空氣絕對含濕量為10 g/Nm3，必須提高溶液濃度，此時為維持再生量應(yīng)提高再生溶液的溫度。上海夏季極端氣候條件下聯(lián)合運行工況如下表5所示。此時液體除濕系統(tǒng)除濕塔出口空氣絕對含濕量可達到9.69 g/kg，滿足鼓風濕度要求。

3 離子夾帶及經(jīng)濟性分析

3.1 離子夾帶實驗

當溶液流量一定時，隨著填料塔內(nèi)風速增大，出口空氣中液體夾帶量隨之增加。若溶液流速選擇不當，將產(chǎn)生溶液飛沫，并隨空氣一起進入管道，腐蝕管道及鼓風機葉片[9]。堿金屬會使燒結(jié)礦、球團礦及焦炭的冶金性能變壞(如產(chǎn)生體積膨脹，強度降低，粉末增多等)[23-24]。氯離子具有很強的活化性能，會破壞金屬表面的氧化膜，并阻礙其再次成膜，從而引起腐蝕[25]。當前國內(nèi)尚未制定空氣中帶液離子檢測的相關(guān)標準，一般做法是先采取富集技術(shù)，使空氣中帶液離子轉(zhuǎn)換為水中待檢離子，再對其水樣進行痕量分析[26]。由于測量手段有限，而LiCl溶液中Li+與Cl-粒子數(shù)為1∶1的關(guān)系，且Cl-更活潑，所以理論上夾帶的Cl-比Li+多，故本文僅采用離子色譜法進行Cl-檢測。檢測結(jié)果為2.06 mg/L，即為1.585 ppm，遠小于設(shè)備商要求的100 ppm，符合測試要求，因而可認為該設(shè)計實驗幾乎不存在污染，系統(tǒng)設(shè)計規(guī)?？蓴U大至工程化再進行檢測。

表5 夏季最不利工況表

3.2 經(jīng)濟性分析

前文已論證高爐液體除濕應(yīng)用的可行性，現(xiàn)在進行經(jīng)濟性分析，以上海該高爐為對象，分兩項對比液體除濕與現(xiàn)行冷凍除濕兩種方法的經(jīng)濟性。一項是達到目前冷凍機組運行指標即除到13 g/Nm3時，兩種方法需要的費用；一項是除濕效果按高爐最優(yōu)運行參數(shù)進行設(shè)計控濕即10 g/Nm3需要的費用。

表6 經(jīng)濟性分析表

由表6，采用液體除濕設(shè)備初投資比冷凍除濕設(shè)備多1 824.8萬元，但每年運行費用可節(jié)約523.3萬元，靜態(tài)投資回收年限為3.5年，同時也節(jié)約了大量的水資源。因而，采用液體除濕可以獲得顯著的節(jié)能效果。

4 結(jié) 論

(1)對于本LiCl液體除濕系統(tǒng)，溶液與空氣的質(zhì)量比存在最佳值，除濕塔最佳液氣比為1.39；再生塔最佳液氣比為1.34。濃度超過40%或除濕溶液溫度低于29℃后，吸濕量提升不再顯著。再生溶液溫度高于75℃后，析濕量提升不再顯著，全年運行時最佳溶液濃度為(39±1)%。

(2)全年運行時保持最佳液氣比不變，春秋季溶液濃度選取(39±1)%，夏季溶液濃度選取43%，通過調(diào)節(jié)除濕溶液的溫度調(diào)節(jié)除濕量，同時調(diào)節(jié)再生溶液的溫度使總再生量等于總除濕量以保持溶液濃度。

(3)再生過程對熱源溫度波動不敏感，可調(diào)性強，可使用高爐沖渣水、廢棄蒸汽作為熱源。

(4)上海地區(qū)高爐采用液體除濕可以獲得顯著的節(jié)能效果；液體除濕在高溫高濕的南方地區(qū)優(yōu)勢更為明顯。

(5)本實驗臺驗證了液體除濕系統(tǒng)在高爐鼓風中應(yīng)用的可行性，擴大規(guī)模實驗時，增大除濕塔及內(nèi)部填料層高度，即延長溶液與空氣熱質(zhì)交換的時間，可達到更優(yōu)的除濕效果。