液體除濕在高爐鼓風(fēng)中應(yīng)用的可行性分析

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

20世紀(jì)中葉以來(lái)，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(yùn)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(huì)迅速熱解并吸取大量熱量。鼓風(fēng)濕度每增加1 g/m3需補(bǔ)償約6℃風(fēng)溫[2-3],為提高爐溫、降低焦比應(yīng)對(duì)送風(fēng)進(jìn)行除濕。同時(shí)，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(fēng)過(guò)程中空氣絕對(duì)含濕量的波動(dòng)將造成爐內(nèi)的溫度波動(dòng)，成為高爐運(yùn)行的不穩(wěn)定因素。因此現(xiàn)代高爐多采用脫濕鼓風(fēng)的方式保證高爐進(jìn)口空氣絕對(duì)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(diǎn)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(fēng)除濕中時(shí)，冷凍式除濕雖然可以將空氣維持在一個(gè)較低的濕度，但是系統(tǒng)龐大不易維護(hù)，耗電量巨大費(fèi)用高昂。干式吸收除濕雖然運(yùn)行時(shí)電耗低，但裝置壓降大且需定時(shí)更換吸附劑，不利于系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。相較而言，濕式吸收除濕(即液體除濕)雖然有腐蝕鼓風(fēng)機(jī)葉片之慮，但是便于維護(hù)，能夠連續(xù)穩(wěn)定工作，更可以利用生產(chǎn)廢熱驅(qū)動(dòng)再生過(guò)程，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，節(jié)約電能，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

國(guó)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(fēng)機(jī)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(duì)于液體除濕的研究，李玉奪等人[15]提出了一種帶回?zé)崞鞯奶?yáng)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(duì)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(jí)LiCl液體除濕系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)除濕過(guò)程中蒸汽分壓變化的分析，探討了其節(jié)能機(jī)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(cè)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(fēng)量228 000 m3/h、容量1 800 m3高爐為例進(jìn)行模化實(shí)驗(yàn)，選取LiCl溶液為除濕劑，討論高爐液體除濕系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)各參數(shù)對(duì)除濕效果的影響并提出調(diào)節(jié)手段，最后進(jìn)行高爐液體除濕應(yīng)用的可行性分析及經(jīng)濟(jì)性分析。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

若選取風(fēng)量過(guò)大，實(shí)驗(yàn)裝置將非常龐大；若選取風(fēng)量過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)邊界效應(yīng)影響熱質(zhì)交換效果，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，因此?duì)原高爐進(jìn)行1∶60?；瘜?shí)驗(yàn)。裝置原理圖及實(shí)物圖如圖1和圖2所示，主要設(shè)備參數(shù)表及測(cè)點(diǎn)布置表如表1和表2所示。為增強(qiáng)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(cè)點(diǎn)布置及精度表

在除濕塔內(nèi)，室外空氣被風(fēng)機(jī)吸入與低溫LiCl溶液發(fā)生熱質(zhì)交換，達(dá)到含濕量要求后送入熱風(fēng)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(guò)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(tái)換熱器，實(shí)驗(yàn)中由冷水機(jī)組提供冷水對(duì)除濕溶液進(jìn)行冷卻，由熱水機(jī)組提供熱水對(duì)再生溶液進(jìn)行加熱。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

高爐鼓風(fēng)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(yùn)行工況(春、秋季)和最不利工況(夏季)。本文先在常年運(yùn)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(yàn)證裝置的實(shí)用性。

高爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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?yàn)楣娘L(fēng)直接從大氣吸入且風(fēng)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(duì)除濕(再生)塔性能的影響。吸濕或析濕過(guò)程實(shí)質(zhì)上是熱質(zhì)交換過(guò)程，評(píng)價(jià)熱質(zhì)交換性能可用質(zhì)交換量及質(zhì)交換效率兩個(gè)指標(biāo)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況如表3所示。

表3 常年運(yùn)行工況表

質(zhì)交換量指空氣通過(guò)除濕(再生)塔前后絕對(duì)含濕量差

Δω=|ωi-ωo|

(1)

質(zhì)交換效率指經(jīng)過(guò)除濕(再生)塔的空氣實(shí)際達(dá)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(shí)驗(yàn)計(jì)算依據(jù)

由除濕(再生)塔進(jìn)、出口的空氣溫度、相對(duì)濕度查詢濕空氣焓濕圖軟件可得空氣的絕對(duì)含濕量和水蒸氣分壓力；由溶液溫度、密度查L(zhǎng)iCl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(méi)有統(tǒng)一的計(jì)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(yàn)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(guò)程中也不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，并且數(shù)據(jù)處理過(guò)程繁瑣。Fumo[20]等針對(duì)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(jì)算公式：

用于低溫下的除濕過(guò)程

(3)

用于高溫下的再生過(guò)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(jìn)行了對(duì)比，得出以下計(jì)算公式

(5)

其中純水表面飽和水蒸氣分壓力pw的計(jì)算公式

(6)

為計(jì)算數(shù)據(jù)更可靠而對(duì)上述計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比，分別計(jì)算了典型除濕和再生溶液狀態(tài)下的水蒸氣分壓力ps,見(jiàn)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(jì)算依據(jù)。

表4 不同文獻(xiàn)LiCl溶液表面飽和水蒸氣分壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 常年運(yùn)行工況

液氣質(zhì)量比對(duì)塔的運(yùn)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(guò)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(guò)大或過(guò)小均會(huì)導(dǎo)致質(zhì)交換量與質(zhì)交換效率降低，這是因?yàn)橐簹獗冗^(guò)小時(shí)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(guò)大時(shí)，液體會(huì)堵塞空氣流道，液氣實(shí)際接觸面積變小，不利于塔內(nèi)質(zhì)交換的發(fā)生。全年運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量保證最佳液氣比。

溶液濃度、溫度變化對(duì)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(dòng)力隨之改變。

由圖4可以看出，當(dāng)濃度為38.2%時(shí)系統(tǒng)聯(lián)合性能最好，但除濕效率不高，此時(shí)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(guò)40%后，繼續(xù)提升濃度對(duì)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(yùn)行時(shí)最佳溶液濃度為(39±1)%。

2.2 夏季最不利工況驗(yàn)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(huì)太低，對(duì)除濕造成了一定困難。為保證出口空氣絕對(duì)含濕量為10 g/Nm3，必須提高溶液濃度，此時(shí)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(yùn)行工況如下表5所示。此時(shí)液體除濕系統(tǒng)除濕塔出口空氣絕對(duì)含濕量可達(dá)到9.69 g/kg，滿足鼓風(fēng)濕度要求。

3 離子夾帶及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 離子夾帶實(shí)驗(yàn)

當(dāng)溶液流量一定時(shí)，隨著填料塔內(nèi)風(fēng)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(dāng)，將產(chǎn)生溶液飛沫，并隨空氣一起進(jìn)入管道，腐蝕管道及鼓風(fēng)機(jī)葉片[9]。堿金屬會(huì)使燒結(jié)礦、球團(tuán)礦及焦炭的冶金性能變壞(如產(chǎn)生體積膨脹，強(qiáng)度降低，粉末增多等)[23-24]。氯離子具有很強(qiáng)的活化性能，會(huì)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(dāng)前國(guó)內(nèi)尚未制定空氣中帶液離子檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)其水樣進(jìn)行痕量分析[26]。由于測(cè)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(jìn)行Cl-檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果為2.06 mg/L，即為1.585 ppm，遠(yuǎn)小于設(shè)備商要求的100 ppm，符合測(cè)試要求，因而可認(rèn)為該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)幾乎不存在污染，系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模可擴(kuò)大至工程化再進(jìn)行檢測(cè)。

表5 夏季最不利工況表

3.2 經(jīng)濟(jì)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以上海該高爐為對(duì)象，分兩項(xiàng)對(duì)比液體除濕與現(xiàn)行冷凍除濕兩種方法的經(jīng)濟(jì)性。一項(xiàng)是達(dá)到目前冷凍機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)即除到13 g/Nm3時(shí)，兩種方法需要的費(fèi)用；一項(xiàng)是除濕效果按高爐最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)控濕即10 g/Nm3需要的費(fèi)用。

表6 經(jīng)濟(jì)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(wàn)元，但每年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約523.3萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收年限為3.5年，同時(shí)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(duì)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(guò)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(yùn)行時(shí)最佳溶液濃度為(39±1)%。

(2)全年運(yùn)行時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)除濕溶液的溫度調(diào)節(jié)除濕量，同時(shí)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(guò)程對(duì)熱源溫度波動(dòng)不敏感，可調(diào)性強(qiáng)，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(shì)更為明顯。

(5)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了液體除濕系統(tǒng)在高爐鼓風(fēng)中應(yīng)用的可行性，擴(kuò)大規(guī)模實(shí)驗(yàn)時(shí)，增大除濕塔及內(nèi)部填料層高度，即延長(zhǎng)溶液與空氣熱質(zhì)交換的時(shí)間，可達(dá)到更優(yōu)的除濕效果。