柳钢转炉一区干法除尘蒸发冷却器雾化喷头的选型及应用

黄 磊

（广西钢铁集团有限公司炼钢厂，广西防城港 538001）

1 现状

转炉干法除尘蒸发冷却靠多杆喷枪喷出雾化气水，对高温烟气进行冷却，经过实验证明，抽烟效果的好坏和喷枪喷头的雾化效果和喷雾角度有直接关系。柳钢转炉厂一区一次除尘的抽烟效果一直不好，体现在炉口冒火大，转炉煤气回收平均时间大约在550 s，煤气热值维持在5000 kJ/m3左右。

2 雾化喷头形式和优缺点

双流体雾化喷头主要通过压缩空气对液体进行雾化，一般常见的双流雾化喷头的雾化形式见图1，分为内混式和外混式。

柳钢转炉厂用的都是内混式喷头，气体用的是氮气，液体用的是过滤后的工业循环水。

内混式喷头在柳钢转炉厂一区的使用体验为：①喷雾角度灵活，厂家可根据用户工况进行调整，但角度选择不好会严重影响抽风效果。②气体介质消耗低，大约为外混式喷头的一半。③喷头使用寿命长，如果喷枪内部未出现断裂串水，那么喷头寿命可以达到2年以上。

图1 双流喷头的一般形式图

外混式喷头在柳钢转炉厂一区的使用体验为：①喷雾角度大而且一般固定，满足绝大多数的工况，少量工况不适用，也会出现抽风效果差。②气体介质消耗高，比内混式喷头高一倍，柳钢转炉厂用的介质是氮气，高一倍的氮气消耗显得不够经济。③使用1年后即出现外混喷头结构磨损，喷雾角度和雾化效果改变，导致抽风效果差。

但无论外混或内混式喷头，雾化效果必须足够好，也就是雾化液滴的粒径都要控制在150 μm 以内，否则,无论怎么调整喷雾角度都难以达到较好的抽风效果。

3 选择喷头的关键因素

喷头的选择主要看雾化效果和喷雾角度，喷头的雾化效果越好，就能越快地将转炉烟气从900 ℃降至300 ℃左右，让烟气急剧收缩产生真空负压，抽烟效果自然形成良性循环。而喷雾角度会影响雾化液滴碰撞的几率，太小的喷雾角度会导致液滴碰撞剧烈生成大液滴，太大的喷雾角度会让相邻的喷头雾化锥角重合，同时也会让液滴喷在蒸发冷筒体上造成湿灰结壁。

3.1 雾化液滴粒径测量方法

机械测量方法简单，但是存在精度很低的状况，光学测量方法比较普及，但缺点是测量仪器价格昂贵，国内已有少数喷雾系统厂家开始装备激光雾化粒径测量设备。

3.2 雾化角度

衡量喷雾的雾化锥形的大小通常用雾化角的大小来表示。雾化角的定义是：假定从喷头出口的雾炬外侧做出两条切线，则两条切线之间的夹角就是雾化角。喷雾离开喷头后，在环境中失去了喷头的原始动力，雾滴的动能开始减小，所以横向的扩散减弱，在本身重力和气压的作用下，开始发生向内收缩的趋势[1]。雾化角的示意图见图2。

图2 喷头雾化角示意图

4 关键参数的确定

喷头雾化效果的保证和喷雾角度的选择，我们更多的是通过喷头上线使用效果和实验室模拟再结合标准工况下的烟气量来计算和考虑。

4.1 雾化效果的保证

从电除尘器特性反推回来，蒸发冷却器出口温度控制在300 ℃左右比较利于电除尘，所以按照25%的炉口燃烧率计算出理论烟气量约88.9 万m3的工况流量，蒸发冷却器筒体直径5 m，长度17 m，可计算出蒸发冷内烟气流速12.58 m/s，那么就需要在1.35 s 内将雾化液滴完全蒸发，同时完成转炉烟气从平均900 ℃降至300 ℃左右[2]。

经过某国内喷头生产厂家的模拟计算，选择雾化粒径在100～130 μm 的喷头可以完成上述蒸发[3]。但是要保证120～130 μm 的雾化粒径，除了喷头有这个工艺能力外，还要选择特定的参数，即气水比，见表1。

表1 国产喷头不同气压水压下的雾化粒径

注：3、4、5、6、7、8、9 测试出的颗粒粒径都有超标，原因分别是气压水压太接近、气压过低、水压比气压低。因此氮气压力最好在0.55 MPa 以上，而且最大水压比气压要低0.05 MPa 以上，在稳定的气压下，水压越小，雾化颗粒粒径也越小。

根据转炉一区单炉14支蒸发冷喷枪的配置，每小时平均32 t 的水量，对应水压大约0.55 MPa，因此，我们决定将氮气压力控制在0.6 MPa左右，以保证稳定的雾化效果。

4.2 雾化角度的选择

4.2.1 标准雾化参数见图3。

图3 斯普瑞喷雾系统雾化形状标准参数图[4]

A——喷雾喷出1.22 m的时候，雾展圆直径；

B——喷雾喷出4.88 m的时候，雾展圆直径；

X——选取的业内喷出距离常数1.22 m；

Y——选取的业内喷出距离常数4.88 m；

Z——喷出的最远距离；

V——喷出1.22 m时达到的最大喷射速度。

我们用某国产品牌喷头，选取0.6 MPa 气压和0.55 MPa水压，测量A、B、X、Y、Z、V值，如表2，对照斯普瑞喷雾系统提供的对应气压水压实验数据表[4]，基本上一致，说明我们选取的国产喷头完全符合标准实验要求，数据真实可信。

表2 雾化形状标准值

4.2.2 雾化角度的确定

图4 喷枪雾化水模拟图

安装喷头的枪身和喷头的角度为设计院初始设计的104°，要保证雾化水不碰到蒸发冷筒体，那么喷雾角度须小于30°，如图4。从图4 可以看出，选择小于30°的喷雾角度可以保证雾化水不会喷淋到蒸发冷筒壁，而小于30°的喷雾角度，经过实验发现雾化液滴开始明显发生碰撞，形成大液滴，不能保证90%以上的液滴小于130 μm，因此，我们最终选取雾化锥角角度为30°。

5 定型喷头的使用效果

喷头雾化角度和水流量确定后，再调试至0.6 MPa 气压和0.55 MPa 水压，喷头在柳钢转炉一区1#炉的使用效果良好，和原用的喷雾角度20°、雾化粒径大于130 μm 的喷头对比，一次除尘抽烟效果好，一次风机平均降低200 r/min，平均每炉煤气回收时间增加40 s，按照平均每秒24 m³的煤气流量计算，每炉钢增加煤气回收量960 m³，煤气热值增加210 kJ/m3。

6 结语

虽然确定了喷头的雾化角度及保证了雾化效果之后，使用效果比原来改善许多，但转炉煤气回收量和煤气热值还未达到国内先进水平，说明我们仍未摸索出最优的参数选型或解决方案。我们仍然可以寻找雾化粒径在100～120 μm 的喷头来进行实验，用以验证更好的雾化效果对转炉煤气回收量和煤气热值的提升幅度。