2018, Vol. 39
2. 艾欧史密斯(中国)热水器有限公司, 江苏 南京 320100
2. A.O.Smith(China) Water Heater CO., Ltd., Nanjing 320100, China
转炉煤气是转炉炼钢的副产品, 热值为7 536 kJ/m3, 温度高达1 400~1 600 ℃.安全高效回收转炉煤气及余热是转炉炼钢节能的首要任务.目前转炉煤气的回收方法主要有煤气湿法回收技术(OG法)和煤气干法回收技术(LT法), 这两种方法的共同缺点是没有回收转炉煤气中、低温段(800 ℃以下)的余热, 其原因是低于着火点的转炉煤气易爆.针对转炉煤气中、低温段余热回收的研究, 在回收方法方面, 于庆波[1]提出了惰性气体蓄热式回收系统; 刘改娟等[2]研究了高温陶瓷除尘余热锅炉回收工艺; Maruoka等[3-4]评估了采用相变材料回收转炉煤气余热, 为甲烷合成甲醇提供热源的可行性.在转炉煤气防爆特性方面, Grune等[5]研究了高温条件下H2/CO/N2/H2O/CO2混合气体的可燃极限、燃烧特性; Askari等[6]通过实验测定了高温高压下CO/H2/Air的层流火焰传播速度和火焰稳定性; Shang等[7]通过数值模拟的方法研究了N2/CO2稀释条件下CO/H2/Air的层流火焰传播速度.
由于转炉煤气含尘量大, 当灰尘颗粒与壁面或者颗粒之间相互碰撞摩擦产生火花的能量足够大, 且超过实际煤气的最小点火能时, 则可能导致煤气爆炸, 而在这方面的研究甚少.本文以惰性气体蓄热式回收系统为研究对象, 建立蜂窝体蓄热室通道物理模型, 根据碰撞能量耗散理论和摩擦热理论计算了转炉煤气余热回收过程中潜在点火源能量; 搭建转炉煤气最小点火能测定实验台, 通过实验修正了转炉煤气最小点火能的理论计算式; 利用该式计算了转炉煤气在着火点温度时的最小点火能, 与潜在的点火源能量进行了对比, 确定了蜂窝体蓄热室通道的安全尺寸.
1 物理模型从汽化冷却烟道出来的高温转炉煤气, 其潜在的点火源主要是烟尘颗粒与蜂窝体壁面之间和颗粒之间相互碰撞或摩擦产生的瞬间热量.当转炉煤气流经蜂窝体蓄热室通道时, 物理模型如图 1所示.
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图 1 通道内颗粒碰撞与摩擦物理模型 Fig.1 Physical model of particle collision and friction in channel |
模型中:W表示载荷, N/m2; R表示颗粒半径, m; a表示接触半径, m; V表示颗粒速度, m/s.
2 计算方法 2.1 碰撞能计算转炉煤气在蓄热室通道内的流速约为20 m/s, 则需要研究低速的颗粒之间的碰撞.目前公认的关于黏弹性碰撞理论为JKR理论[8], Johnson和Pollock经过理论推导得到碰撞后的能量损失Ws的计算公式为[9]
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(1) |
式中, Г12为表面能, J/m2, 其表达式为
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(2) |
Г1, Г2分别为物体1, 2的表面能.R*表示碰撞有效半径, m; 其表达式为
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(3) |
如图 1所示, 当颗粒与颗粒碰撞时, 则R1, R2为颗粒半径; 当颗粒与壁面碰撞时, R*为颗粒半径R.
E*为有效弹性模量, Pa; 其表达式为
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(4) |
当颗粒与颗粒碰撞时, ν1, ν2表示颗粒1, 2的泊松比, E1, E2表示颗粒1, 2的弹性模量; 当颗粒与壁面碰撞时, ν1, ν2表示颗粒与壁面的泊松比, E1, E2表示颗粒与壁面的弹性模量.
2.2 摩擦热计算转炉烟尘在蓄热室通道内流动时, 需要考虑颗粒之间和颗粒与壁面的摩擦热.Czichos指出摩擦过程中最大约有86%的功以热的形式散失[10], 单位时间内摩擦力做功变为热量q的表达式为
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(5) |
式中, μ为摩擦系数.
由于转炉烟尘的颗粒小于100 μm, 在JKR模型中, 范德华力就是平均接触压力, 其表达式为[11]
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(6) |
a表示接触半径, m; 其表达式为
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(7) |
摩擦过程中, 设颗粒的接触时间为t, 则
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(8) |
将式(6)~式(8)代入式(5), 得到在整个摩擦过程中, 摩擦力做功所产生的热量为
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(9) |
单位体积、单位时间内转炉烟尘的颗粒数N为
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(10) |
式中:m1为通道模型内含有的转炉烟尘的总质量, g; m0为单个转炉烟尘在平均粒径时的质量, g; C1为模型中烟尘的质量浓度, g/m3; ρ为烟尘颗粒的密度, g/cm3; V0为单个转炉烟尘在平均粒径时的体积, m3.
针对图 1建立的蜂窝体通道物理模型, 转炉煤气内含有的烟尘颗粒数N0为
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(11) |
式中：V1为通道模型的体积, m3; d为物理模型的内径, m; h为物理模型的高度, m; Δt表示烟尘通过模型的时间, s, Δt表达式为
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(12) |
通道模型内, 任意一对颗粒的碰撞频率P0[12]为
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(13) |
式中：r0, r1分别表示相互碰撞颗粒的半径, m; υ0, υ1分别表示相互碰撞颗粒的速度, m/s.根据统计学原理, 烟尘颗粒在通道模型内的总碰撞次数N*为
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(14) |
常见的蜂窝体材质为莫来石, 转炉烟尘的成分主要是FeO.颗粒与壁面的摩擦系数μ=0.68, 颗粒之间的摩擦系数μ=0.3.其他相关数据的取值如表 1所示.
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表 1 相关材料的性能值 Table 1 Properties for related materials |
转炉烟尘颗粒之间或者颗粒与壁面碰撞产生的能量, 根据式(1)~式(4), 计算结果如图 2所示.从图中可以看出, 烟尘颗粒之间或者颗粒与蜂窝体壁面碰撞产生的能量都随着烟尘颗粒粒径的增加而增大, 这是由于烟尘颗粒粒径越大, 两种碰撞时的有效半径越大, 产生的碰撞能量随之增加.从图中还可以看出, 烟尘颗粒与蜂窝体壁面的碰撞能要大于烟尘颗粒之间的碰撞能, 这是因为烟尘颗粒与蜂窝体壁面碰撞时的有效半径较大, 从总体看, 两种碰撞产生的碰撞能在10-12 J数量级.
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图 2 碰撞能量理论值 Fig.2 Theoretical values of impact energy (a)—颗粒与壁面碰撞; (b)—颗粒与颗粒碰撞. |
烟尘颗粒之间的摩擦及烟尘颗粒与蜂窝体壁面之间的摩擦产生的热量, 根据式(5)~式(9), 计算结果如图 3所示.从图中可以看出, 颗粒与壁面的摩擦或者颗粒之间的相互摩擦产生的热量, 都随着颗粒粒径的增加而增大, 其原因是烟尘颗粒粒径越大, 两种摩擦的有效半径就越大, 摩擦产生的热量增加.另外, 颗粒与壁面的摩擦产生的热量比颗粒之间的摩擦产生的热量要大, 这与颗粒与壁面摩擦的有效半径相对较大有关.但是从总体看, 两种摩擦产生的能量在10-10 J数量级.
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图 3 摩擦热量理论值 Fig.3 Theoretical values of friction heat (a)—颗粒与壁面摩擦; (b)—颗粒与颗粒摩擦. |
汽化冷却烟道出来的转炉煤气中烟尘的质量浓度一般为70~150 g/m3.重庆大学肖丽[13]测定了转炉烟尘颗粒平均粒径d0=32.15 μm.选取粒径d0=32.15 μm, 烟尘质量浓度C1=150 g/m3, 现假设蜂窝体通道模型的高度h=1 m, 烟尘的速度v0=20 m/s.将上述数据代入式(10)~式(14), 得到多颗粒碰撞能量和摩擦热量随蜂窝体孔径变化规律, 如图 4所示.从图中可以看出, 碰撞能量和摩擦热量随蜂窝体孔径的增加而增加, 这是因为随着孔径增加, 通道模型内的转炉烟尘颗粒总数增加, 碰撞频率也随之增加.从总体看, 摩擦热量远大于碰撞能量, 且颗粒与壁面的摩擦热量大于颗粒与颗粒之间的摩擦热量.
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图 4 多颗粒相潜在点火源能量 Fig.4 Potential ignition energy of multi-particle phase (a)—多颗粒相碰撞能量; (b)—多颗粒相摩擦热量. |
利用自行搭建的最小点火能测量系统测定(298 K, 1.01×105 Pa)转炉煤气的最小点火能.实验系统如图 5所示.实验系统主要由进气系统、点火系统和反应容器三大部分构成.
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图 5 最小点火能测定系统图 Fig.5 Diagram of MIE measuring |
1) 进气系统.进气系统主要包括CO, CO2, N2, O2储气瓶和真空泵, 4种气体的体积分数均为99.99%, 进气速率采用针阀调节, 待气体配置完成之后, 静止5 min, 使气体混合均匀.回收期的转炉煤气中含有体积分数60%~80%的CO, 实验工况需配置3种典型的转炉煤气, 其成分如表 2所示.
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表 2 测定转炉煤气点火能实验工况(体积分数) Table 2 Experimental conditions of MIE of converter gas(volume fraction) |
2) 电点火系统.电火花发生器是电点火系统的核心部件, 通过储能电容在电极的两端进行放电, 产生不同能量的静电火花.
3) 反应容器.反应容器用有机玻璃制成, 容积为0.3 L, 在其两侧装入电极, 其上部装有安全阀.
Williams根据能量守恒定律, 通过判断着火的内在依据, 推导出最小点火能的理论计算公式为[14]
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(15) |
其中：α表示经验修正系数, 因为电火花提供的最小点火能Emin不一定恰好使转炉煤气升高到绝热火焰温度T∞, 而是往往比T∞高, 所以用α修正; λav为平均导热系数, W/m·K; T0为转炉煤气的初始温度, K; S0表示转炉煤气层流火焰传播速度, m/s, T∞及S0均使用CHEMKIN软件计算; d为冷熄距离, m，其表达式为
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(16) |
式中:a(近似为40)为不强烈依赖于系统的倍数因子; cp是转炉煤气的定压比热容, J/(kg·K); ρ0是转炉煤气的密度, g/cm3.
通过实验值与理论值的对比, 并拟合数据, 得到公式修正系数α为0.909.图 6表示经过修正之后使用理论公式计算得到的3种转炉煤气最小点火能与实验测定值的对比曲线, 从图中可以看出, 3种转炉煤气的最小点火能都随着化学当量比ФCO的增加呈现先下降后上升的趋势, 且最小点火能均出现在化学当量比为1.5左右.这是因为点火能的大小与燃料发热量有关, 当化学当量比较小时, 燃料中含有的惰性气体成分较多, 导致燃烧过程中产生的热量较少, 而火焰核传播过程中会因传热和辐射造成能量损失, 当能量损失大于燃烧产热时, 火焰无法持续, 因而随化学当量比降低, 点火能量增加.随着化学当量比继续增加, 达到富燃时, 转炉煤气最小点火能量呈上升趋势.这是因为火焰核持续膨胀过程中遇到局部化学当量比超过富可燃极限, 导致最小点火能增加.从图中可以看出, 3种转炉煤气最小点火能的实验值与理论修正值吻合得很好, 相对误差小于10%, 在工业允许误差范围之内, 所以经过修正的理论公式可用于转炉煤气最小点火能的计算.
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图 6 转炉煤气理论修正值与实验值对比 Fig.6 Comparison of theoretical and experimental values of MIE of converter gas (a)—1#转炉煤气最小点火能; (b)—2#转炉煤气最小点火能; (c)—3#转炉煤气最小点火能. |
图 7是利用式(15)计算得到的3种转炉煤气在着火点(973 K)时的最小点火能与CO化学当量比的关系.从图中可以看出高温下3种转炉煤气的最小点火能与常温条件下变化趋势是一样的.但随着温度的增加转炉煤气最小点火能降低, T=973 K时数量级为10-7 J.3种转炉煤气的最小点火能分别为：7.36×10-7, 6.26×10-7, 6.01×10-7 J.考虑蜂窝体蓄热室回收转炉煤气的安全性, 蜂窝体内的潜在点火源能量(图 4)要小于转炉煤气的最小点火能.与图 4对比可得, 孔径小于6 mm的蜂窝体蓄热室是安全可行的.
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图 7 T=973 K 3种转炉煤气最小点火能理论值 Fig.7 Theoretical values of MIE in three kinds of converter gas at 973 K |
1) 在蜂窝体蓄热室通道内, 转炉烟尘颗粒与壁面及颗粒之间的碰撞能、摩擦热量都随着烟尘粒径的增大而增大, 碰撞能在10-12 J数量级; 摩擦热量在10-10 J数量级.
2) 蜂窝体通道内多颗粒烟尘潜在点火源能量随蜂窝体孔径的增大而增大, 摩擦热量远大于碰撞能量, 且颗粒与壁面的摩擦热量大于颗粒之间的摩擦热量.
3) 转炉煤气的最小点火能随着CO化学当量比的增大先减小后增加, 最小值在当量比为1.5左右; 最小点火能理论计算式的修正系数为0.909, 修正后的理论公式可用于转炉煤气最小点火能的计算.
4) 计算转炉煤气在着火点温度(973 K)时, 3种转炉煤气最小点火能分别为7.36×10-7, 6.26×10-7, 6.01×10-7 J, 与蜂窝体蓄热室中潜在的点火源能量比较得出, 孔径小于6 mm的蜂窝体蓄热室是安全可行的.
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