蒸发冷却塔的设计和应用分析

高温烟气冷却设备的种类有多种，蒸发冷却塔作为干式运行设备，它通过向塔内喷入按一定比例的气水昆舍物颗粒，利用水的汽化潜热将烟气温度迅速降低，同时也降低了烟气的含尘浓度和粉尘比电阻，而且没有水的二次污染问题。

【关键词】蒸发冷却塔设计应用

冶金钢厂炼钢转炉和电炉等，在生产过程中所产生的高温烟气，需采用先冷却后净化的方法。常用的高温烟气冷却设备有：汽化烟道冷却、水冷烟道冷却、强制吹风冷却器、自然对流空气冷却器和蒸发冷却塔等。蒸发冷却塔的工作原理足：将水和压缩空气（也可用蒸汽）按一定的比例送到特定的双相流喷嘴内、雾化成微细的气水混合物颗粒后直接喷入塔内，使高温烟气在瞬间冷却到所要求的烟气温度 （不饱和气体）。在喷水降温的同时，烟气中约有20 ～30％的粉尘被凝聚成较大的干颗粒沉降在灰斗内。所以蒸发冷却塔不但降低了烟气温度，而且也降低了烟气中的含尘浓度和粉尘比电阻，它既可与布袋除尘器配套，也可与静电除尘器配套。另外，在电炉炼钢高温烟气冷却过程中，因废钢中含有聚氯乙烯（PVC）塑料和氯化油、溶剂及废钢中含有盐类等，当电炉进行高温冶炼时产生的烟气被冷却到600～300℃的范围时，此时烟气中的灰颗粒是二曙英形成的催化剂。电炉烟气中的二嗯英目前已引起西方科学家的高度重视，而蒸发冷却塔它可以直接将800℃左右的高温烟气通过水溶急冷的方法，冷却到300℃以下，阻止了电炉烟气中二曙英等的形成。

1、高温烟气冷却设备的分类和特点：

高温烟气在进入除尘设备净化前，由于受除尘设备材料和结构等条件的限制，高温烟气必须降温冷却到设计所要求的合适温度。高温烟气的冷却设备按所用冷却介质的不同，可分成风冷型和水冷型两种；按冷却介质之间换热方式的不同，又可分为间接冷却和直接冷却这两大类型。冷却设备的分类和特点如下：

1．1间接冷却型

利用水或空气与高温烟气在换热管或换热片的内外，进行间接传热冷却来达到降温的目的。间接冷却型设备有：水冷套管、水冷密排管、自然对流空气冷却器和强制吹风冷却器等。

1．1．1水冷套管

水冷套管也称水冷夹套，冷却水在套管夹层内通过，并与在套管外通过的高温烟气进行间接传热冷却。设备简单，承受压力较低且水流速较慢，故传热效率相对较低。

1 1．2水冷密排管

以水冷管密排形式围成烟道，冷却水在水冷管内通过，并与在水冷管外（烟道内）通过的高温烟气进行间接传热冷却。它与水冷套管相比，具有较高的承压能力，传热能力大等优点。通常适用于对很高的烟气温度进行冷却，并将出口温度控制在500℃以上较为合适。

1．1．3 自然对流冷却

采用无动力的冷却设备，对换热管内的高温烟气进行自然对流空气冷却。设备简单、节能，但传热系数较低，设备钢耗较大，且设备出口烟气温度不易控制。通常适用于烟气初始温度在300-600"C的场合。

1．1．4强制吹风冷却器

冷却设备以风机为动力。利用空气对高温烟气进行强制吹风冷却。其特点是：传热系数相对较高，设备出口烟气温度易于控制，但换热管易堵塞而影

响传热效果。常用的吹风冷却器有管式冷却器、片式冷却器和扁管式冷却器，这些冷却器通常适用于冷却600℃以下的高温烟气。

1．2直接冷却型

利用水直接与高温烟气进行混合，来达到降温的目的。直接冷却型设备有：饱和冷却塔和蒸发冷却塔。

1．2．1饱和冷却塔

通过向塔内大量喷水，使高温烟气在瞬间冷却到设定的饱和温度。其特点是：设备简单、热交换效率高。烟气温度可从1000℃左右降低到100℃左右。喷嘴寿命较短，投资省，作为湿式冷却设备，它增加了污水污泥的处理和管道的腐蚀，必须与湿法

除尘系统配套使用。

1．2．2蒸发冷却塔

通过向塔内喷入适量的气水雾颗粒，使水雾在塔内完全汽化成水蒸汽进入气相，利用水的汽化潜热将烟气温度在瞬间降低到设定的不饱和温度。其

特点是：

1）热交换效率极高，降温迅速。

2）烟气降温范围广，可根据系统设计需要，将烟气温度从800℃左右降低到200℃左右。

3）完全为干式运行，即蒸发冷却塔内和灰斗内的粉尘始终是干燥的。

4）烟尘初除尘效果好，不存在像空气冷却器管道内易积尘堵塞问题，也没有水的二次污染问题等。

5）运行过程中可对烟气进行调质处理，以降低烟气中粉尘的比电阻，有利于静电除尘器的采用。

6）自动化程度高，设备可单设控制单元，也可由除尘系统PLC控制。

7）设备运行阻力低、噪声低、电耗低。

8）需使用压缩空气和配套独立的供水装置，喷嘴寿命在1年左右。

综上所述，炼钢转炉和电炉所产生的高温烟气采用蒸发冷却塔冷却，不但其冷却换热效率高，温度适用范围广，环境保护好，而且设备制作简单，没有水的二次污染。

2蒸发冷却塔设计

2．1蒸发冷却塔组成范围及要求

蒸发冷却塔的组成范围主要由：设备本体、喷枪、供水和供气系统以及控制系统等五部分组成。

蒸发冷却塔控制流程图

1）设备本体部分：主要由壳体、灰斗、进出口管道、框架和梯子平台等组成。壳体钢板材料一般采用10～20mm厚的中碳钢，对于温度很高且腐蚀性很强的烟气，则采用不锈钢（316）。

2）喷枪部分：主要由喷嘴、气水混合装置、喷枪固定装置等组成。喷枪部分设计要求达到喷雾颗粒微细、流量大、压力低、耗气量低等水准。每个喷嘴所喷出的气水雾颗粒，在冷却塔内的中心区域外应避免交叉重叠，喷入的水雾也不能喷洒在冷却塔的内壁上，否则将引起粉尘的粘结和壳体的腐蚀。

3）供水系统：主要由水泵、水箱、过滤器、流量调节阀及检测报警装置等组成。蒸发冷却塔通常配置独立的工厂供水和补水系统，水泵互为备用。根据蒸发冷却塔出口烟气温度的高低，自动调节供水量。

4）供气系统：主要由储气罐、过滤器、调压阀及检测报警装置等组成。作为蒸发冷却塔的配套系统，供气系统主要将来自工厂空压机房的压缩空气储存在储气罐内，以保证气源流量和压力等的稳定。

5）控制系统：主要由蒸发冷却塔进出口烟气温度检测装置、供水和供气系统的流量和压力检测装置、调节阀等组成。控制系统的主要功能是：根据烟气温度的变化状况，自动调节喷枪的喷水量，以保证蒸发冷却塔出口烟气温度维持在所设定的温度范围内。同时保证供水和供气系统安全正常运行。

2．2蒸发冷却塔容积确定

蒸发冷却塔的容积与冷却塔简体直径和粒径／,um长度有关，冷却塔简体直径和长度的大小，取决于烟气流的断面速度和烟气流通过冷却塔时水雾完全汽化蒸发所需的时间。

图2为水雾完全蒸发所需的时间，它反映了与烟气温度和水雾粒径大小的关系。从图2可以看出。经喷枪喷出的水雾粒径大小不等。且分布在一定的范围之内。水雾粒径越小，蒸发越快，则其蒸发所需的时间也就越短，冷却塔长度相应可以缩短。但在水雾蒸发时间和冷却塔长度确定时，还应考虑到有一部分较大粒径的水雾不但其完全蒸发的时间相对较长，而且还受到高温烟气已首先被细小水雾汽化蒸发的影响，此时塔内的烟气已经开始降温，要保证塔内较大粒径的水雾在已经降温后的烟气温度下完全汽化，就应适当延长水雾蒸发时间，即适当加长蒸发冷却塔的长度。d2 d1 T1 T2T3 T4 时间／s 图2水雾完全蒸发所需的时间经水和压缩空气双相流喷嘴所产生的水雾粒径分布，通常在50～300 m范围，水雾完全汽化时间在0、2～3，0s以内。烟气断面流速一般控制在4m／s 以下。流速越低，水雾汽化蒸发时间就越充分，冷却塔简体也可相应缩短，以便设备布置。但冷却塔容积确定时应考虑水雾完全蒸发需留有一定的安全系数。即保证烟气在离开蒸发冷却塔之前，所喷入的水雾能完全蒸发，满足除尘系统干式运行的要求。

2．3喷雾系统

2．3．1喷嘴的选择

喷嘴是蒸发冷却塔实现干式运行的关键部件，喷嘴选择要求如下：

1）喷嘴材质为不锈钢。

2）选用水气双相流自动喷嘴，以获得稳定的微细

水雾颗粒，其粒径要求在50-300／an，且分布范围窄。

3）喷嘴内孔耐腐蚀和耐磨损，对机械缺陷不敏

感。

2．3．2喷嘴的布置喷嘴应布置在蒸发冷却塔的烟气进口处，并保持与烟气同相，即顺喷。

1）喷嘴所喷水雾不能喷在冷却塔内壁上，否则会引起内壁腐蚀和粘结。

2）喷嘴采用标准法兰与冷却塔固定，便于安装和拆卸。喷嘴插入深度应可以调整。

3）喷嘴布置应防止所喷出的水雾交叉和重叠，以避免水雾粒径增大，影响水雾汽化蒸发时间。

2，3，3喷雾系统的操作和控制喷雾系统的控制内容主要有：

1）烟气温度报警装置，供气和供水系统流量、压力报警装置。

2）供水流量控制。

3）供气流量控制。

4）供水流量阀与烟气进口管道阀门连锁。由于冶金钢厂电炉和转炉（燃烧法）工艺操作的。工况变化呈周期性，其产生的烟气温度和烟气量波。动范围较大，所以向蒸发冷却塔喷入的水量也应作相应变化，即每个喷嘴的流量均必须根据烟气温度进行调节。通常有二种调节方法，即恒定喷嘴压力和恒定喷嘴流量。

1）恒定喷嘴压力。喷嘴压力由供水管路上的压力控制阀保持恒定。当烟气温度降低，则水流量减少，此时压缩空气流量增加，使喷入的水雾粒径更细。

2）恒定喷嘴流量。即保持通过管路上流量阀的流量恒定。当水流量减少时，喷嘴压力也减小，喷入的水雾粒径基本保持在一定的范围内。

2，4系统的控制

蒸发冷却塔系统控制的目的是保证烟气出口温度在设定值范围内，控制内容主要包括供水和供气系统的流量、压力控制等，见图1。

2．4，1供水系统控制

蒸发冷却塔通常配置独立的供水站（略），水泵出口管道设计时分成两路，一路与喷枪系统连接，通过流量调节阀向冷却塔喷枪供水，另一路通过压力调节阀将多余水返回水箱。流量调节阀与蒸发冷却塔出口烟气温度设定值联锁。当冷却塔出口烟气温度高于设定值温度时，流量调节阀开度将自动开大，使进入喷枪的水量增大，来降低冷却塔出口烟气温度；当蒸发冷却塔出口烟气温度低于设定值温度时，流量调节阀开度将自动关小，使进入喷枪的水量减

少，来提高冷却塔出口烟气温度；此时由于水泵仍正常连续运行，当流量调节阀开度关小时，则引起调节阀进口管路上的压力增加，达到一定值时旁通管路上的压力调节阀将自动打开到一定的开度，让多余水返回水箱。

为了防止误操作，在调节阀后管路上设置气动切断阀，使喷抢工作与电炉和转炉等炉子进行联锁，即炉子工作时气动切断阀打开；炉子停炉时，气动切断阀自动关闭，停止向喷抢供水。另外在喷抢供水管路上设有流量检测、流量上限和下限报警等安全措施。

2．4．2供气系统控制

供气系统通常配置储气罐，包括配套除油和除尘过滤器，以保持压缩空气流量、压力的稳定和压缩空气的清洁。同时在供气管路上设置流量调节阀，以保证喷抢系统所需的空气量要求。供气管路上设有高低流量报警等安全措施。

3蒸发冷却塔应用

3．1使用场合

由于蒸发冷却塔是利用水的汽化潜热对高温烟气进行降温的一种干式运行设备，使用场合较宽。主要体现在以下几个方面：

1）作为干式运行设备，既适合与布袋除尘器的配套，也可与静电除尘器配套。

2）适用高的烟气进口温度，且降温幅度大。根据炼钢工艺布置，当转炉汽化烟道长度或电炉水冷烟道长度布置受限制、高温烟气出口温度只能降到1000～650℃范围时，此时无法采用强制吹风冷却器或自然空气冷却器，而蒸发冷却塔却能满足这一温

度范围。

3）电炉废钢冶炼所产生的高温烟气，在冷却到600-300℃时，存在着微量二曙英等剧毒物的再生成，而蒸发冷却塔则可避免二嗯英等的再生成。

4）低的设备运行阻力，可省去除尘系统增压风饥，节省了一次投资和运行维护费用，使除尘系统布置紧凑，同时节省了厂房用地面积。

3．2运行维护

蒸发冷却塔的运行维护包括设备本体、供水系统和供气系统。

1）设备本体：运行安全可靠，维护工作量小，但喷嘴需定期检修和更换，喷嘴寿命一般在1年左右。简体内壁也需定期清扫。

2）供水和供气系统：运行电耗低，怍为常规设备

维护工作量小。

3．3技术经济分析

以电炉除尘系统为例，并采用强制吹风冷却器作为同类型冷却设备与蒸发冷却塔进行技术经济分

4结语

蒸发冷却塔作为一种成熟的高效冷却设备，具有设备运行阻力小、噪声低、电耗眚等优点，特别是对650℃以上的高温烟气，用蒸发冷却塔不但可协助炼钢车间工艺设备的布置，并且解决了冷却设备耐高温的材料选用问题，同时能很好的阻止电炉烟尘中二曙英的再生成。可以预计，蒸发冷却塔作为高温烟气的一种冷却设备，特别是在电炉炼钢高温烟气冷却中将越来越受到人们的重视和欢迎。