CN220062626U - 一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其包括冷却器壳体、气体导流器、散热翅片、高压水喷嘴和冷却水套；所述冷却器壳体为管状结构，并连通在工艺废气管道上；所述气体导流器位于冷却器壳体的内部；所述冷却水套呈环形套在冷却器壳体外部，且冷却水套和冷却器壳体之间留有供冷却水流通的环形通道；所述散热翅片有若干片，若干片散热翅片以气体导流器为中心呈放射状环布一周，且散热翅片外部一端均穿过冷却器壳体后伸入冷却水套内部或与冷却水套的内壁连接；所述高压水喷嘴有若干个，高压水喷嘴均位于冷却器壳体和气体导流器之间，且若干个高压水喷嘴围绕气体导流器设置至少一圈。本装置可快速、有效地冷切流经的工艺废气。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种冷却装置，尤其是一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置。
背景技术
随着我国双碳目标的提出，国内各行业碳减排压力巨大，而钢铁行业作为能源密集型产业，生产过程中会产生大量的碳排放，因此亟需通过一系列工艺改进来达到降碳效果。当前钢铁冶炼主要以高炉-转炉长流程为主，其中高炉炼铁环节还原剂为碳元素，在还原过程中会产生大量的二氧化碳，高炉环节碳排放在整个流程中占比极大。目前针对高炉开发了炉顶煤气循环，高炉富氢喷吹等工艺，取得了一定的降碳效果，但其降碳能力仍有限。因此，以氢气为主要还原气体的气基竖直接还原工艺受到了世界广泛关注，在生产过程中，其具有还原过程绿色低碳，还原产物纯净适用于高端冶炼等优点，可极大的降低炼铁环节的碳排放。
图1所示，在气基竖炉的生产过程中使用的还原剂为富氢气体，还原气体从竖炉还原段下部吹入，产生的工艺废气(顶气)从竖炉顶部顶气出口排出；由于工艺废气携带有大量热能属于高温气体，为充分利用这部分热能，首先将工艺废气通入顶气换热器与工艺气体预热器，利用一部分热能产生低压蒸汽和对工艺气体进行冷却；经热交换后的顶气进入工艺气体冷却器进行二次冷却，冷却后经过文氏管除尘器进行除尘，净化后的气体进入后续工艺设备。由于工艺气体冷却器是对工艺废气进行最终冷却的设备，生产工艺要求此设备有良好的冷却效果，且此冷却效果具有可控性。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种冷却效果好、冷却效果可控的用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：其包括冷却器壳体、气体导流器、散热翅片、高压水喷嘴和冷却水套；所述冷却器壳体为管状结构，并连通在工艺废气管道上；所述气体导流器位于冷却器壳体的内部；所述冷却水套呈环形套在冷却器壳体外部，且冷却水套和冷却器壳体之间留有供冷却水流通的环形通道；所述散热翅片有若干片，若干片散热翅片以气体导流器为中心呈放射状环布一周，且散热翅片外部一端均穿过冷却器壳体后伸入冷却水套内部或与冷却水套的内壁连接；所述高压水喷嘴有若干个，高压水喷嘴均位于冷却器壳体和气体导流器之间，且若干个高压水喷嘴围绕气体导流器设置至少一圈。
进一步的，所述气体导流器的外形为上下均为圆锥形、中部为圆柱形，且内部中空的结构；位于本冷却器内部中央与散热翅片相连，由散热翅片与冷却器壳体进行连接。
进一步的，所述高压水喷嘴的喷射方向为气体导流器。
进一步的，所述高压水喷嘴设置有三圈；三圈高压水喷嘴分别设置在冷却器壳体和气体导流器之间的上部、中部和下部。
进一步的，还包括喷头供水总管、喷头供水支管和喷头供水环管；所述喷头供水支管和喷头供水环管的数量与高压水喷嘴的圈数相同；所述喷头供水总管一端连通高压水管路，另一端连接喷头供水支管；所述喷头供水支管与喷头供水环管一一对应连通；所述喷头供水环管均环绕冷却水套外部一周，并与每圈的高压水喷嘴对应连通。
更进一步的，每根喷头供水支管上均设有支管流量调节阀。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型采用翅片式热传导冷却及冷却器内部喷水直接冷却两种复合冷却方式，结合冷却水套的设计，可快速、有效地冷切流经的工艺废气；本实用新型所述气体导流器在引导工艺废气的同时，还起到了雾化板的作用，高压水喷头喷出的未形成雾状水的水流撞击到冷却器气体导流器上，使水流形成二次雾化水，强化冷却效果；本实用新型具有良好的冷却效果，能够急速冷却流经的工艺废气。
本实用新型冷却过程喷水可根据实际的生产要求进行开关，并可对水流量及供水压力进行调节，达到高效快速冷却气体的目的，并且冷却效果具有可控性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是气基竖炉的工艺流程图；
图2是本实用新型的剖面结构示意图；
图3是本实用新型的俯视结构示意图；
图4是本实用新型所述气体导流器的结构示意图；
图5是本实用新型所述冷却翅片的结构示意图；
图6是本实用新型所述冷却水套的结构示意图；
图7是本实用新型所述喷头供水管路的结构示意图。
图中：1-气体导流器、2-高压水喷头；3-冷却翅片；4-冷却器壳体；5-冷却水套快速排气阀；6-冷却水套；7-喷头供水环管；8-喷头供水支管；9-支管流量调节阀；10-喷头供水总管；11-供水总管截止阀；12-冷却水套进水管；13-进水截止阀；14-冷却水套出水管；15-出水截止阀；16-冷却水套排污管；17-排污截止阀。
具体实施方式
图2、图3所示，本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置包括冷却器壳体4、气体导流器1、散热翅片3、高压水喷嘴2、冷却水套6和喷头供水管路。所述冷却器壳体4为管状结构，并连通在工艺废气管道上，这样气基竖炉的工艺废气即可从冷却器壳体4中流过并被冷却。图4所示，所述气体导流器1位于冷却器壳体4的内部中心位置；所述气体导流器1的外形为上下均为圆锥形、中部为圆柱形，且内部中空的结构。气体导流器1的圆柱形部分采用8mm厚耐磨合金钢板焊接制成，材质为KN-55。上下圆锥形部分的顶角均为60°的等边圆锥，中部圆柱形部分高度和直径均与圆锥形部分的底面直径相等。本例采用的气体导流器1的各项数据，包括上下锥顶角角度、圆柱体高度和直径等，可根据不同的的工况条件进行改变，以满足不同的工况条件。所述气体导流器1的作用是将冷却器内由上至下经过的工艺废气经上部锥体分流至高压水喷嘴2和冷却翅片3的冷却区域，保证工艺废气与高压水喷嘴2和冷却翅片3进行热交换，提高冷却效率。所述气体导流器1下部圆锥形部分将冷却完毕后的工艺废气重新顺畅整合到气体管路中。所述气体导流器1在引导工艺废气的同时，还起到了雾化板的作用，高压水喷头2喷出的未形成雾状水的水流撞击到冷却器气体导流器1上，使水流形成二次雾化水，强化冷却效果。由于工艺废气的气体流速较大且气体携带有少量粉尘，其粉尘主要成分为金属粉末，具有较强的冲刷性，采用上述结构的气体导流器1能有效地降低引导工艺废气的同时，能有效地降低工艺废气对气体导流器1的冲刷。
图2、图3所示，本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置所述冷却水套6呈环形套在冷却器壳体4外部，且冷却水套6和冷却器壳体4之间留有供冷却水流通的环形通道。图6所示，所述冷却水套6呈圆环状柱体，冷却水套6的壳体采用10mm厚Q255钢板。所述冷却水套6内部通冷却水，其主要作用是对散热翅片3进行热传导降温，并通过冷却水循环带走热量。所述冷却水套6供水采用软水，防止在冷却过程中产生结垢，影响散热翅片3的散热效果，同时避免管道因结垢而造成堵塞。所述冷却水套6采用下进上出的供水方式，对由上至下经过的工艺废气进行强制降温。所述冷却水套6下部安装冷却水套进水管12，在冷却水套进水管12上安装冷却水套进水管截止阀13；冷却水套6上部安装冷却水套出水管14，在冷却水套出水管14上安装冷却水套出水管截止阀15，冷却水套6的进出水管成180°。在冷却水套6上方同时安装快速排气阀5，用于快速排出冷却水套6内部在冷却过程中所产生的蒸汽，避免因蒸汽无法排出而产生异常高压导致爆炸等事故的产生。所述冷却水套6下部安装冷却水套排污管16，并在冷却水套排污管16上安装冷却水套排污管截止阀17，用于检修时排空冷却水套6中的冷却水。
图2、图3所示，本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置所述散热翅片3有若干片，若干片散热翅片3以气体导流器1为中心呈放射状环布一周，内部一端与冷却器气体导流器1连接并起到支撑作用，散热翅片3外部一端均穿过冷却器壳体4后伸入冷却水套6内部或与冷却水套6的内壁连接；所述散热翅片3的形状如图5所示。所述散热翅片3最好为8片，平均分布在冷却器内部圆周方向，即冷却器内部冷却翅片3相互间隔45°。所述冷却翅片3采用5mm厚Q255钢板制成。所述散热翅片3主要作用为吸收高温工艺废气的热量，并通过自身进行将热量传导到冷却水套6内的散热翅片3，再与冷却水套6内的冷却水进行热交换，达到冷却的目的。所述散热翅片3还起到将撞击雾化板的作用，将高压水喷头2喷出的未形成雾状水的水流撞击到散热翅片3上，使水流形成二次雾化水，强化冷却效果。所述散热翅片3同时还起到了将气体导流器1与冷却器内部连接和支撑的作用。本例采用8片散热翅片3，在其他冷却强度不同的工况环境下，可以任意增减散热翅片3的数量，以满足不同的工况条件。
图2、图3所示，本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置所述高压水喷嘴2有若干个，高压水喷嘴2均位于冷却器壳体4和气体导流器1之间，且若干个高压水喷嘴2围绕气体导流器1设置至少一圈；所述高压水喷嘴2的喷射方向为气体导流器1并可喷射到相邻的散热翅片3。所述高压水喷头2最好分为上中下三圈，三圈高压水喷嘴2分别设置在冷却器壳体4和气体导流器1之间的上部、中部和下部；每圈最好8个平均分布在圆周方向，冷却器内部8个喷头相互相隔45°，高压水喷头合计为24个，高压水喷头2与冷却翅片3在圆周内相互间隔22.5°，即高压水喷头2与冷却翅片3平均间隔排列在冷却器内部圆周方向，将冷却器内部圆周平均为16份。所述高压喷水冷却装置的主要作用是强制高温工艺气体与高压水喷头2喷出的低温高压雾状水进行热交换进行强制冷却。同时高压水喷头2喷出的未成形雾状水与气体导流器1和冷却翅片3撞击，也起到了冷却气体导流器1和冷却翅片3的效。此外高压水喷头2喷出的高压雾状水对气体导流器1和冷却翅片3进行冲洗，防止工艺废气中所携带的固体粉尘与冷却水结合形成污垢粘连在导流器1和冷却翅片3表面，影响冷却效果。所述高压水喷头2均采用锥面喷头，材质为06Cr17Ni12Mo2，即316不锈钢，喷出水形状为圆锥状；上下两圈高压水喷头2喷头接口为DN15，喷孔孔径为3mm，喷头喷淋角度为65°；中间一圈高压水喷头2喷头接口为DN20，喷孔孔径为4mm，喷头喷淋角度为110°。本例所采用的的各供水据，包括接口尺寸、喷孔孔径和喷淋角度等，可以根据冷却强度的不同选择不同的接口尺寸、喷孔孔径和喷淋角度等，以改变高压水喷头2的水流量，从未满足不同工况下的冷却要求。
图2、图3所示，本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置所述高压水喷嘴2由喷头供水管路提供高压水；图7所示，所述喷头供水管路包括喷头供水总管10、喷头供水支管8和喷头供水环管7；所述喷头供水支管8和喷头供水环管7的数量与高压水喷嘴2的圈数相同；所述喷头供水总管10一端连通高压水管路，另一端连接喷头供水支管8；所述喷头供水总管10上设有供水总管截止阀11；所述喷头供水支管8与喷头供水环管7一一对应连通；所述喷头供水环管7均环绕冷却水套6外部一周，并与每圈的高压水喷嘴2对应连通。所述高压水喷头供水支管8均分别安装高压水喷头供水支管流量调节阀9，对高压水喷头2的冷却水进行精准控制。本例采用3圈高压水喷头供水环管7和每圈8个高压水喷头2，在不同的工况环境下，可以根据冷却强度的不同，增减高压水喷头供水环管7的圈数以及每圈高压水喷头2的个数。所述高压水喷头供水总管10采用D60*4厚壁无缝钢管，高压水喷头供水支管8采用D45*3.5厚壁无缝钢管，高压水喷头供水环管7采用D34*3厚壁无缝钢管，上下两圈高压水喷头水管采用D22*2.5厚壁无缝钢管，中间一圈高压水喷头水管采用DN27*2.5厚壁无缝钢管。本例所采用的各供水管数据，包括管径、壁厚以及材质等，可以根据冷却强度的不同选择不同的管径、壁厚以及材质等。
本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置的工作原理及操作方法如下所述：
气基竖炉生产所才生的工艺废气(顶气)从竖炉顶部顶气出口排出，经过顶气换热器与工艺气体预热器后，由上至下经过复合快速水冷装置。由于工艺废气携带大量热量，在经过该装置的散热翅片3时，将一部分热量通过热传导的方式传递给该气体冷却器内的散热翅片3，冷却器内部散热翅片3将这部分热量通过自身传导至冷却器外部的散热翅片3，冷却器外部的散热翅片3再通过与冷却水套6中的冷却水进行热交换，将散热翅片3所携带的热量传导到冷却水中，再由冷却水循坏带走热量，继而达到冷却管道内部气体的目的。
在散热翅片3进行热交换对气体进行冷却的同时，冷却器内部加装主动冷却设备，即采用高压喷水强制对气体进行冷却。高压喷头喷出高压雾状水，强制与管道内的气体进热交换使气体得到冷却，同时通过高压水喷头2喷出的未形成雾状水的水流撞击到冷却器气体导流器1及相邻的冷却翅片3上，使水流形成二次雾化水，强化冷却效果。由于气体导流器1和冷却翅片3受到了水流的冲刷和撞击，使得柱状体1和冷却翅片3的温度得以进一步下降，同时也避免了气基竖炉的工艺废气中所含粉尘与水结合形成污垢粘接在气体导流器1和冷却翅片3表面。
在正常生产过程当中，冷却器外部冷却水套6持续对散热翅片3进行冷却，冷却水套6由下部的冷却水套进水管12进行供水，由冷却水套进水管截止阀13进行控制。冷却水套6出水由上部的冷却水套出水管14进行出水，由冷却水套出水管截止阀15进行控制，并且冷却水套进出水截止阀处于常开状态。冷却水套6上方安装快速排气阀5，在正常生产过程中自动快速排出冷却水套6内可能因冷却而产生的蒸汽，避免因蒸汽无法排出而产生异常高压导致爆炸，同时可以避免蒸汽进入冷却水管路发生气塞现象，从而影响整体的冷却效果。快速排气阀5在正常生产过程中处于自动状态，自动监测冷却水套6内的压力，当检测到有异常气体产生高压时，自动打开快速排除气体消除隐患。冷却水套6下部安装冷却水套排污管16，通过冷却水套排污管截止阀17进行控制，正常生产时处于常关状态。
在气基竖炉停机检修或者发生故障需要排出冷却水时，关闭冷却水套进水管截止阀13和冷却水套出水管截止阀15，打开冷却水套排污管截止阀17，将冷却水排出。当无法排净冷却水套6中的冷却水时，将快速排气阀5由自动状态切换为手动状态并打开，使冷却水套6与大气连通，排出剩余冷却水。
在生产过程中，气体管路中的工艺气体时刻与翅片散热器与水套中的冷却水进行热换，此冷却效果由冷却水套中的初始温度及水流量的决定。冷却器内部由高压水雾化进行冷却，其冷却效果取决于初始温度和高压水水压，不同水压下，喷头所喷出的水流量有所变化，喷淋角度也随压力大小有小幅变化。
冷却器内部的高压喷水可根据实际生产过程中的冷却效果，选择是否打开高压喷水。高压水喷嘴2由3根高压水喷头供水支管8上所安装的高压水喷头供水支管流量调节阀9进行控制，可以全部打开或关闭3圈24个高压水喷头2，也可以开启或关闭上中下某一圈的高压水喷头2。高压水喷头供水支管流量调节阀9在控制开关的同时，也可以调节水压改变高压水流量，达到精确控制冷却效果的目的。如高压水喷嘴2损坏或堵塞，可在气基竖炉停机检修或者发生故障时，进行更换或者调整喷孔直径和喷淋角度，使冷却强度与后续的生产要求相匹配。
采用本用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置冷却后的热量计算举例如下：
气基竖炉产生的工艺废气为高压混合气体，其成分为H2、CO、CO2、CH4、N2和水蒸气；该工艺废气定压比热容为1.465kj/(m3·℃)、水的比热容为4.2kj/(L·℃)；每小时通过冷却器工艺废气流量为175524Nm3/h；进入冷却器工艺废气温度为180℃。
假设冷却水进入冷却水套的初始温度为25℃、出水温度为65℃，每小时流量为70m3，即70000L。高压水喷嘴在7bar的压力下全开所有24个喷嘴，上下两圈单个喷头的水流量为19.6L/min，中间一圈单个喷头的水流量为36L/min。高压水初始温度为25℃，经冷却后汽化为水蒸气即温度为100℃。
可以计算出全开24个喷嘴每小时的水流量为：
(19.6×16+36×8)×60＝36096L/h；
根据一般热量计算公式Q＝cm△t；
Q水套＝c水m水套△t水套＝4.2×70000×(65-25)＝11760000kj；
Q喷嘴＝c水m喷嘴△t喷嘴＝4.2*36096×(100-25)＝11370240kj；
Q冷却＝Q喷嘴+Q水套＝11760000+11370240＝23130240kj；
工艺废气变化温度为：
△t气＝Q冷却/(c气m气)＝23130240/(1.465×175524)＝89.95℃；
工艺气经冷却器后的温度为：T后＝180-90＝90℃。
其中：Q水套代表水套带走热量；c水代表水的比热容；m水套代表水套水流量；△t水套代表水套水温变化；Q喷嘴代表喷嘴带走热量；m喷嘴代表喷嘴水流量；△t喷嘴代表喷嘴水温变化；Q冷却代表总冷却热量；△t气代表工艺气变化温度；T后代表工艺气冷却后温度；c气代表工艺气比热容；m气代表工艺气流量。
Claims (6)
1.一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其特征在于：其包括冷却器壳体（4）、气体导流器（1）、散热翅片（3）、高压水喷嘴（2）和冷却水套（6）；所述冷却器壳体（4）为管状结构，并连通在工艺废气管道上；所述气体导流器（1）位于冷却器壳体（4）的内部；所述冷却水套（6）呈环形套在冷却器壳体（4）外部，且冷却水套（6）和冷却器壳体（4）之间留有供冷却水流通的环形通道；所述散热翅片（3）有若干片，若干片散热翅片（3）以气体导流器（1）为中心呈放射状环布一周，且散热翅片（3）外部一端均穿过冷却器壳体（4）后伸入冷却水套（6）内部或与冷却水套（6）内壁连接；所述高压水喷嘴（2）有若干个，高压水喷嘴（2）均位于冷却器壳体（4）和气体导流器（1）之间，且若干个高压水喷嘴（2）围绕气体导流器（1）设置至少一圈。
2.根据权利要求1所述的一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其特征在于：所述气体导流器（1）的外形为上下均为圆锥形、中部为圆柱形，且内部中空的结构；位于本冷却器内部中央与散热翅片（3）相连，由散热翅片（3）与冷却器壳体（4）进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其特征在于：所述高压水喷嘴（2）的喷射方向为气体导流器（1）。
4.根据权利要求1所述的一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其特征在于：所述高压水喷嘴（2）设置有三圈；三圈高压水喷嘴（2）分别设置在冷却器壳体（4）和气体导流器（1）之间的上部、中部和下部。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其特征在于：还包括喷头供水总管（10）、喷头供水支管（8）和喷头供水环管（7）；所述喷头供水支管（8）和喷头供水环管（7）的数量与高压水喷嘴（2）的圈数相同；所述喷头供水总管（10）一端连通高压水管路，另一端连接喷头供水支管（8）；所述喷头供水支管（8）与喷头供水环管（7）一一对应连通；所述喷头供水环管（7）均环绕冷却水套（6）外部一周，并与每圈的高压水喷嘴（2）对应连通。
6.根据权利要求5所述的一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置，其特征在于：每根喷头供水支管（8）上均设有支管流量调节阀（9）。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321529531.0U CN220062626U (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321529531.0U CN220062626U (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN220062626U true CN220062626U (zh) | 2023-11-21 |
Family
ID=88759332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202321529531.0U Active CN220062626U (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种用于气基竖炉工艺废气急速冷却的装置 |
Country Status (1)
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-
2023
- 2023-06-15 CN CN202321529531.0U patent/CN220062626U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
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