热风炉系统煤气引射器的设计与实验

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 文章编号 : 　1005—0329 (2008) 09—0001—05 试验研究 热风炉系统煤气引射器的设计与实验 张喜来 1 ,靳世平 1 ,黄素逸 1 ,田国庆 2 (1. 华中科技大学 ,湖北 武汉 　430074; 2. 中冶南方工程技术有限公司 ,湖北 武汉 　430223) 摘 　要 : 　为解决煤气引射器出现的高炉煤气倒灌问题 ,采用一维设计方法对其进行了重新设计。设计时用速度系数 ξ1、ξ2、ξ3、ξ4描述引射器四个关键部分的阻力损失 ,实验得到其值分别为 0. 936、0. 563、0. 951、0. 912。采用自由射流的经 验公式设计引射器喉嘴距 ,并实验得到紊流系数α为 0. 24,远大于自由射流的 0. 066。新设计的引射器已在安钢集团投 入运行 ,完全满足设计要求。 关键词 : 　引射器 ; 喉嘴距 ; 煤气混合 ; 设计 ; 实验 中图分类号 : 　TH48　　　　文献标识码 : 　A D esign and Exper im en t of the Ga s Ejector of Hot Bla st Stove ZHANG Xi2lai1 , J IN Shi2p ing1 , HUANG Su2yi1 , TIAN Guo2qing2 (1. Huazhong University of Science and Technology, W uhan 430074, China; 2. W isdriI Engineering & Research Incorporation L im ited,W uhan 430223, China) Abstract:　 In order to p revent the blast furnace gas reverse into the coke oven gas p ipe, 12D method is app lied to redesign the gas ejector. The resistance loss of the four key parts of the ejector is described byξ1 , ξ2 , ξ3 andξ4. The values of the four veloc2 ity coefficient are 0. 936, 0. 563, 0. 951 and 0. 912, which are obtained in experiments. The nozzle position of the gas ejector was calculated adop ting the theory of subsonic free jet. The turbulence numberα obtained in experiments is 0. 24, which is far bigger than that of the free jet. The new designed gas ejector has already been taken into use in Anyang Steel Company, and it works very well. Key words:　ejector; nozzle position; gas m ixing; design; experiment 符 　　号 P2 ———接受室内压力 , Pa Pj———焦炉煤气管道压力 , Pa φ———接受室压力系数 Pk ———引射器出口压力 , Pa Pg, c ———高炉煤气临界压力 , Pa Pg ———高炉煤气管道压力 , Pa κg ———高炉煤气绝热指数 Tg, p ———高炉煤气在喷嘴出口的温度 , K Tg ———高炉煤气滞止温度 , K cg ———高炉煤气定压比热容 , J / ( kg·K) v′g, p ———高炉煤气在喷嘴出口等熵速度 , m / s ξ1 ———喷嘴速度系数 vg, p ———高炉煤气在喷嘴出口实际速度 , m / s Fp ———喷嘴出口面积 , m2 Q g ———高炉煤气体积流量 , m3 / s ρg ———高炉煤气管道密度 , kg/m3 ρg, p ———高炉煤气在喷嘴出口密度 , kg/m3 Rp ———喷嘴出口半径 , mm Tj, i———焦炉煤气在混合室入口的温度 , K Tj———焦炉煤气滞止温度 , K κj———焦炉煤气绝热指数 v′j, i ———焦炉煤气在混合室入口等熵速度 , m / s 收稿日期 : 　2008—04—07　修稿日期 : 　2008—08—14 基金项目 : 　“973” 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 子课题 (2007CB206901) 12008年第 36卷第 09期 　　　　　　　　　　流 　体 　机 　械 　　　　　　　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　ξ2 ———接受室速度系数 vj, i———焦炉煤气在混合室入口实际速度 , m / s cj———焦炉煤气定压比热容 , J / ( kg·K) Fj———焦炉煤气流通截面积 , m2 Q j———焦炉煤气体积流量 , m3 / s ρj———焦炉煤气管道密度 , kg/m3 ρj, i ———高炉煤气在喷嘴出口密度 , kg/m3 F3 ———混合室截面积 , m2 R3 ———混合室截面半径 , mm vo ———混合室出口平均速度 , m / s ξ3 ———混合室速度系数 m g ———高炉煤气质量流量 , kg/ s m j———焦炉煤气质量流量 , kg/ s Po ———混合室出口压力 , Pa ρo ———混合室出口流体密度 , kg/m3 ρi———混合室入口流体密度 , kg/m3 ξ4 ———扩压室速度系数 θ———射流扩散角 α———紊流系数 L ———截面与喷嘴出口距离 , mm RL ———距喷嘴出口 L处截面半径 , mm H ———喉嘴距 , mm 1　前言 热风炉风温的提高是实现高炉优质、高产和 低耗的重要条件。高炉煤气是热风炉的主要燃 料 ,其低热值限制了热风温度的提高 ,安钢集团采 用向高炉煤气中掺入焦炉煤气的方法提高了燃料 热值。该技术应用在 5座 300m3高炉上 ,使热风 炉风温提高了 51℃[ 1、2 ]。焦炉煤气压力低于高炉 煤气 ,经过技术经济性对比 ,安钢集团采用煤气引 射器将焦炉煤气引入高炉煤气管道 [ 2 ]。这一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 投资小 ,设备简单 ,不增加运行费用 ,在新建的 2200m3高炉上仍使用这一技术。但在方案实施中 只是将原小型引射器按比例放大 ,出现了高炉煤 气倒流入焦炉煤气管道的事故。针对运行中出现 的问题 ,文中对引射器进行了重新设计。 引射器是一种不借助机械力、用高压流体吸 收低压流体的装置 ,主要由喷嘴、接受室、混合室 和扩压室 4个部分组成 ,如图 1所示。其工作原 理为 ,高压工作流体经过喷嘴后速度升高 ,压力降 低 ,将被引射流体吸入接受室 ,两股流体在混合室 内逐渐混合为一股流体 ,然后经过扩压室恢复压 力后进入后续 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。引射器没有运动部件、结构 简单、运行可靠 ,在工业上有广泛应用。 图 1　引射器结构示意 尽管引射器结构简单 ,但其内部气体相互作 用机理十分复杂 ,目前在工程设计中大多采用一 些基于一维分析方法的经验公式。前苏联的索科 洛夫等对多种类型的引射器进行了实验研究 [ 3 ] , 其提出的设计公式和经验系数目前仍被大量采 用。索科洛夫法适用面较广 ,但考虑工作流体在 喷嘴、被引射流体在接受室、混合流体在混合室及 扩压室的损失时 ,对各种引射器都引入了相同的 速度系数 (ξ1、ξ2、ξ3、ξ4 ) ,设计精度不高。一些研 究人员在理论推导的基础上 ,对 4个速度系数进 行了一定的优化 [ 4、5 ] ,但是由于影响因素复杂 ,实 验仍是确定这些系数的最主要工具。 本文基于一维设计理论 ,针对煤气引射器的 特殊要求 ,对其进行了重新设计。在设计过程中 仍用到了索科洛夫提出的 4个速度系数 ,但系数 值是通过实验得到的。 2　引射器设计 2. 1　接受室内压力 P2的确定 若要高炉煤气能够引射焦炉煤气 ,则 P2应小 于焦炉煤气压力 Pj ,令 : P2 =φPj (1) 系数φ( 0 <φ < 1 )越小 P2也越小 ,高炉煤气 倒灌的概率就低。P2的降低是靠高炉煤气速度升 高、静压降低得到的 ,此过程会产生能量损失。为 保证引射器的效率 ,φ不能无限制减小。设计时 先给定φ的一个初值 ,计算得到引射器出口压力 Pk。若 Pk等于限定压力 ,则设计完成。若 Pk大于 限定值 , 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 P2有进一步减小的余量 ,这样能够 更有效地防止高炉煤气倒流入焦炉煤气管道。若 Pk小于限定压力 ,可增大 P2重新迭代计算 ,如果 P2等于 Pj后仍不能满足要求 ,说明设计参数定的 过高 ,应作调整。 2. 2　高炉煤气喷嘴设计 首先判断 P2与高炉煤气临界压力 Pg, c大小。 2 　　　　　　　　　　　　　　FLU ID MACH INERY　　　　　　　　　　　Vol136, No109, 2008 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 若 P2 < Pg, c ,则高炉煤气在喷嘴出口为超音速流 动 ,选用缩放喷嘴 ;若 P2 ≥Pg, c ,则选用渐缩喷嘴。 Pg, c = Pg [ 2 / (κg + 1) ]κg / (κg - 1) (2) 文中高炉煤气为亚音速流动 ,选用渐缩喷嘴。 高炉煤气在喷嘴内的流动视为等熵过程 ,则其在 喷嘴出口的温度为 : Tg, p = Tg ( P2 / Pg ) (κg - 1) /κg (3) 高炉煤气在喷嘴出口等熵速度为 : v′g, p = [ 2cg ( Tg - Tg, p ) ]1 /2 (4) 引入速度系数ξ1 (引射器模型设计时采用文 献的推荐值 ,实际设计中采用实验结果 ,ξ2、ξ3、ξ4 用同样方法确定 )描述喷嘴的阻力损失 ,喷嘴出口 实际速度为 : vg, p =ξ1 v′g, p (5) 由质量守恒方程可得喷嘴出口面积为 : Fp = (Qgρg ) / (ρg, p vg, p ) (6) 喷嘴出口半径为 : Rp = ( Fp /π) 1 /2 (7) 2. 3　混合室设计 2. 3. 1　混合室直径计算 简化认为高炉煤气和焦炉煤气在图 1中的截 面 1与 2之间不混合 ,则在混合室入口处高炉煤 气流道截面为图 1中的阴影部分 ,焦炉煤气流道 截面为图 1中的环形部分。焦炉煤气进入混合室 的过程仍视为等熵过程 ,则混合室入口处焦炉煤 气温度为 : Tj, i = Tj ( P2 / Pj ) (κj - 1) /κj (8) 焦炉煤气在混合室入口的等熵速度为 : v′j, i = [ 2cj ( Tj - Tj, i ) ]1 /2 (9) 用系数ξ2描述焦炉煤气的阻力损失 ,焦炉煤 气实际速度为 : vj, i =ξ2 v′j, i (10) 根据质量守恒 ,焦炉煤气流通截面积为 : Fj = (Q jρj ) / (ρj, i vj, i ) (11) 混合室入口面积为 : F3 = Fp + Fj (12) 则混合室半径 : R3 = ( F3 /π) 1 /2 (13) 2. 3. 2　混合室长度的设计 混合室的作用是使两股流体能够混合均匀 , 减少在扩压室的能量损失 ,因此混合室必须有一 定的长度。混合室长度的增加又会增大沿程阻力 损失 ,故其又不能过长。由于流体的混合过程十 分复杂 ,目前还没有混合室长度的准确计算方法 , 主要依据是实验数据。索科洛夫等进行了大量的 实验 ,认为混合室长度取 6～10倍的混合室直径 可以满足要求 [ 3 ]。 2. 4　校核 确定了喷嘴和混合室结构 ,还需要校核出口 压力是否满足设计要求。计算时认为两股流体在 混合室出口处已混合均匀 ,平均流速为 vo。引入 动量损失系数ξ3 ,对混合室应用动量守恒方程为 : 　　　ξ3 (m g vg, p +m j vj, i ) - (m g +m j ) vo 　　 = ( Po - P2 ) F3 (14) 根据质量守恒定理为 : ρo vo F3 =m g +m j (15) 简化认为流体在混合室进、出口的温度不变 , 根据理想气体定理为 : Po /ρo = P2 /ρi (16) 混合室入口处流体平均密度ρi : ρi = (m g +m j ) / ( vg, p Fp + vj, i Fj ) (17) 用系数ξ4 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示扩压室的阻力损失 ,则引射器 出口流体总压 Pk为 : Pk = (ξ4ρo v2o ) /2 + Po (18) 对比 Pk与引射器出口压力设计值 ,判断是否 满足要求。若 Pk小于设计值 ,则返回式 ( 1 )进行 重新计算。 2. 5　喉嘴距设计 在得到喷嘴出口和混合室入口的半径后 ,最 关键的是确定两者之间的距离 (即喉嘴距 ,图 2中 的 H)。已有的研究发现 H有一个最佳值 ,在此值 下能得到最大的引射系数 [ 6、7 ] ,但是该值的计算还 没有公认准确的方法 ,本文借鉴自由射流的经验 理论对喉嘴距进行设计。引射器内流动过程实际 为受限射流 ,但通过对相关经验系数进行实验修 正 ,使用自由射流模型分析引射器内流动情况能 够满足工程设计需要。 图 2　高炉煤气受限射流示意 如图 2所示 ,高炉煤气从喷口射出 ,由于卷吸 焦炉煤气 ,射流断面直径逐渐增大。射流边界的 32008年第 36卷第 09期 　　　　　　　　　　流 　体 　机 　械 　　　　　　　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 延长线与喷嘴轴线交于射流极点 o。射流边界与 喷嘴轴线的夹角θ为射流扩散角。对自由射流问 题 ,θ满足经验公式 [ 8 ] : tanθ= 3. 4α (19) 紊流系数α与射流出口的湍流度和速度分布 均匀程度有关 ,湍流度越大、速度分布越不均匀 ,α 越大。在自由射流情况下 ,收缩很好的圆形喷嘴 的紊流系数为 0. 066[ 8 ]。受限射流中若采用式 (19)的形式 ,需要重新实验测定α。在θ确定后 , 与喷嘴出口的距离为 L 的截面的半径 RL满足以 下关系 [ 8 ] : RL /Rp = 1 + 3. 4αL /Rp (20) 喷嘴位于图 2所示的位置时 ,射流在混合室 入口处截面半径等于 R3 ,引射器的工作情况是最 佳的。根据式 (20) ,喉嘴距最佳值为 : H = Rp (R3 /Rp - 1) / (3. 4α) (21) 当喉嘴距 H大于最佳值时 ,射流进入混合室 时其截面半径大于 R3 ,将导致射流外围撞击接受 室壁面 ,在接受室内形成漩涡 ,降低引射系数 ,如 图 3所示。随着喉嘴距的进一步增大 ,这一作用 会越来越显著 ,严重时会使高炉煤气倒流入焦炉 煤气中 ,原引射器在运行中出现的事故即有这方 面原因。 图 3　H大于最佳值时引射器流场示意 当 H小于最佳值时 ,两种流体混合过程会受 到混合室壁面的约束作用 ,而且焦炉煤气的流通 截面有所减小 (见图 2～4中的标示 ) ,这相当于有 一个节流效应 ,增加了焦炉煤气进入混合室的阻 力 ,因此也会使引射系数降低。 图 4　H小于最佳值时引射器流场示意 3　实验研究 在设计过程中引入了 5个系数ξ1、ξ2、ξ3、ξ4及 α,需要通过实验获得。在实验模型设计时 ,仍采 用索科洛夫给出的速度系数 (ξ1 = 0. 95、ξ2 = 0. 925、ξ3 = 0. 975、ξ4 = 0. 9 ) [ 3 ] ,然后实验得到其 修正值。固定其它几何结构及流动参数 ,移动喷 嘴位置找到使引射系数最大的最佳喉嘴距 ,根据 式 (21)即可得到α。通过模型实验得到 5个系数 的实验结果后 ,再应用到实际引射器设计中。以 上系数主要受到引射器几何结构和流动参数的影 响 ,实验模型采用与实际引射器几何相似的结构 , 气体压力与现场煤气压力相同。由于安全原因 , 实验中采用空气代替高炉煤气和焦炉煤气。 3. 1　实验装置及方案 图 5为实验流程示意图 ,采用两台离心风机 模拟高炉煤气与焦炉煤气。喷嘴可前后调节以改 变喉嘴距 H大小。为减少流量计阻力损失 ,实验 中采用毕托管测量流体速度 ,与截面积相乘得到 流量。在管道及引射器模型上共预留了五个静压 测点 ,每个测点同时又可以作为温度测点。在得 到流速、静压、静温后 ,可计算得到气流的滞止压 力和温度。 图 5　引射器实验装置示意 实验时调节 3个阀门 ,使 Pg、Pj、Pk为设计值。 移动喷嘴位置 ,将 H分别设置为 0、20、40、60和 80mm,每次移动喷嘴后微调阀门 ,保证 Pg、Pj、Pk 不变。在每个喉嘴距值下测量工作流体与被引射 流体流量 ,计算引射系数 ,找到最佳喉嘴距。在最 佳喉嘴距下 ,测量 Qg、Q j、Tg、Tj、P2、Po。为降低实 验误差 ,每组数据都记录三次取平均值。 3. 2　实验结果及分析 实验发现在喉嘴距 H为 60mm时被引射流体 流量已经很小 ,难以准确测量。H为 80mm时工 作流体倒流入被引射流体管道 ,说明此时喉嘴距 4 　　　　　　　　　　　　　　FLU ID MACH INERY　　　　　　　　　　　Vol136, No109, 2008 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 已经过大。图 6所示为引射系数与喉嘴距的关 系 ,由三个实验点可拟合得到一条曲线 ,曲线最高 点对应的 H = 16mm即为最佳喉嘴距。由式 ( 21 ) 可得到引射器的紊流系数α为 0. 24,远大于自由 射流的值 ,说明引射器内受限射流比自由射流的 扩散角明显增大。 图 6　引射系数与喉嘴距关系实验结果 实验得到最佳喉嘴距下的 Qg、Q j、Tg、Tj、P2、 Po值后 ,根据式 (3) ～ ( 18 ) ,可以计算得到 4个速 度系数分别为ξ1 = 0. 936、ξ2 = 0. 563、ξ3 = 0. 951、 ξ4 = 0. 912。与索科洛夫的实验结果相比 ,其它 3 个系数接近 ,ξ2明显偏小。差别产生的主要原因 是实验引射器采用亚音速渐缩喷管 ,体积较大 ,被 引射流体进入接受室后首先撞击工作流体喷嘴 , 产生很大的能量损失。而索科洛夫所研究的蒸汽 引射器采用超音速喷嘴 ,体积小 ,对被引射流体流 动的影响较小 ,有相对较高的速度系数。ξ2低说 明引射器的接受室结构还有很大的改进余地 ,通 过合理改进被引射流体的进气方式 ,引射器性能 还能得到一定提高。 4　结论 (1)采用一维设计方法对煤气引射器进行了 设计 ,目前该设备已经投入运行。由于生产条件 的改变 ,现场高炉煤气的实际压力低于设计值 ,对 引射器工作有不利的影响 ,但是引射器仍能安全 运行 ,说明本文的设计方法是可靠的。 　　 (2)在设计中引入了 5个经验系数 ,并进行了 实验测定 ,实验结果与传统经验值不完全一致 ,说 明实验在引射器设计中是必要的。 (3)引射器喉嘴距有一个最佳值 ,偏离此值 会使引射系数降低 ,尤其是喉嘴距过大时有可能 引起工作流体倒流入被引射流体管道。可以采用 自由射流的经验公式设计引射器的喉嘴距 ,但必 须对紊流系数进行修正。 (4)一维设计方法在设计过程中进行了大量 近似与简化 ,而且需要通过实验测定一些经验系 数 ,因此这一方法的精度低、通用性差。近年快速 发展的 CFD技术能够弥补以上不足 ,提高精度、 代替部分实验。随着该技术的进一步发展与完 善 ,有希望在引射器设计、分析方面起到越来越重 要的作用。 参考文献 [ 1 ]　崔灵杰 ,蒋素芳 ,刘振宏 ,等. 引射器在高炉煤气富 化中的应用 [ J ]. 河南冶金 , 2000, (4) : 9211. 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