蒸发冷却器

蒸发冷却器可以看作是以水作为冷却介质的冷却器与冷却塔的组合式换热器。通常，在工业上为节省水冷式冷却器的用水，采用把水在冷却塔中冷却，循环使用。而蒸发冷却器则把冷却器和冷却塔组合为一体，被冷却的工艺流体在管内流动，水和空气同时在管外流动，管内流体的热量通过管外的水传给空气，达到冷却的目的。空气从蒸发冷却器下部的四周被吸入，从水平布置的传热管束间隙中通过，冷却水用循环水泵从蓄水池吸入并喷淋到传热管上，其中一部分水蒸发，剩余的水汇集到蓄水池中，与补给水一起供循环使用。工艺流体自管束的上联箱进入管束，从下联箱流出。

工作原理

蒸发冷却器属于喷雾式直接冷却设备，通过向高温烟气中直接喷水，用水雾的蒸发吸热，从而使转炉热烟气的温度由800～10000C降低到150～200℃范围内，再进入电除尘设备。蒸发冷却器设备简单、投资省、水和动力消耗不大，同时可以改善烟尘的比电阻；但是其会增加烟气量、含湿量、腐蚀性和烟气的黏结性。

蒸发冷却器在喷淋冷却塔内直接向流经塔内的高温烟气喷出水滴，依靠水升温时的显热和蒸发时的潜热吸收烟气的热量，使烟气降温。利用水的汽化潜热，降温效果好，用水量不多，水的蒸发而使烟气体积增加也很少，但是直接冷却方法不适宜烟气初始温度小于150℃的情况，同时降温的温度不能低于烟气的饱和温度(露点温度)，以免出现结露而产生设备腐蚀、堵塞管道等不良影响。因此，烟气通过蒸发冷却器降温后的温度要保持在150℃以上，一般会高于此温度20～30℃，所以烟气的出口温度应在170℃左右。

蒸发冷却器内的热烟气断面流速一般不宜大于1.5～2.0m/s，主要原因在于保证水滴所需要的蒸发时间小于烟气在蒸发冷却器内的停留时间，使烟气得到充分的冷却。因此，蒸发冷却器必须有一定的高度，此高度取决于蒸发冷却器内水滴的完全蒸发时间，而蒸发时间又与水滴的大小和烟气的进出口温度有关，因此，要求的水压较高，达到4～6MPa。

因此，在进行蒸发冷却器的设计及选型时，需要进行热平衡计算来确定水量和烟气量的匹配关系，利用热平衡计算结果来最终确定设备的结构尺寸。

结构组成

蒸发冷却器也叫蒸发冷却塔，其主要由塔本体、高温金属补偿器、水汽喷射装置、除灰装置以及入口烟气分配装置等部分组成。

喷射装置

在蒸发冷却器比邻汽化冷却烟道末端的管道内部，根据转炉容量的不同，均匀地分布着8~12个高压气雾喷枪。为实现蒸发冷却的目的，则喷雾颗粒必须达到足够细（平均100 μm），因此雾化喷嘴的结构比较特殊。

雾化方法有三种，氮气雾化、高压雾化和蒸汽雾化。一般都采用氮气雾化和蒸汽雾化的方法。其喷枪是双层结构，中心管路通水，外层通气（汽）。

喷水量小则对烟气降温和灭火的效果就差；喷水量大或者水不能雾化则使尘中带水，导致蒸发冷却器内壁结垢或沉降的灰尘板结刮出困难。

因此，喷枪的参数是至关重要的。目前国产喷枪的制造水平已经达到国际水平。

膨胀调节装置

为了调节汽化冷却烟道由热胀冷缩而引起的设备位移，在与汽化冷却烟道末端衔接处安置一个“膨胀调节装置”，起到“活套”作用。膨胀调节装置有两种，一种是金属膨胀节，一种是无收缩段溢流水封。目前在蒸发冷却器上应用的基本是金属膨胀节。

塔体

塔体由钢板焊接而成，为运输、吊装方便，可制作成两段或多段。体上有若干入孔或窥视孔。上端与膨胀调节器下端连接，下端与出灰器的U形管连接。

出灰装置

在塔身的下部设有出灰装置，通过扇形刮板将通过重力分离出的灰尘刮到链条输灰机上，经过气动插板阀、双层翻板阀送出。

每炉出钢后都必须认真刮灰，并随时观察刮灰链板的形状有无变化。蒸发冷却器香蕉弯处积灰过多，会形成“喉口”作用，增加系统阻力，会导致炉口处冒火，增加副系统负荷，甚至烧坏设备。

烟气分配器

蒸发冷却器内壁结灰块也是干法除尘系统普遍遇到的问题，结灰的原因很多，如喷嘴喷水的雾化状态不好等，但是，其根本原因在于进入蒸发冷却器的气流分布不均。如下图所示，喷枪喷射的水汽混合物在气流作用下中心线偏向汽化烟道侧壁，在蒸发冷却器内的两侧形成涡流。形成涡流的区域和喷枪水溅湿的区域容易蒸发冷却器内壁结垢。

烟气分配器

转炉炼钢过程

蒸发冷却器在此工艺过程中起着承前启后的作用，对静电除尘器的正常工作有着很大的影响。如果蒸发冷却器出口温度太高，烟气不允许进入静电除尘器，因为烟气温度高，粉尘比电阻升高，所以不利于除尘，烟气温度直接影响除尘效率，且影响较为明显。如果蒸发冷却器出口温度太低，在捕集粗颗粒粉尘的同时容易产生湿底、挂壁现象，增大蒸发冷却器输灰系统维护量，严重时影响转炉生产，且温度太低的烟气进入静电除尘器会引起结露，结露就会引起壳体腐蚀或高压爬电。蒸发冷却器的温度控制系统不仅关系到转炉一次除尘效果同时也关系到转炉正常生产的顺利进行。

蒸发冷却器的控制与转炉生产节奏密切相关，其主要工作在转炉吹氧阶段。转炉开始吹炼阶段，蒸发冷却器入口温度大于设定值，蒸汽切断阀打开，2秒之后，蒸汽调节阀以开度100%打开。同时，喷射水切断阀打开，2秒之后，喷射水调节阀打开，同时设定25%的开度。12秒后，蒸发冷却器出口温度大于设定温度时，或者喷射水调阀打开之后35秒，开始自动调节程序。

转炉吹炼结束时，氧气切断阀门关闭，蒸发冷却器入口温度、出口温度小于设定值，喷射水切断阀和调节阀关闭，20秒后，喷射水切断阀和调节阀关闭。

为避免转炉在吹氧前期温度变化陡升，吹氧结束温度变化陡降引起的喷射水控制大的超调，根据转炉生产工艺特点引入模糊控制算法，减少系统波动。