樂庸亮,程樹森

(1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京,100083;2.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室,北京,100083)

干法除塵技術(shù)較傳統(tǒng)的濕法除塵有很大的優(yōu)勢，它不僅投資小、占地少、除塵效率高、耗水量小、污染物排放量少，而且能高效利用高爐煤氣的余熱余壓，從而帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[1-3]。布袋除塵器是一種干式濾塵裝置，在高爐煤氣除塵系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，人們對其進行了多方面的研究。王冠[4]對布袋除塵器內(nèi)不同的導(dǎo)流板布置形式進行了比較和優(yōu)化研究。王飛等[5]對高爐煤氣袋式除塵器的入口段進行數(shù)值模擬，分析了氣相速度場和壓力場的分布情況。沈強[6]通過數(shù)值模擬方式分別研究了袋式除塵器內(nèi)加開口氣流分布板和加導(dǎo)流板時箱體內(nèi)部不同截面的速度場和壓力場。張景霞等[7]運用CFD軟件對袋式除塵器單元模塊的除塵空間氣流組織進行了數(shù)值模擬分析，并給出了不同位置的布袋在不同高度上的氣流速度圖。王志剛等[8]運用計算流體力學(xué)方法對除塵布袋進行了三維數(shù)值模擬，并考察了整個除塵系統(tǒng)的流量分配以及速度、壓力等的內(nèi)部分布規(guī)律。然而總的來說，對影響布袋除塵器內(nèi)煤氣流量分布的主要因素進行探討的還相對較少。

某鋼廠的一座高爐自采用全干法布袋除塵系統(tǒng)以來，運行一直良好，近來發(fā)現(xiàn)一些箱體內(nèi)的布袋燒爛、燒穿現(xiàn)象嚴重。經(jīng)初步分析，是由于進入不同箱體內(nèi)的煤氣流量差別巨大導(dǎo)致。進入煤氣量較多的箱體內(nèi)，布袋受到高溫煤氣的嚴重沖刷，煤氣中的大顆粒粉塵過分集中在這些箱體內(nèi)，導(dǎo)致布袋不堪重荷而燒爛、燒穿，嚴重影響了高爐的穩(wěn)定運行。

本文針對這一現(xiàn)象，擬采用Fluent軟件對布袋除塵系統(tǒng)內(nèi)的煤氣流分布情況進行數(shù)值模擬，重點研究煤氣在主管道和各個箱體內(nèi)的速度和流量分布，并通過改變?nèi)肟诿簹饬髁?、煤氣密度和管道直徑等參?shù)，對影響煤氣流分布的主要因素進行探討，以期為合理設(shè)置分流導(dǎo)板、延長布袋使用壽命、確保設(shè)備穩(wěn)定運行提供參考。

1 箱體及管道的計算模型

1.1 物理模型

本文側(cè)重于氣相流動的三維研究，暫不考慮傳質(zhì)、傳熱，僅從煤氣運動動力學(xué)的角度進行討論。為了便于計算和建模，適當(dāng)簡化模型，并做出如下假設(shè)：

(1)進入管道內(nèi)的煤氣為不可壓縮流體，粉塵顆粒在煤氣中分布均勻，且不考慮煤氣中各種粉塵顆粒對煤氣流運動的影響。

(2)由于研究對象主要為煤氣主管道和各個箱體入口處的流量，而箱體內(nèi)的布袋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且基本不會對煤氣進入箱體內(nèi)的流量產(chǎn)生影響，因此忽略箱體內(nèi)的布袋。

(3)由于主管道兩側(cè)的箱體為對稱結(jié)構(gòu)，為了簡化計算，只研究一側(cè)的箱體和煤氣主管道。

1.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

選擇k-ε湍流模型模擬氣相流動，采用SIMPLEC算法計算氣體的速度分布場。煤氣流的流動方程由質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律來確定。

(1)連續(xù)性方程

·(ρv)=0

(1)

(2)N-S方程

·(ρvv)=-p+[μ(v+vT)]+

ρg+F

(2)

(3)k-ε方程

k方程:

·(ρvk)=k]+Gk-ρε+Sk

(3)

ε方程:

·(ρvε)=ε]+

(4)

其中：

Gk=μtv·(v+vT)

(5)

(6)

式(1)～式(6)中:ρ為煤氣密度，kg/m3；v為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；μ為運動黏度，Pa·s；μt為湍流黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2；F為體積力,N；k為湍動能， m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3；Sk、Sε均為用戶定義的源項；其他物理量參見文獻[9]，按文獻[9]推薦取值，Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

煤氣在主管道的入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，出口邊界條件為箱體壓力出口，固體壁面均為無滑移壁面邊界條件并采用標準壁面函數(shù)。為了監(jiān)測各箱體的入口流量，將煤氣主管與各個箱體的煤氣支管的銜接面從左到右依次命名為face1、face2、…、face8,并將類型設(shè)為interior，主管道分為三節(jié)，直徑從左到右依次為1800、2200、2600 mm，如圖1所示。采用Gambit軟件包建模并分塊劃分網(wǎng)格,如圖2所示。

圖1 煤氣主管道Fig.1 Main pipe of the gas

圖2 箱體和主管道的網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Mesh model of the cabinets and main pipe

2 數(shù)值計算與分析

將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到Fluent軟件中進行計算。為了全面分析管道和箱體內(nèi)煤氣運動的速度云圖和速度矢量圖，分別建立不同方向的觀測面。當(dāng)入口煤氣速度設(shè)為38m/s時，箱體z軸方向主觀測面的速度云圖和速度矢量圖如圖3和圖4所示。

由圖3可見，從右到左，箱體出口處的煤氣速度總體上呈增大趨勢，同時由于出口處的煤氣管徑變小，導(dǎo)致出口處的煤氣速度較入口處有一定的增大。由圖4可見，煤氣沿著進氣管道進入箱體下部并沖擊灰斗底部，之后煤氣速度明顯降低，煤氣流從各個方向匯集到出口附近并逃逸，出口處的煤氣速度有了較大提高。

圖5為煤氣主管道的速度云圖。從圖5可以看出，煤氣在主管道內(nèi)的速度隨著煤氣的深入而整體上逐漸減小，但是在管道直徑減小的地方，煤氣速度有突然增大的現(xiàn)象。這是因為在煤氣流量一定的情況下，煤氣管道的橫截面積突然減小，導(dǎo)致單位面積通過的煤氣量增大，所以在此處的煤氣速度突然增大。

圖3 箱體z向主觀測面的速度云圖(由左至右分別為1#～8#箱體)Fig.3 Velocity contour viewed from z direction (from left to right are 1#～8# cabinets)

圖4 箱體z向主觀測面的速度矢量圖及2#箱體局部放大部分Fig.4 Velocity vector contour of the cabinets and its enlarged parts

(a)y=0

(b)z=0

圖6為主煤氣管道的速度矢量圖。由圖6可見，主管道內(nèi)的煤氣由于不斷進入箱體，速度越來越小。在煤氣管道直徑將要變化的地方，煤氣管道中心處的速度比兩側(cè)的速度明顯要大。從D部放大圖中可以看到，在煤氣管道盡頭處有輕微的回流現(xiàn)象發(fā)生，這是由于煤氣到達管壁處而產(chǎn)生速度反向,但由于此時煤氣速度較低，所以回流的強度不是太大。

圖6 煤氣主管的速度矢量圖及其局部放大(z=0)Fig.6 Velocity vector contour of the main pipe and its enlarged parts

3 煤氣流量分布的影響因素分析

3.1 入口煤氣流量

在煤氣密度設(shè)為1.3 kg/m3的條件下，將主管的入口煤氣流量Q分別設(shè)為100、200、300 kg/s,此時各個箱體的入口煤氣量占主管入口煤氣總量的質(zhì)量分數(shù)如圖7所示。

圖7 不同煤氣流量下進入各個箱體的煤氣質(zhì)量分數(shù)

Fig.7Massfractionofgasintodifferentcabinetsatdifferentinletgasflow-rates

由圖7可以看出，盡管進入不同箱體的煤氣量差別很大，但是主管入口煤氣流量不同時，進入同一箱體的煤氣質(zhì)量分數(shù)保持相對穩(wěn)定。對于同一入口煤氣流量，相同主管直徑上的1#～3#箱體、4#～5#箱體、6#～8#箱體的入口煤氣量都分別在依次降低，而在3#～4#、5#～6#箱體之間的煤氣流量突然增大。對于不同的主管入口煤氣流量，這一變化趨勢沒有改變，可見，不同的主管入口煤氣流量不是導(dǎo)致箱體內(nèi)煤氣流量分布發(fā)生變化的主要因素。

3.2 煤氣密度

控制煤氣主管的入口流量為200 kg/s，依次將入口煤氣密度ρ設(shè)為1.1、1.3、1.5 kg/m3，統(tǒng)計進入各個箱體的煤氣質(zhì)量分數(shù)，如圖8所示。

圖8 不同煤氣密度下進入各個箱體的煤氣質(zhì)量分數(shù)

Fig.8Massfractionofgasintodifferentcabinetsatdifferentinletgasdensities

由圖8可以看出，盡管進入各個箱體的煤氣質(zhì)量分數(shù)有所波動，但是煤氣密度不同時，各個箱體內(nèi)的煤氣流量分布沒有明顯的變化，且和圖7中的煤氣流量分布趨勢基本保持一致。這表明煤氣密度也不是影響煤氣在各個箱體內(nèi)分布情況的主要因素。

3.3 主管道直徑

從上述研究結(jié)果中可以看到，在煤氣主管徑突變的4#、6#箱體處，煤氣速度和進入箱體的流量都有明顯變化，由此推測煤氣主管道的直徑對箱體煤氣的分布規(guī)律有一定的影響。

保持模型原有尺寸，只是將三節(jié)主管道的直徑改為同一值2200 mm，其余參數(shù)不變。煤氣密度定為1.3 kg/m3，分別設(shè)定煤氣的入口流量Q為100、200、300 kg/s，統(tǒng)計各個箱體入口煤氣質(zhì)量分數(shù)，如圖9所示。

由圖9可見，主管入口煤氣流量不同時，同一箱體的入口煤氣質(zhì)量分數(shù)變化很小，而不同箱體的入口煤氣質(zhì)量分數(shù)從1#～8#依次降低，并沒有出現(xiàn)在某一箱體處的突變情況。對比圖7、圖8和圖9可知，煤氣主管道的直徑在影響各個箱體的煤氣流量分布規(guī)律方面起著決定性的作用。

當(dāng)三節(jié)管道直徑同為2200 mm時,設(shè)主管道入口煤氣流量為200 kg/s、煤氣密度為1.3 kg/m3，此時主管道的速度云圖如圖10所示。

圖9 主管徑不變時進入各個箱體的煤氣質(zhì)量分數(shù)

Fig.9Massfractionofgasintodifferentcabinetswiththesamediameterofmainpipe

(a)z=0

(b)y=0

由圖10可以看出，當(dāng)煤氣主管道直徑不變時，煤氣速度變化非常有規(guī)律，不會由于管徑變化而在某一位置出現(xiàn)煤氣流速度突增的現(xiàn)象。隨著管道的深入，煤氣速度分段減小的趨勢非常明顯。在圖10中還可注意到，煤氣速度明顯減小的地方都是主管兩側(cè)連接有支管的地方，由于一部分煤氣流通過煤氣支管進入箱體，導(dǎo)致主管通過的煤氣流量逐漸減小，進而煤氣速度也會逐漸減小。考慮到煤氣速度和流量的關(guān)系可知，當(dāng)主管道直徑不變時，煤氣流量分布不再有突變，這也從側(cè)面驗證了圖9中煤氣流量分布統(tǒng)計的合理性。

綜上所述，煤氣主管直徑對煤氣流量在不同箱體內(nèi)的分布規(guī)律影響重大,而煤氣主管的入口煤氣流量和煤氣密度則對煤氣流量的分布規(guī)律影響不大。要想改善袋式除塵器的布袋燒穿、燒爛現(xiàn)象，必須控制煤氣在不同箱體的流量分布，使其分布趨于合理均勻?？紤]到在目前條件下改變煤氣管道直徑不大現(xiàn)實，建議在流量較大的1#、4#、6#箱體入口處適當(dāng)增加導(dǎo)流板來分流煤氣，使得進入各箱體的煤氣量變得均勻，減少對布袋的沖刷。導(dǎo)流板的具體位置和尺寸需要結(jié)合現(xiàn)場情況和測試數(shù)據(jù)進行進一步的模擬和分析。

4 結(jié)論

(1)入口煤氣流量、煤氣密度不同時，各個箱體的煤氣流量分布規(guī)律基本相同?？偟膩碚f，距離煤氣主管入口越遠，箱體入口煤氣流量越大，但靠近管道直徑發(fā)生變化處的箱體，其煤氣流量會發(fā)生突變。

(2)當(dāng)煤氣主管直徑不變時，隨著管道的深入，煤氣速度呈減小趨勢，而進入各個箱體的煤氣流量隨著其與入口距離的增加呈增大趨勢，煤氣速度和流量都沒有發(fā)生突變。

(3)煤氣主管直徑對煤氣在不同箱體內(nèi)的流量分布規(guī)律產(chǎn)生較大的影響?？梢酝ㄟ^改變煤氣管道的直徑和長度來使各箱體的煤氣分布更加均勻合理?？紤]到實際布袋除塵器的煤氣主管道改造工程量和費用，建議在煤氣流量偏大的1#、4#、6#箱體入口處增加導(dǎo)流板來分流煤氣。

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[6] 沈強.袋式除塵器內(nèi)氣流場的數(shù)值模擬[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

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