劉 洋 魯新義 夏江濤 李 華 鐘 毅

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北武漢430080)

轉(zhuǎn)爐濕法除塵環(huán)縫洗滌器故障分析與改進(jìn)

劉 洋①魯新義 夏江濤 李 華 鐘 毅

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北武漢430080)

針對(duì)武鋼轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器易磨損的問(wèn)題，對(duì)除塵噴淋水水質(zhì)、水壓和水量進(jìn)行了檢測(cè)與分析，并利用CFD軟件對(duì)環(huán)縫洗滌器內(nèi)部流場(chǎng)和磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，噴淋水水質(zhì)、水壓和水量不達(dá)標(biāo)，環(huán)縫洗滌器內(nèi)部流場(chǎng)紊亂和尾部渦流是導(dǎo)致環(huán)縫易磨損的根本原因。通過(guò)噴淋水過(guò)濾裝置開(kāi)發(fā)和控制系統(tǒng)升級(jí)，以及帶尾椎井條形內(nèi)錐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了噴淋水系統(tǒng)和內(nèi)部流場(chǎng)紊亂的問(wèn)題，環(huán)縫使用壽命大幅度提高。

環(huán)縫洗滌器 OG系統(tǒng) 內(nèi)錐體 除塵

氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程排出的高濕煙氣中，一氧化碳含量一般均在60%以上，還有約占鋼產(chǎn)量2%、含鐵60%以上的金屬粉塵[1]，為了防止大氣污染以及能源回收利用需求，需要對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)行凈化處理。目前，轉(zhuǎn)爐煙氣除塵凈化系統(tǒng)分為干法除塵和濕法除塵[2]。干法主要采用靜電除塵器，而濕法主要采用OG凈化系統(tǒng)。隨著OG系統(tǒng)和設(shè)備的不斷完善和改進(jìn)，OG凈化系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐煙氣除塵的主要方式，而且也是未來(lái)行業(yè)的發(fā)展方向。武鋼某煉鋼廠采用的也是OG系統(tǒng)，但通過(guò)多年的實(shí)際運(yùn)用，逐漸暴露出一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在環(huán)縫洗滌器內(nèi)錐體前端和外殼體直管段易磨損等方面，導(dǎo)致環(huán)縫洗滌器除塵效率下降，煤氣回收質(zhì)量不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，煙氣排放濃度增加，甚至存在煤氣泄露導(dǎo)致人員中毒的巨大安全隱患，因此對(duì)轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器系統(tǒng)的研究與改進(jìn)迫在眉睫。

1 OG系統(tǒng)設(shè)備及工藝流程簡(jiǎn)介

OG裝置是回收轉(zhuǎn)爐煤氣的重要設(shè)施[3]，武鋼四煉鋼OG系統(tǒng)的工藝流程如圖1。轉(zhuǎn)爐煙氣在主風(fēng)機(jī)吸力的作用下從轉(zhuǎn)爐上方吸入到汽化煙道內(nèi)，并通過(guò)汽化煙道頂端的鍋爐系統(tǒng)對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收，然后低溫?zé)煔鈴捻敳窟M(jìn)入環(huán)縫洗滌器上部的洗滌塔進(jìn)行降溫和粗除塵，接著氣體進(jìn)入下部的環(huán)縫洗滌器進(jìn)行精除塵，經(jīng)除塵后的氣體由下部進(jìn)入筒體進(jìn)行脫水，最后經(jīng)降溫除塵的凈煤氣流向三通閥。當(dāng)煙氣CO含量符合回收要求時(shí)，煙氣直接進(jìn)入煤氣儲(chǔ)柜進(jìn)行儲(chǔ)存，在煙氣不合格時(shí)則通過(guò)三通切換閥將煙氣送至放散管點(diǎn)火放散。

圖1 OG系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 環(huán)縫洗滌器實(shí)物圖

在整個(gè)OG系統(tǒng)中，比肖夫系統(tǒng)[4](環(huán)縫洗滌系統(tǒng)，如圖2)是煙氣除塵系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要有飽和噴淋冷卻塔和可調(diào)環(huán)縫洗滌器(RSW)。環(huán)縫洗滌器由固定的文丘里外殼、可上下移動(dòng)的內(nèi)錐體、驅(qū)動(dòng)油缸裝置、導(dǎo)向裝置和連接裝置組成[5]。通過(guò)液壓裝置可以推動(dòng)內(nèi)錐體在外殼體內(nèi)上下垂直移動(dòng)，并改變內(nèi)錐體和外殼之間環(huán)縫的間距，從而調(diào)節(jié)壓力，因此環(huán)縫洗滌器對(duì)塔內(nèi)的精除塵和壓力調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要的作用[6]。

2 環(huán)縫洗滌器現(xiàn)狀分析

在實(shí)際使用過(guò)程中，環(huán)縫洗滌器磨損的主要部位是內(nèi)錐體(如圖3)(說(shuō)明：圖中黑色水滴形是內(nèi)錐體磨損后產(chǎn)生的水滴型孔洞)和外殼體(如圖4)。初步分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)縫洗滌器磨損的原因有多個(gè)方面，一是由于氣流夾帶的固體顆粒尚未完全去除，在高速流動(dòng)中對(duì)洗滌器基材進(jìn)行噴砂型沖蝕，二是由于高速煙氣(100m/s)在冷卻過(guò)程中與液滴進(jìn)行混合形成噴射型沖蝕。

圖3 環(huán)縫洗滌器內(nèi)錐體磨損情況

圖4 環(huán)縫洗滌器外殼體磨損情況

為了進(jìn)一步查找原因，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢測(cè)和分析，并利用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)環(huán)縫內(nèi)部流場(chǎng)和磨損情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.1 除塵噴淋水水質(zhì)及水量和水壓測(cè)量與分析

表1 除塵噴淋水設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，除塵噴淋水的壓力、流量和固體懸浮物等參數(shù)均不達(dá)標(biāo)，而且三個(gè)環(huán)縫噴頭噴水量不均衡，導(dǎo)致錐體表面水膜擾動(dòng)，煤氣和灰塵沖刷錐體表面氧化保護(hù)層，加速了錐體表面局部損壞，而且當(dāng)錐體表面出現(xiàn)小孔后，錐體磨損會(huì)進(jìn)一步加劇，嚴(yán)重縮短了內(nèi)錐體使用壽命，因此噴淋水水質(zhì)、水量和水壓?jiǎn)栴}是導(dǎo)致環(huán)縫易磨損的一個(gè)主要原因。

2.2 環(huán)縫模型建立

為了最大限度模擬環(huán)縫系統(tǒng)實(shí)際工況，研究環(huán)縫內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，按照實(shí)際尺寸1∶1的比例建立了環(huán)縫系統(tǒng)模型(如圖5)。由于該模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在ICEM CFD中對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)口、出口等對(duì)流動(dòng)影響大的位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密(圖6之后的系列矢量圖中左側(cè)數(shù)字大小已修改)。

圖5 環(huán)縫文氏管三維模型

圖6 空氣速度矢量圖

2.3 前處理設(shè)置

轉(zhuǎn)爐煙氣中有粉塵顆粒、氣體和霧化水顆粒，實(shí)際上是一個(gè)融合固體、氣體和液體的三相流動(dòng)。由于分析的重點(diǎn)是環(huán)縫物理模型內(nèi)部的流動(dòng)情況，因此模擬中用理想空氣代替煙氣并忽略液相，只考慮氣固兩相流。其中氣相湍流模型選擇k-ε湍流模型，固體顆粒選擇離散相(Dispersed Solid)模型，磨損模型選擇Tabakoff模型。模型中參數(shù)按實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中固體顆粒粒徑為50μm，進(jìn)口速度為14m/s，固相入口速度與氣相相同，其質(zhì)量流量為50kg/s，壓力設(shè)置為101kPa，壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，固相碰壁反彈設(shè)為剛性反彈，系數(shù)均設(shè)置為1。

2.4 系統(tǒng)分析

2.4.1 流場(chǎng)分析

從圖6中可以看出，從文氏管喉口處開(kāi)始，由于截面積減少，使得空氣和顆粒的速度迅速增大并在內(nèi)錐體底部形成了比較大的漩渦；文氏管漸縮，空氣和顆粒在喉口處雖然被迫改變方向，但仍有部分空氣和顆粒以一定角度沖向內(nèi)錐體，加劇了該處的磨損；此外，在導(dǎo)桿與內(nèi)錐體連接處流速比較小，易于顆粒沉積。

2.4.2 磨損分析

圖7是文氏管中其中一個(gè)內(nèi)錐的磨損率，從圖中可以看出磨損嚴(yán)重的地方主要在內(nèi)錐中上部，此處剛好可以看出是氣固兩相速度最大的位置，而且從圖6可看出，此處流場(chǎng)有垂直內(nèi)錐體的速度分量，顆粒在此處沖擊內(nèi)錐體，易造成磨損。喉口外壁磨損主要發(fā)生在縮口位置及喉口下部(如圖8)，主要由于氣流通道變窄，氣流速度變大，且氣流被迫改變方向，造成此處磨損。

圖8 喉口外壁磨損率云圖

2.5 小結(jié)

1)噴淋水水質(zhì)、水量和水壓?jiǎn)栴}是導(dǎo)致環(huán)縫易磨損的一個(gè)主要原因；

2)環(huán)縫洗滌器內(nèi)部確實(shí)存在流場(chǎng)紊亂的現(xiàn)象，而且喉口下部區(qū)域流速達(dá)到最大且與內(nèi)錐體產(chǎn)生了一定角度，該角度大于攻角閥值(環(huán)縫內(nèi)錐體半剖面兩個(gè)斜邊的夾角值)，是加速環(huán)縫磨損的主要原因；

3)直管段流場(chǎng)十分紊亂，并且在尾部形成了渦流，對(duì)側(cè)壁有較強(qiáng)的沖蝕磨損作用。

3 環(huán)縫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)

3.1 噴淋水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)

為了解決水質(zhì)不合格的問(wèn)題，在噴淋水主管和支管上自主研發(fā)了具有環(huán)狀多網(wǎng)式結(jié)構(gòu)的二冷水系統(tǒng)過(guò)濾裝置，通過(guò)壓蓋式過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了過(guò)濾網(wǎng)的快速更換，獨(dú)創(chuàng)環(huán)狀多網(wǎng)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二冷水多層過(guò)濾，使二冷水主管水質(zhì)固體懸浮物從400mg/L降低至80mg/L以下；采用分段分區(qū)式控制原則，對(duì)每個(gè)噴嘴采用單獨(dú)控制，避免了管路壓降對(duì)水霧效果的影響，并通過(guò)增壓泵、流量調(diào)節(jié)閥、壓力計(jì)、流量計(jì)等檢驗(yàn)和調(diào)節(jié)裝置的管路優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)安裝，使噴淋水水量和水壓滿足了系統(tǒng)要求。

3.2 井字形環(huán)縫內(nèi)錐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減輕由于內(nèi)部流場(chǎng)紊亂所導(dǎo)致器壁加速磨損的現(xiàn)狀，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種帶井字形荊條的內(nèi)錐體。荊條由耐磨鋼制成，其耐磨性能優(yōu)良，而且由于荊條的存在，顆粒在沖擊到內(nèi)錐體的時(shí)候，先對(duì)荊條產(chǎn)生磨損，而且荊條的“井字形”結(jié)構(gòu)使得部分固體粉塵被截留在內(nèi)錐體外壁，在內(nèi)錐體上形成一層保護(hù)層。這樣粉塵在沖擊荊條時(shí)，與截留的粉塵相互摩擦，形成一種“料磨料效應(yīng)”，可對(duì)內(nèi)錐體起到進(jìn)一步保護(hù)作用，降低內(nèi)錐體磨損速度。

圖9 荊條文氏管內(nèi)錐磨損率云圖

圖10 荊條文氏管空氣速度矢量圖

從圖9中可看出，對(duì)于內(nèi)錐的磨損，主要都發(fā)生在荊條上，這就說(shuō)明該結(jié)構(gòu)能大幅度降低粉塵煙氣對(duì)內(nèi)錐體的直接磨損，有效提高了內(nèi)錐體的使用壽命，而且從荊條文氏管內(nèi)氣相速度矢量圖可看出(如圖10)，氣相主要與荊條發(fā)生沖擊，幾乎沒(méi)有垂直內(nèi)錐外表面的速度分量，有效解決了高速氣流對(duì)內(nèi)錐體的氣蝕問(wèn)題。

3.3 帶尾椎內(nèi)錐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由文氏管內(nèi)流場(chǎng)情況可知，在內(nèi)錐底部形成了很明顯的渦流，造成固體顆粒對(duì)外壁反復(fù)磨損，為了降低內(nèi)錐底部的渦流并對(duì)煙氣流向起到導(dǎo)向作用，在內(nèi)錐下部增加了中間粗、兩頭細(xì)的尾椎結(jié)構(gòu)(如圖11)。并且通過(guò)數(shù)值仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加尾椎后內(nèi)錐及喉口外壁的磨損情況在一定程度上得到緩解(如圖12)，削減了內(nèi)錐下部的渦流，提高了環(huán)縫內(nèi)錐的使用壽命。

圖11 尾椎示意圖

圖12 內(nèi)錐及尾椎磨損率云圖

3.4 效果分析

通過(guò)環(huán)縫洗滌器系統(tǒng)研究與改進(jìn)使噴淋水中固體顆粒含量從400mg/L降低到80mg/L以下，環(huán)縫噴水量從260m3/h 提高到350m3/h以上，噴淋水水壓、水量和水質(zhì)滿足了環(huán)縫工作要求，而且通過(guò)數(shù)值模擬仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，帶尾椎井條形內(nèi)錐的安裝對(duì)緩解錐體尾部渦流、降低內(nèi)錐體和外殼體表面沖刷大有裨益，能有效提高環(huán)縫整體使用壽命。

4 結(jié)論

1)噴淋水水質(zhì)、水壓和水量不達(dá)標(biāo)是導(dǎo)致環(huán)縫易磨損的一大主要原因，另外由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，環(huán)縫內(nèi)部流場(chǎng)紊亂和尾部渦流也是導(dǎo)致環(huán)縫易磨損的根本原因。

2)通過(guò)噴淋水過(guò)濾裝置開(kāi)發(fā)和控制系統(tǒng)升級(jí)，帶尾椎井條形內(nèi)錐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了噴淋水系統(tǒng)和內(nèi)部流場(chǎng)紊亂的問(wèn)題。

3)環(huán)縫洗滌器系統(tǒng)研究與改進(jìn)后的效果顯著，噴淋水水質(zhì)大幅度改善，環(huán)縫使用壽命大幅度提高。

[1]李昌德.對(duì)轉(zhuǎn)爐OG裝置的幾點(diǎn)看法[J].煉鋼，1989(6):40-45.

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Fault Analysis and Improvement on Wet Dedusting Annular Gap Scrubber in Converter

Liu Yang Lu Xinyi Xia Jiangtao Li Hua Zhong Yi

(Research and Development Center of WuHan Iron and Steel (Group) Corporation, Wuhan 430080)

The status of annular gap scrubber dusting spray water systems was analyzed from several aspects including quality, pressure and volume of water, and internal flow field and the wear mechanism of annular gap scrubber was analyzed by using the CFD software, in order to solve the problem of converter annular gap scrubber which was easy to wear in WISCO. It shows that the main reasons which cause converter annular gap scrubber easy to wear are the poor quality, low pressure and volume of spray water, internal flow field disorder and tail vortex. By developing spray water filtration device, upgrading spray water control system, optimizing caudal strip wells within the cone structure, the problem of spraying water systems and internal disorder flow field is solved, and the service life of annular gap scrubber is increased greatly.

Annular gap scrubber OG system Inner cone Dedusting

劉洋，男，1984年出生，2006年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，工程師

TG066.3+8

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.011

2015-3-16)