桂瞬豐,幸福堂,李群燕

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢430081)

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轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)調(diào)徑文氏管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

桂瞬豐,幸福堂,李群燕

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢430081)

為提高轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)煙氣除塵效率，依據(jù)濕法回收工藝除塵機理，對現(xiàn)代濕法除塵工藝進行了研究.針對系統(tǒng)煙氣凈化環(huán)節(jié)，著重對RD文氏管以及第四代環(huán)縫文氏管除塵器結(jié)構(gòu)分析，指出兩種文氏管線性可調(diào)性還有待提高.在此基礎(chǔ)之上，提出了一種新的重砣設(shè)計方法，結(jié)果表明改進后的流量控制結(jié)構(gòu)的線性相關(guān)系得到很大提高，對轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)煙氣濕法除塵具有重要意義.

轉(zhuǎn)爐；OG；調(diào)徑文氏管；除塵

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣濃度可達60%～80%，是一種有毒且回收價值很高的中熱值煤氣.在冶煉過程中，高溫轉(zhuǎn)爐煤氣會將鐵水里面的塵渣卷入，如不進行凈化處理，逸散出的煤氣不僅會給環(huán)境帶來污染而且還可能產(chǎn)生爆炸事故，嚴重威脅職工的生命安全.如何保證轉(zhuǎn)爐安全高效地回收轉(zhuǎn)爐煤氣，是冶金行業(yè)節(jié)能減排工作的重要課題.

自1962年發(fā)明了OG法以來，轉(zhuǎn)爐煙氣回收技術(shù)得到了長足發(fā)展[1,2].濕法除塵技術(shù)(OG法)因其自身優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用該種方法較多[3].然而隨著環(huán)保要求的提高，最初的濕法回收工藝已不能滿足日益增長的節(jié)能減排需要[4]，改進落后的工藝或者生產(chǎn)方式勢在必行.Nobuhiro Maruoka等人[5]則對煉鋼煙氣潛熱回收，改進了生產(chǎn)工藝，效果顯著.Wang Aihua等人[6]根據(jù)影響煙氣凈化回收的因素，從管理層面提出了改善措施.目前RD型文氏管和環(huán)縫文氏管由于線性度好、除塵效率高等優(yōu)點被應(yīng)用在改進的OG工藝中，使用較為普遍，然而其線性度還有待提高[7,8].基于此，提出了一種新的重砣設(shè)計方法，不僅提高了線性操控性，還提高了除塵效率.

1　轉(zhuǎn)爐OG煙氣凈化回收機理及存在的問題

1.1煙氣凈化機理

根據(jù)轉(zhuǎn)爐煙塵粒徑的分布(0.5～50 μm)情況可知，轉(zhuǎn)爐濕法除塵設(shè)備的除塵機理主要是慣性碰撞和攔截的作用[9].其中慣性碰撞作用用斯托克斯準數(shù)(St)表示，其計算式如下：

(1)

其中:dp為粉塵粒徑，μm；ρp為粉塵真密度；μr為粉塵與液滴之間的相對速度，m/s；C為肯寧漢修正因子，無量綱；μg為氣體黏度，Pa·s;DL為液滴直徑,μm.

由式(1)可知除塵器除塵效果與液滴和粉塵的直徑、氣體黏度和相對速度有關(guān)，通過合理設(shè)計除塵器結(jié)構(gòu)，增大相對速度，優(yōu)化噴嘴噴霧效果等可提高除塵效果.這是現(xiàn)代除塵器設(shè)計成文氏管漸縮段—喉口段—漸擴段三段結(jié)構(gòu)的理論依據(jù).

1.2文氏管除塵器結(jié)構(gòu)存在的主要問題

為了降低文氏管結(jié)構(gòu)造成的壓損，用噴淋塔代替了最初OG法中的一文和脫水結(jié)構(gòu)，二文采用可調(diào)文氏管.此改進工藝除塵部位的壓損大大降低，同時將節(jié)省下來的壓損用在二文RD喉口精除塵上，工藝流程如圖1所示.采用RD文氏管的好處是，根據(jù)轉(zhuǎn)爐吹煉不同階段的煙氣量變化，可通過調(diào)節(jié)RD閥開度，控制喉口流速達到式(1)除塵所需的顆粒物粉塵與霧化水滴較高的相對流速，以達到除塵作用.但與此同時，引進的RD閥無法實現(xiàn)線性可調(diào)，且容易堵塞、磨損等[10]，除塵效率仍然不高，RD閥工作原理見圖2.

圖1　塔文濕法除塵工藝流程

圖2　RD閥工作原理

圖2中，S′為RD閥投影面積，S為RD閥上表面面積.根據(jù)投影公式知，面積關(guān)系有：

S′=Scosθ

(2)

由式(2)可知，當(dāng)RD閥在原θ基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)過Δθ，將導(dǎo)致投影面積由S′增加ΔS′，依然遵循投影公式，有以下結(jié)論.

S′+ΔS′=Scos(θ+Δθ)

(3)

由式(3)可知Δθ與ΔS′之間聯(lián)系關(guān)系為三角函數(shù)，二者并不是呈線性變化的，這加大了精確調(diào)控喉口面積的難度.而且這種形式容易造成RD閥堵塞卡死，磨損嚴重，需要在喉口兩側(cè)用高壓氮氣吹除.

為了克服RD閥的問題，用環(huán)縫文氏管代替了RD文氏管，提高了線性可調(diào)性，降低了磨損.環(huán)縫文氏管控制流量的裝置中，通過驅(qū)動重砣上下行進來控制喉口開度，進而改變流速，環(huán)縫文氏管見圖3.

圖3　環(huán)縫文氏管示意圖

圖4　環(huán)縫文氏管工作原理

但環(huán)縫文氏管的重砣一般是在標(biāo)準錐體上對棱角倒角，其行程與環(huán)縫面積只近似呈線性關(guān)系.環(huán)縫文氏管工作原理見圖4.當(dāng)重砣下降ΔL距離時，喉口面積減小

(4)

對于特定的重砣夾角α為定值.從(4)式可以看出，ΔS與重砣下降距離ΔL呈二次函數(shù)關(guān)系，因此線性可調(diào)性還有待提高.

2　文氏管除塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

航空領(lǐng)域內(nèi)火箭推進器結(jié)構(gòu)中汽蝕文氏管漸縮段采用了錐形重砣控制流量，線性化程度較高[11,12].根據(jù)錐形重砣控制流量的特點，設(shè)計了一種線性可調(diào)的重砣結(jié)構(gòu)以應(yīng)用在轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)上，其設(shè)計原理見圖5.

圖5　線性可調(diào)重砣結(jié)構(gòu)原理

圖6　旋轉(zhuǎn)后的重砣曲面圖

當(dāng)重砣向左前進ΔL=Xn-Xn-1時，喉口段重砣所覆蓋面積減小，減小值見式(5).

(5)

根據(jù)此原理，在二維平面內(nèi)，過ri作水平線，過Xi作垂線，水平線與垂線在Di點相交.將所有點連接就得到一半重砣的輪廓線，從圖5可以看出，重砣輪廓線呈拋物線形狀，不是標(biāo)準錐形輪廓線.在空間上將一半輪廓線沿文氏管軸向旋轉(zhuǎn)360°就得到立體的重砣曲面，用數(shù)學(xué)軟件MATLAB作圖見圖6.通過這種方法可以將重砣形狀設(shè)計并加工出來.

3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗證

在流量一定的條件下，截面積與流速成反比，并有以下關(guān)系.

(6)

其中:Q為體積流量，n為零件設(shè)計時所需要的離散點，對于一個特定的設(shè)計零件可認為是定值.m為重砣下降mΔL距離的mΔL之前系數(shù).

據(jù)式(6)可知，最終條件可歸結(jié)為每下降ΔL，不同高度環(huán)縫面流速相應(yīng)增大ΔV，行程與流速成雙曲線函數(shù)關(guān)系.速度牽扯到流場變化，因此可通過CFD數(shù)值方法去驗證.

分別給結(jié)構(gòu)沒有改進的環(huán)縫文氏管、重砣部件以及改進后的裝配零件劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中漸縮段進口直徑3 m，漸縮段長度為3 m，喉口直徑2 m，喉口長度為2 m，漸擴段出口直徑4.6 m，長度為4 m，重坨高度2 m.有關(guān)網(wǎng)格信息見表1.設(shè)置時間步步長為0.001 s，計算 1 0000 步，進口流量350 kg/s，氣體密度為1.185 kg/m3，壁面絕熱，出口相對壓力為0 Pa.采用浸入實體模型模擬重砣運動，重砣起始位置為錐尖剛好在漸縮段與喉口連接的位置，其向下行進速度為0.15 m/s，見圖7.使用k-ε模型，數(shù)值離散格式采用二階高精度格式，每個時間步內(nèi)計算循環(huán)10次，設(shè)置收斂標(biāo)準為1E-05.最后數(shù)值計算結(jié)果以及按照式(6)的理論計算結(jié)果見表2.

表1　網(wǎng)格信息

圖7　重砣行程圖

時間 s 重砣下降距離 m理論計算速度CFD模擬速度(m·s-1) 誤差 %0094.061006.3110.1594.7795.971.2620.396.9799.913.0330.45100.87104.263.3640.6106.891081.0450.75115.771171.0660.9128.86130.140.9971.05148.72148.210.3581.2180.90179.051.0291.35239.67231.893.25101.5376.32338.3810.08

從表2可以看出采用CFD數(shù)值方法與理論計算方法比較，除卻0 s和10 s時刻誤差偏大外，其余時刻誤差在3%以內(nèi).根據(jù)夏江濤等人[3]研究的結(jié)論，重砣兩端會引起誘導(dǎo)湍流，導(dǎo)致在0 s、10 s時，靠近重砣兩端區(qū)域產(chǎn)生回流，因此CFD按面積積分平均求解的速度平均值與理論計算的幾何平均值在這兩個時刻差異較大，但并不影響數(shù)值求解的準確性.因此可以看出采用CFD方法驗證是可行的.

圖8　RD文氏管喉口開口面積與轉(zhuǎn)角關(guān)系

圖9　喉口開口面積隨重砣行進時間關(guān)系

將文獻[6]中RD閥轉(zhuǎn)角與流量關(guān)系數(shù)據(jù)用式(6)變換得到圖8，圖9是數(shù)值計算結(jié)果.從圖8可以看出，RD文氏管在45～70°范圍內(nèi)，喉口開度面積與角度線性相關(guān)系很好，在70°以上時，線性關(guān)系較差.從圖9可以看出，標(biāo)準錐體狀重砣文氏管線性相關(guān)性隨著重砣下降距離增大而逐漸變好，然而在初始幾秒內(nèi)，線性關(guān)系較差.工業(yè)實踐中，將重砣倒圓角處理，一定程度生可提高線性相關(guān)度.改進后的重砣錐體，將倒圓角處理由定性設(shè)計進一步變?yōu)槎糠治?，從圖9可以看出，從0～10 s 整個重砣下降距離范圍內(nèi)，時間(或行程)與喉口開口面積近似成直線關(guān)系，相對于RD文氏管以及改進前的環(huán)縫文氏管，其線性相關(guān)性得到大大提升.

4　結(jié)　論

根據(jù)文氏管除塵機理，針對RD文氏管以及環(huán)縫文氏管的不足，提出了一種新的設(shè)計方法，得到以下結(jié)論：

(1)采用CFD數(shù)值方法去驗證改進前的文氏管流場，計算結(jié)果與理論值一致，驗證了CFD方法的準確性，表明采用CFD手段是可行的.

(2)通過分別分析RD文氏管、改進前和改進后的喉口速度隨轉(zhuǎn)角和重砣行進時間的線性關(guān)系，得到改進后的重砣能夠有效控制喉口開口面積.相對 RD文氏管以及環(huán)縫式文氏管，其線性度大大提升，提高了轉(zhuǎn)爐流量調(diào)節(jié)的操控性.

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Structure optimization of the adjustable venture tube for converter OG system

Gui Shunfeng，Xing Futang，Li Qunyan

(College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China )

In order to improve the efficiency of the flue gas dust removal for the converter OG system,a modern wet dust removal technology was studied based on dusting mechanism of wet recovery process.An analysis was made focused on the structure and the girth of RD ventur tube.It was showed that the two kinds of linear adjustable venture tube need to be improved.A new design method of heavy mound was proposed.The results indicated that the linearity of the flow control structure is greatly increased after the optimization.It is believed that the authors’research has a great significance for the flue gas wet dusting process of the converter OG system.

converter; OG system; venturi tube with diameter adjustable; dusting

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.004

TE 88

A

1671-6620(2016)02-0097-05