文福

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

0.引言

我國現(xiàn)有絕大多數(shù)轉(zhuǎn)爐的一次煙氣（煤氣）凈化采用濕法（OG法）除塵。轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)先后經(jīng)歷了“一文兩塔”“兩文一塔”“一文+RD可調(diào)二文”不同的方式[1]，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到“噴淋洗滌塔+環(huán)縫洗滌器”的第四代系統(tǒng)（新OG法[2]）。該系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代從國外引進(jìn)后，在國內(nèi)轉(zhuǎn)爐項目得到應(yīng)用。其主要工藝流程為：轉(zhuǎn)爐一次煙氣通過汽化冷卻煙道后溫度降至約900℃，首先進(jìn)入噴淋洗滌塔進(jìn)行冷卻和粗除塵，通過塔內(nèi)噴槍噴淋煙氣中大顆粒塵粒被去除，同時煙氣溫度下降到飽和溫度約70℃；然后飽和煙氣通過連接管進(jìn)入環(huán)縫裝置進(jìn)行精除塵，裝置與爐口微差壓連鎖，通過調(diào)節(jié)單元帶動液壓執(zhí)行機構(gòu)動作，驅(qū)動文氏管內(nèi)的重砣上下運動，工作時調(diào)整環(huán)縫喉口內(nèi)重砣行程，實時調(diào)節(jié)環(huán)縫閥隙，保證煙氣在喉口處流速，實現(xiàn)煙氣的精除塵；精除塵后的轉(zhuǎn)爐一次煙氣再經(jīng)過脫水器脫水后，通過風(fēng)機送至煤氣柜貯存或放散煙囪排放。

隨著國家環(huán)保政策要求的提高，保證濕法除塵系統(tǒng)煙氣排放達(dá)到國標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求是現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)的重要挑戰(zhàn)。環(huán)縫裝置作為轉(zhuǎn)爐一次煙氣濕法（新OG法）除塵系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能決定了系統(tǒng)煙氣排放含塵濃度，研制開發(fā)高性能的環(huán)縫裝置設(shè)備是優(yōu)化濕法除塵的關(guān)鍵問題。

由于轉(zhuǎn)爐一次煙氣環(huán)縫裝置內(nèi)流動十分復(fù)雜，國內(nèi)研究人員對于濕法環(huán)縫系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析主要集中在環(huán)縫阻力特性等[3]，并未對該系統(tǒng)的除塵效率與環(huán)縫阻力關(guān)系等進(jìn)行系統(tǒng)的研究，不利于工業(yè)現(xiàn)場操作和優(yōu)化。因此，很有必要對轉(zhuǎn)爐環(huán)縫除塵效率進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，尋找環(huán)縫開度等與除塵效率之間的關(guān)系，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)備改進(jìn)，提高除塵效率。

1.環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置開發(fā)及噴水方式優(yōu)化

環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置包括環(huán)縫錐體和液壓驅(qū)動裝置兩部分。環(huán)縫錐體包括外錐體、內(nèi)錐體、閥桿、進(jìn)水裝置（噴水槍）等部件，如圖1所示。內(nèi)錐體位于外錐體內(nèi)部，與外錐體共軸配合，外錐殼體的收縮和擴張段與內(nèi)錐閥芯之間構(gòu)成環(huán)形縫隙；閥桿的上端與內(nèi)錐體頂部連接，閥桿的下端與液壓缸的柱塞桿端連接，調(diào)節(jié)環(huán)縫開啟度。錐形環(huán)縫喉口上方設(shè)有噴槍，噴槍與外錐體連接。

圖1 環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置的幾何結(jié)構(gòu)

環(huán)縫液壓泵通常采用柱塞泵（一用一備），液壓站的冷卻系統(tǒng)采用板式換熱器，直線位移傳感器具備比例閥控制的自動控制和電磁閥控制的手動控制功能。目前環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置噴水方式主要分為兩種：一種是在環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置的頂部設(shè)置空心錐噴嘴，水通過空心錐噴灑到錐形閥喉口位置，如圖2(a)所示；另一種是在環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置的腰部的四周設(shè)置多根沿切線方向的進(jìn)水管，水通過管道流入喉口，如圖2(b)所示。

圖2 兩種不同的環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置噴水方式

目前使用的兩種環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置噴水方式各有利弊。環(huán)縫裝置所達(dá)到的除塵精度與環(huán)縫處的阻力損失有關(guān)，在噴水量和水滴粒徑相同的條件下，環(huán)縫阻力損失越大則除塵精度越高。其主要原因為環(huán)縫喉口處的阻力損失越大則水滴被霧化的效果越好，細(xì)小塵粒與被霧化的水滴接觸也越充分。本研究通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)喉口氣流流速一定時，頂部空心錐噴水方案氣流在環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的阻力損失大于腰部切線進(jìn)水方案，即頂部空心錐噴水方案更有利于提高環(huán)縫除塵效率。另一方面，腰部切線進(jìn)水方案，進(jìn)水噴嘴多，每個流量小，可以降低水滴的原始粒徑，且水量調(diào)節(jié)能力更強，若噴嘴的選用以及布置形式合理，能夠形成均勻穩(wěn)定的水滴分布，充分覆蓋環(huán)縫裝置腰部塵液接觸面，而頂部空心錐噴水方案很難做到水滴對腰部塵液接觸面的充分覆蓋。

本研究將上述兩種噴水方式相結(jié)合，考慮到環(huán)縫裝置噴嘴的噴灑角度受噴灑點到喉口的距離、壓力和流量等關(guān)鍵因素影響，在傳統(tǒng)環(huán)縫進(jìn)水方式的基礎(chǔ)上，本研究開發(fā)的環(huán)縫改進(jìn)采用多噴槍進(jìn)水方案。多噴槍進(jìn)水方案環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置頂部設(shè)有空心錐大噴槍，作為主要的噴水裝置；同時為保證環(huán)縫裝置腰部塵液充分接觸，在腰部設(shè)置多個小噴槍[4]，噴嘴為實心錐螺旋噴嘴，其噴流角度約為90°，每根噴槍均與閥桿位于同一平面，噴槍與水平面的夾角為45°，作為環(huán)縫輔助噴水裝置使用。如圖3所示，為了和外錐體進(jìn)行連接，頂部大噴槍和腰部小噴槍均設(shè)有噴槍安裝法蘭；噴槍體的尾部與進(jìn)水管連接。外錐體上設(shè)有和腰部小噴槍進(jìn)水管供水用的環(huán)形管，并采用金屬軟管與各小噴槍連接。頂部大噴槍作為主要的噴水方式噴水量控制在環(huán)縫裝置總噴水量的約80%；腰部小噴槍作為輔助噴水方式噴水量控制在環(huán)縫裝置總水量的約20%，可以使得喉口水霧周向、徑向噴灑均勻，水霧速度方向可隨噴灑角變化，進(jìn)一步增強除塵效果。

圖3 多噴槍進(jìn)水方案示意圖

2.環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置的除塵效率計算分析

環(huán)縫裝置主要依靠內(nèi)部塵粒和水滴的撞擊凝聚達(dá)到精除塵目的。根據(jù)方達(dá)等在1960年提出的撞擊參數(shù)法[5]，得到了影響環(huán)縫除塵效率的無因次方程組，見公式（1）：通過分析數(shù)學(xué)計算模型可得，影響環(huán)縫除塵的效率的主要因素包括幾何尺寸、水汽比、塵粒徑、煙塵重度、喉口流速、氣體溫度、氣體成分、水蒸氣飽和壓力、喉口處氣體壓力等。其主要影響因素包括幾何尺寸C、水汽比L、塵粒徑dp、煙塵重度γg、喉口流速VT。

式中：

E—撞擊效應(yīng)；

K—撞擊參數(shù)；

L—水汽比值；

C—文式管效率指數(shù)；

dp—粉塵粒徑（m）；

D0—水滴直徑（m），D0=4980/VT+28.8L1.5；

γg—按真比重的煙塵重度（kg/m3）；

μg—煙氣絕對粘度（×10-4P）；

η—除塵效率；

Ur—近似取喉口速度值VT(m/s)，與環(huán)縫阻力損失相關(guān)。

飽和煙氣重度 γg=（γ0+f1）＊V0/V0C

式中：

γ0—標(biāo)況煙塵重度（kg/m3）；

f1—飽和狀態(tài)下氣體含濕量（kg/m3）；

V0—飽和煙氣量（m3）；

V0C—標(biāo)況煙氣量（m3）。

結(jié)合環(huán)縫工況參數(shù)，本研究開發(fā)出轉(zhuǎn)爐一次煙氣濕法環(huán)縫除塵效率理論計算軟件，本計算軟件采用的粉塵粒徑分布等設(shè)置參數(shù)見圖4。通過輸入轉(zhuǎn)爐鐵水裝入量、水汽比、進(jìn)口含塵濃度、喉口流速等參數(shù)，可以計算出環(huán)縫除塵效率和出口含塵濃度。

圖4 環(huán)縫除塵效率計算軟件

該計算軟件為環(huán)縫除塵效率及出口含塵濃度的分析，提供了有效的手段。通過對計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，提高環(huán)縫除塵效率的措施有：增大水汽比、提高喉口流速、降低水滴粒徑、降低煙氣溫度等。另外還發(fā)現(xiàn)，煙塵粒徑越小，環(huán)縫裝置除塵效率越低。通過本研究采用的粒徑分布計算結(jié)果可得，粒徑≤0.5μm的塵粒在進(jìn)口煙氣中重量占比雖然只有5.45%，但在出口煙氣中重量占比達(dá)到了約26.5%，說明環(huán)縫裝置對于微小塵粒的去除效率不高，制約了其出口含塵濃度的降低。

3.環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

本研究采用CFD商業(yè)軟件，建立環(huán)縫裝置數(shù)值模型，研究轉(zhuǎn)爐環(huán)縫喉口開度與壓力損失之間的關(guān)系，優(yōu)化環(huán)縫錐體幾何尺寸、水汽比等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

數(shù)值模擬系統(tǒng)以Solidworks、CFX和Tecplot 3個軟件為主體，結(jié)合C語言進(jìn)行自主開發(fā)，主要分為前處理、求解器和后處理這3個部分。前處理完成模型簡化、幾何建模、網(wǎng)格劃分和邊界定義等四部分內(nèi)容；求解器完成材料物性設(shè)定、初始條件、邊界條件、計算模型選擇和擴展功能開發(fā)等環(huán)節(jié)；后處理器主要用于對計算結(jié)果的分析。數(shù)值模擬首先按裝備的實際尺寸進(jìn)行幾何建模，在本系統(tǒng)中還有一些支架等支護(hù)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)壓力損失影響不大，因此進(jìn)行了模型的簡化。由于來流氣體主要成分為CO氣體，所以采用CO氣體作為計算介質(zhì)；因為本系統(tǒng)中存在著噴水除塵，計算采用切向力傳輸模型（SST）。

3.1 物理模型

新型噴槍下的環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置的物理模型，如圖5（a）所示?？紤]到模型的對稱性，在數(shù)值計算過程中，為了減少計算工作量將模型簡化為1/6模型，見圖5（b）。

圖5 環(huán)縫裝置的物理模型

本數(shù)值模擬涉及氣液固三相湍流流動，煙塵、液滴、氣體之間的動量、質(zhì)量、能量相互作用的復(fù)雜過程。為了將實際問題簡化滿足快速計算要求，本研究做出以下3個假設(shè)條件：

（1）進(jìn)口煙氣為連續(xù)相，噴淋液滴和塵粒為顆粒相；（2）不考慮液滴、塵粒與氣流之間的熱、質(zhì)交換；（3）考慮模型的簡潔，忽略環(huán)縫內(nèi)部一些支護(hù)結(jié)構(gòu)。

基于以上假設(shè)，氣流采用Shear Stress Transport 模型；氣體和液體相互作用采用Schiler Naumann模型，考慮液滴破碎的影響，采用Reitz and Diwakar模型；氣體和塵粒之間相互作用通過作用力系數(shù)設(shè)置。由于幾何形狀教復(fù)雜，網(wǎng)格劃分采用分塊劃分方式，將整個區(qū)域劃分為若干塊，其中對環(huán)縫流速高的區(qū)域進(jìn)行加密處理，增強計算精度，如圖6所示。

圖6 環(huán)縫裝置模型的網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

（1）氣相邊界條件。環(huán)縫入口采用速度入口邊界條件，根據(jù)環(huán)縫裝置的管徑及入口的風(fēng)量，可以計算出煙氣的進(jìn)口速度，湍流度為5%。（2）固相邊界條件。煙塵根據(jù)煙氣流量和含塵量可計算得出，入口速度和煙氣相同。（3）液相邊界條件。噴嘴出口的液滴速度設(shè)為15m/s，液滴的初始直徑為1.2mm。上部噴淋角度為45°，腰部采用點噴嘴。（4）壁面條件。固體壁面采用無滑移壁面條件。液滴、顆粒與壁面碰撞反彈，分別設(shè)置液滴和顆粒與壁面的反射系數(shù)。

3.3 工況設(shè)置

本研究分別針對工程中常見的120t和100t轉(zhuǎn)爐的開發(fā)的環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)運行時，環(huán)縫幾何尺寸、水汽比、煙氣流量等參數(shù)確定后，系統(tǒng)的除塵精度由環(huán)縫喉口壓力損失決定，而環(huán)縫的喉口壓力損失與喉口開度有關(guān)。因此，本文主要研究在環(huán)縫行程分別為30%、40%和50%的條件下，環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場的環(huán)縫喉口平均流速，進(jìn)出口壓差和出口含塵濃度變化。表1和表2分別為120t和100t轉(zhuǎn)爐的環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置的工況條件的具體設(shè)置。

表1 120t轉(zhuǎn)爐環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置不同工況條件

表2 100t轉(zhuǎn)爐環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置不同工況條件

3.4 結(jié)果分析

環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場的結(jié)果分析主要分為以下3個方面：首先分析不同環(huán)縫行程下調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場的速度分布；其次對不同環(huán)縫行程下裝置內(nèi)部流場的壓力分布進(jìn)行研究；最后采用自主研發(fā)的計算軟件，得到不同工況下的系統(tǒng)出口含塵濃度分布。采用數(shù)值模擬得到不同環(huán)縫行程下調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場的速度分布，如圖7所示。

圖7 不同環(huán)縫行程下裝置內(nèi)部流場的速度分布

通過對不同工況的環(huán)縫裝置的流場速度分布可以得出：不同工況下，環(huán)縫裝置內(nèi)流速變化趨勢一致，均由入口到出口逐漸增大而后逐漸降低，在喉口區(qū)域流速達(dá)到最大；環(huán)縫裝置下部，流體貼近塔壁區(qū)域流速較大，且出現(xiàn)渦旋現(xiàn)象。為了進(jìn)一步對比環(huán)縫裝置內(nèi)部流場的壓力變化，圖8展示了不同環(huán)縫行程下裝置內(nèi)部流場的壓力分布。

圖8 不同環(huán)縫行程下裝置內(nèi)部流場的壓力分布

通過對不同工況的環(huán)縫裝置的流場壓力分布可以得出：通過三種不同工況的對比，隨著環(huán)縫行程開度的增大，壓差不斷減小，同時喉口區(qū)域流速逐漸降低，環(huán)縫壓差及喉口流速與開度成反比。通過圖7和圖8得到的喉口平均流速、環(huán)縫壓差等數(shù)據(jù)，結(jié)合本研究開發(fā)的環(huán)縫除塵效率計算軟件，可以得到系統(tǒng)出口煙氣含塵濃度數(shù)據(jù)。表3和表4分別為120t和100t轉(zhuǎn)爐環(huán)縫裝置計算得到的出口含塵濃度等數(shù)據(jù)結(jié)果。

表3 120t轉(zhuǎn)爐環(huán)縫的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總

表4 100t轉(zhuǎn)爐環(huán)縫的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總

通過上述數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，該環(huán)縫裝置在入口煙氣量、噴水量相同的條件下，環(huán)縫壓差越大則出口含塵濃度越低，這與前文理論一致。但是由于水滴粒徑、初始含塵濃度、塵粒徑分布、壁面粗糙度等參數(shù)無法準(zhǔn)確預(yù)測，根據(jù)經(jīng)驗得出的邊界條件與實際情況有偏差，導(dǎo)致數(shù)值模擬和公式計算出的環(huán)縫阻力、出口含塵濃度等數(shù)值與實際值有偏差。實際項目應(yīng)用中，可根據(jù)實際檢測結(jié)果對理論計算加入修正系數(shù)及經(jīng)驗常數(shù)，以減少理論計算與現(xiàn)場實際結(jié)果的誤差。

4.結(jié)語與展望

（1）本研究分析了目前環(huán)縫裝置的兩種噴槍方式的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的多噴槍進(jìn)水型環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了全套設(shè)備國產(chǎn)化。（2）本研究分析了影響環(huán)縫裝置除塵效率的主要因素，結(jié)合環(huán)縫裝置除塵效率無量綱數(shù)學(xué)模型，開發(fā)出環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置除塵效率快速計算軟件。（3）采用數(shù)值模擬分析多噴槍進(jìn)水型環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置在不同的環(huán)縫行程下運行效果，得出環(huán)縫行程開度與環(huán)縫壓差及出口含塵濃度的變化規(guī)律。（4）本研究提出了一種明確的環(huán)縫除塵效率及出口含塵濃度的計算分析方法，利用此方法可以計算環(huán)縫外錐殼體及內(nèi)錐體幾何角度、喉口直徑、長度、噴水量等設(shè)備參數(shù)對除塵效率的影響，指導(dǎo)環(huán)縫裝置的設(shè)計與改進(jìn)，指導(dǎo)選取提高除塵效率的最佳設(shè)計參數(shù)。