李 衛(wèi) 劉 磊

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司冶煉廠， 湖北 黃石 435005)

0 前言

某廠澳斯麥特爐(以下簡稱“澳爐”)熔煉產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過電收塵處理，通過煙氣風(fēng)機(jī)抽送到制酸管道或者處理系統(tǒng)管道中。由于建設(shè)時(shí)風(fēng)機(jī)及管道安裝受現(xiàn)場客觀條件及布局影響，未能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)布置，因此煙氣風(fēng)機(jī)在使用過程中并未達(dá)到最理想狀態(tài)，澳爐煙氣收集狀況不穩(wěn)定，對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)及環(huán)境造成較大影響。有研究人員發(fā)現(xiàn)[1]，在類似條件下使用風(fēng)機(jī)陣列，控制手段更靈活，效果較好，且投入較少，但若直接改造澳爐的2臺(tái)煙氣風(fēng)機(jī)出口管道，不僅成本高、周期長，而且受限于如今的管道整體布局，小范圍修改效果未必理想。而對(duì)出口煙氣流體進(jìn)行有限元仿真成本低、周期短，研究人員可以根據(jù)仿真結(jié)果尋找更合理的優(yōu)化方式，進(jìn)而提高冶化生產(chǎn)及環(huán)保水平；仿真模型在一定程度上也是對(duì)煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)的定量和定性分析，對(duì)前后工藝程序的優(yōu)化有重要作用。

煙氣管道在不同工況下會(huì)出現(xiàn)管道并聯(lián)[2-3]和串聯(lián)[4]情況，在管道眾多的冶煉系統(tǒng)中具有代表性，因此通過進(jìn)行重點(diǎn)分析，尋找最合理的風(fēng)機(jī)控制策略，可以為各種管道改造、優(yōu)化、設(shè)計(jì)提供較好的參考。本文對(duì)2臺(tái)煙氣高溫風(fēng)機(jī)出口流體進(jìn)行有限元仿真，并將仿真模型與風(fēng)機(jī)實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型可靠性，并分析2種工藝路線下最優(yōu)的風(fēng)機(jī)控制策略和方法。

1 煙氣工藝走向及介質(zhì)條件

1.1 煙氣的工藝走向

煙氣的工藝走向如圖1所示，經(jīng)電收塵處理后的煙氣通過2臺(tái)風(fēng)機(jī)抽送進(jìn)入煙道，每臺(tái)風(fēng)機(jī)出口由鐘罩閥控制，煙道連通后分為2個(gè)出口方向：一個(gè)方向是煙氣從2臺(tái)風(fēng)機(jī)出口并聯(lián)后通往60萬m3煙氣處理系統(tǒng)；另一個(gè)方向是煙氣從2臺(tái)風(fēng)機(jī)出口串聯(lián)后通往硫酸三系制酸煙道。

1.2 介質(zhì)條件

澳爐冶煉產(chǎn)生的大量煙氣和較多物質(zhì)組成混合固體小顆粒。經(jīng)過電收塵處理過后的介質(zhì)條件如下：1)煙氣的主要成分為SO2、SO3、N2、O2、H2O；2)煙氣含塵量為0.28 g/m3；3)煙氣密度為0.6～0.9 kg/m3。

2 煙道建模

2.1 煙道三維建模

理想化煙道內(nèi)部后結(jié)合煙氣工藝走向，對(duì)煙道內(nèi)煙氣流體進(jìn)行三維仿真，并對(duì)比現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行分析。

利用ANSYS17.0對(duì)煙道整體進(jìn)行三維建模，結(jié)果如圖2所示。煙氣走向分為A、B兩條工藝路線：A路線是煙氣通過風(fēng)機(jī)出口串聯(lián)后往硫酸三系制酸煙道，該方向出口負(fù)壓為200 Pa；B路線是煙氣通過風(fēng)機(jī)出口并聯(lián)后往60萬m3煙氣處理系統(tǒng)，該方向出口負(fù)壓為6 000 Pa。根據(jù)以上A、B路線，分別將已建立的三維模型進(jìn)行簡化，得到兩種模型。

2.2 工況與邊界條件

本文選擇的工況為正常生產(chǎn)時(shí)狀態(tài)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)相關(guān)性能參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

為了盡量保證仿真的準(zhǔn)確性，并簡化、理想化煙氣模型，本文假設(shè)：1)煙氣為不可壓縮的黏性流體；2)煙氣內(nèi)剩余固體小顆粒均勻，體積較小，相互作用可忽略；3)煙氣中固相與流體相相互交融、滲透，具有相同的整體速度(類似煙氣帶著小顆粒一齊運(yùn)動(dòng))，故忽略固體小顆粒，只考慮煙氣流體運(yùn)動(dòng)；4)根據(jù)工藝狀態(tài)，現(xiàn)場管道全部覆蓋保溫層，且無破漏現(xiàn)象，理想化認(rèn)為沒有溫度損失，故不考慮煙氣的溫度影響及變化。

在生產(chǎn)實(shí)際中，通常其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)保證完全達(dá)到額定參數(shù)(以下簡稱“滿負(fù)荷”)，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，故對(duì)上述A、B兩種路線按1#、2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速(由流量計(jì)算而來)劃分不同工況(表2)。

表2 A、B路線1#、2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口不同工況劃分

3 有限元仿真計(jì)算及分析

3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)煙道的結(jié)構(gòu)和載荷特性,對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將SolidWorks建好的兩個(gè)模型導(dǎo)入ANSYS中，并對(duì)煙道進(jìn)行Fill操作，提取出煙道模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為100 mm。最終，A路線模型網(wǎng)格數(shù)為910 999，節(jié)點(diǎn)數(shù)為645 076；B路線模型網(wǎng)格數(shù)為768 155，節(jié)點(diǎn)數(shù)為543 898。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 A路線仿真結(jié)果

3.2.1.1 1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)不同工況

1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)不同工況條件下的流速矢量圖及壓力云圖如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3，隨著2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量不斷增加，管道煙氣流速變化趨勢基本一致，在管道進(jìn)口處流體速度均相對(duì)較低，管道串聯(lián)后煙氣混合，拐彎處的圓角管道附近均產(chǎn)生流速急劇增加的情況，流體速度最大值均在此處出現(xiàn)。

根據(jù)圖4，管道進(jìn)口處壓力分布趨勢基本一致。管道串聯(lián)前均為高壓狀態(tài)，串聯(lián)后氣體混合，經(jīng)過三次管道拐彎后，壓力迅速降低；壓力分布趨勢總體為沿著管道方向不斷下降。

將圖3中的流速和圖4中的壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可知，在A工藝路線情況下，1#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速恒定為66.77 m/s，2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速超過40 m/s以后，煙氣出口流速在124.23～192.21 m/s之間波動(dòng)，管道內(nèi)最高流速隨著2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速增加而增加，最大值為425.89 m/s。1#、2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力與管道內(nèi)最高壓力變化趨勢基本一致，管道內(nèi)最低壓力隨著流速增加而下降，最低壓力為-80 851 Pa；最高壓力在入口流速超過40 m/s以后處于總體穩(wěn)定、略有下降狀態(tài)，基本保持在90 530 Pa。

3.2.1.2 2#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、1#風(fēng)機(jī)不同工況

對(duì)于A路線中的工況6-9，2#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、1#風(fēng)機(jī)不同工況下的流速矢量圖及壓力云圖如圖7、圖8所示。

根據(jù)圖7，隨著1#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量不斷增加，煙道煙氣流速變化趨勢基本一致。在管道進(jìn)口處流體速度均相對(duì)較低，煙道串聯(lián)后氣體混合，拐彎處的圓角管道附近均產(chǎn)生流速急劇增加情況，流體速度最大值均在此處出現(xiàn)。

根據(jù)圖8，只有1#風(fēng)機(jī)流量為零時(shí)，管道進(jìn)口部分壓力稍低，其余工況下管道壓力分布趨勢基本一致。管道串聯(lián)前均為高壓狀態(tài)，串聯(lián)后氣體混合，經(jīng)過三次管道拐彎壓力迅速降低。壓力總體為沿著管道方向不斷下降。

對(duì)于工況6-9，2#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、1#風(fēng)機(jī)不同工況下的流速、壓力統(tǒng)計(jì)如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可知，在A路線中，2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速恒定為66.77 m/s，1#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速超過20 m/s以后，煙氣出口流速在89.35～161.37 m/s之間波動(dòng)，管道內(nèi)最高流速隨著2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速增加而增加，最大值為386.97 m/s。1#、2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力與管道內(nèi)最高壓力變化趨勢基本一致，1#風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力略低；管道內(nèi)最低壓力隨著進(jìn)口流速增加而下降，最低壓力為-71 001 Pa；最高壓力隨進(jìn)口流速增大而增加，最高壓力為77 641 Pa。

3.2.2 B路線仿真結(jié)果

對(duì)于B路線，由于風(fēng)機(jī)并聯(lián)，故只仿真1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)不同工況的情況，流速矢量圖及壓力云圖如圖11、圖12所示。

根據(jù)圖11，隨著2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量不斷增加，煙道煙氣流速變化趨勢基本一致。管道進(jìn)口處流體速度均相對(duì)較低，并聯(lián)后在管道中間鐘罩閥處出現(xiàn)流速急劇增加情況，但隨著2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量增加，流體速度最大區(qū)域不斷由中間鐘罩閥前向鐘罩閥后部移動(dòng)，說明流體混合點(diǎn)中心不斷往后推動(dòng)。

根據(jù)圖12所示，當(dāng)2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量為零時(shí)，管道進(jìn)口部分壓力稍低，其余工況下管道壓力分布趨勢基本一致。管道并聯(lián)前均為高壓狀態(tài)，并聯(lián)后氣體混合，經(jīng)過中部鐘罩閥后，壓力迅速降低。壓力總體沿著管道方向不斷下降。

B路線1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)不同工況下的流速、壓力統(tǒng)計(jì)如圖13、14所示。

從圖13可知，在B路線中，1#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速恒定為66.77 m/s，2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速超過40 m/s時(shí)，煙氣出口流速最低值為56.05 m/s，之后隨著進(jìn)口流速上升而上升，最高為139.41 m/s；管道內(nèi)最高流速在2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速超過40 m/s以后，反而從最高的403.31 m/s下降到250 m/s左右。從圖14可知，1#、2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力與管道內(nèi)最高壓力變化趨勢基本一致，同樣是在2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速超過40 m/s后從最高的93 190 Pa下降到35 000 Pa左右；管道內(nèi)最低壓力則從最低的-56 606 Pa上升到-27 000 Pa左右。結(jié)合圖12，具體分析該情況的產(chǎn)生原因，雖然兩臺(tái)風(fēng)機(jī)為并聯(lián)狀態(tài)，但管道不是絕對(duì)對(duì)稱，1#風(fēng)機(jī)出口側(cè)的管道多一段，1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，出口流體往兩邊運(yùn)動(dòng)，流體在多出的管道內(nèi)形成渦流，阻力造成壓損，同時(shí)在2#風(fēng)機(jī)進(jìn)口流速為40 m/s左右時(shí)，兩股流體壓力較為接近，導(dǎo)致壓力互相抵消，負(fù)壓減少。

4 模型驗(yàn)證

無論是路線A還是路線B，后續(xù)管道距離最終引風(fēng)機(jī)端管道仍有數(shù)千米的距離，故三維模型的管道仿真結(jié)果并不能類比后續(xù)系統(tǒng)實(shí)際測點(diǎn)，而利用仿真模型入口實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，記錄2020年2—3月風(fēng)機(jī)運(yùn)行記錄，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)：

1)在A路線1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)時(shí)，1#風(fēng)機(jī)出口即管道進(jìn)口的壓力為8～16 kPa；1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，1#風(fēng)機(jī)出口即管道入口的壓力為26～38 kPa。由于實(shí)際生產(chǎn)需求，其余工況基本未出現(xiàn)過，仿真結(jié)果與以上范圍吻合。

2)在A路線2#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、1#風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)時(shí)，1#風(fēng)機(jī)出口即管道進(jìn)口的壓力為5～25 kPa；2#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、1#風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，1#風(fēng)機(jī)出口即管道進(jìn)口的壓力為20～41 kPa。同樣由于實(shí)際生產(chǎn)需求，其余工況基本未出現(xiàn)過，仿真值略大于以上范圍。

3)在B路線1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)時(shí)，1#風(fēng)機(jī)出口即管道進(jìn)口的壓力為8.5～16.5 kPa；1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，1#風(fēng)機(jī)出口即管道入口的壓力為26.3～42 kPa。同樣由于實(shí)際生產(chǎn)需求，其余工況基本未出現(xiàn)過，仿真值略低于以上范圍。

總體上看，仿真結(jié)果與實(shí)際有一定偏差，但根據(jù)2020年大修及日常實(shí)際管道檢修的檢查情況，管道內(nèi)流速劇增區(qū)的結(jié)垢積灰明顯較少，鐘罩閥本體因開合較多及外部淋雨腐蝕較多，與本文此次研究內(nèi)容關(guān)系不大，因此認(rèn)為仿真比較符合流體整體趨勢判斷，模型總體可靠，具有一定參考價(jià)值。

5 流體分析及風(fēng)機(jī)控制策略

從煙氣流體仿真結(jié)果來看，仿真模型能夠?qū)煔鉅顟B(tài)進(jìn)行預(yù)測，本文從煙氣流速和壓力兩個(gè)方面進(jìn)行預(yù)測和分析。

在A路線中，由于1#、2#風(fēng)機(jī)出口為串聯(lián)狀態(tài)，不同風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷對(duì)引風(fēng)效果影響巨大。1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)流速為40.06 m/s時(shí)，引風(fēng)效果突出，繼續(xù)增加2#風(fēng)機(jī)負(fù)荷，引風(fēng)效果增加并不顯著，但風(fēng)機(jī)能耗增加較多；若2#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷，1#風(fēng)機(jī)流速越大，引風(fēng)效果越好；而且1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)流速為40.06 m/s與2臺(tái)風(fēng)機(jī)全部滿負(fù)荷的工況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前者的最高壓力為后者的121.28%，前者的最大流速則是后者的90.88%，雖然前者的出口負(fù)壓較后者的低4 000 Pa左右，但仍有1 985 Pa，可以滿足生產(chǎn)需求。

在B路線中，由于1#、2#風(fēng)機(jī)出口為并聯(lián)狀態(tài)，任一風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷，對(duì)引風(fēng)效果的影響相同。1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷、2#風(fēng)機(jī)流速為40.06 m/s時(shí)，引風(fēng)效果最優(yōu)，繼續(xù)增加2#風(fēng)機(jī)負(fù)荷，引風(fēng)效果反而下降，且風(fēng)機(jī)能耗增加。分析實(shí)際情況，主要原因是風(fēng)機(jī)出口并聯(lián)且管道設(shè)計(jì)為180°面對(duì)面形式，1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)，由于煙氣流速、壓力更大，導(dǎo)致2#風(fēng)機(jī)出口阻力變大，損失大量動(dòng)能，起不到疊加效果。

綜上所述，可得到三種風(fēng)機(jī)控制策略：

1)選擇A路線時(shí)，引風(fēng)效果優(yōu)秀且最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)機(jī)控制方法是1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，2#風(fēng)機(jī)流速控制在40.06 m/s，即風(fēng)機(jī)流量控制為222 000 m3/h。

2)選擇A路線時(shí)，保持1#風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，若要增強(qiáng)引風(fēng)效果，則不斷提高2#風(fēng)機(jī)負(fù)荷直至滿負(fù)荷運(yùn)行。

3)選擇B路線時(shí)，引風(fēng)效果優(yōu)秀且最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)機(jī)控制方法是1#、2#風(fēng)機(jī)中任一臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)流速控制在40.06 m/s，即風(fēng)機(jī)流量控制在222 000 m3/h。

6 結(jié)束語

通過對(duì)2臺(tái)煙氣風(fēng)機(jī)的2種工藝路線的幾種工況進(jìn)行建模和有限元仿真分析，得到流體三維仿真模型，三維限元仿真結(jié)果可計(jì)算和表征煙氣風(fēng)機(jī)出口管道的流體狀態(tài)和特點(diǎn)，有助于工人間接判斷，并選擇最優(yōu)風(fēng)機(jī)控制策略。