轉(zhuǎn)爐二次除塵門型罩煙塵捕集的數(shù)值模擬

趙丹丹 劉昌健 易勇兵

(中冶南方工程技術(shù)有限公司暖通除塵事業(yè)部，湖北武漢 430223)

0 引言

在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，在兌鐵水、加廢鋼、出鋼以及出渣等冶煉過程均會(huì)產(chǎn)生大量煙塵，這些煙塵主要是在爐前和爐后產(chǎn)生。一次煙氣除塵系統(tǒng)中的煙氣罩不僅負(fù)責(zé)冶煉產(chǎn)生的煙塵，同時(shí)也兼顧加料和出鋼時(shí)產(chǎn)生的煙氣，這種捕集方式往往效果很不理想，粉塵容易外溢，所以必須增設(shè)二次除塵系統(tǒng)。在二次除塵系統(tǒng)中，由于在兌鐵水的瞬間，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量煙塵，且含塵氣體的溫度非常高，熱壓作用強(qiáng)烈。

隨著國家節(jié)能減排政策的貫徹，各級(jí)政府更為嚴(yán)格的地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，各家鋼鐵企業(yè)越來越重視通風(fēng)除塵系統(tǒng)的投入，注重采用更加先進(jìn)的除塵技術(shù)，完成國家給予的減排指標(biāo)，改善廠區(qū)環(huán)境。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)轉(zhuǎn)爐二次除塵罩布置形式已經(jīng)趨于一致，門型罩就是其中轉(zhuǎn)爐前除塵的主要形式。出現(xiàn)二次煙氣捕集效果不理想的情況，采用增加風(fēng)量、壓頭，優(yōu)化管道及增設(shè)屋頂三次除塵來提高煙氣捕集效果［1］。

目前普遍存在的問題是二次煙氣門型罩的捕集效率有待進(jìn)一步提高，相應(yīng)產(chǎn)生的粉塵逃逸成為影響鋼鐵企業(yè)煉鋼車間環(huán)境質(zhì)量和工人作用環(huán)境的主要問題。與此同時(shí)，由于三次煙氣捕集系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用還較少，加之投資的增加，如何合理設(shè)置三次除塵系統(tǒng)，仍存在較多的問題。

目前國內(nèi)各大鋼廠及研究機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)爐二次煙氣的捕集改進(jìn)主要集中在優(yōu)化管路設(shè)計(jì)及增加抽塵點(diǎn)、增加系統(tǒng)風(fēng)量上。某公司在對(duì)武鋼二煉鋼的二次煙氣改造中，采用在轉(zhuǎn)爐頂部樓板上設(shè)置密閉室并少量抽風(fēng)的技術(shù)方案，有效的控制了轉(zhuǎn)爐頂部煙氣自樓板眾多設(shè)備孔口處外溢的有效措施［2，3］。而增加系統(tǒng)風(fēng)量，優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，往往是國內(nèi)眾多改造項(xiàng)目的采用最多的技術(shù)方案。寶鋼的一個(gè)改造項(xiàng)目中就通過擴(kuò)大爐前排煙罩的排煙容量，對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，增加一套除塵系統(tǒng)從而提高二次煙氣除塵總風(fēng)量來提高二次煙氣的捕集率［1］。

國內(nèi)應(yīng)用CFD方法對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣除塵的分析雖已有嘗試，但仍處于初步探索階段，分析水平參差不齊［4］。一方面，現(xiàn)有普遍做法是簡單利用商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算，缺乏流體流動(dòng)及傳熱理論分析，導(dǎo)致CFD數(shù)值模擬誤差較大;另一方面，對(duì)轉(zhuǎn)爐煙氣除塵問題的深入性和系統(tǒng)性研究都有待進(jìn)一步發(fā)展。

本文通過ANSYS模擬，分析煙塵的擴(kuò)散流動(dòng)。主要研究二次抽塵罩罩口形式、狗屋是否封閉對(duì)煙塵擴(kuò)散流動(dòng)的影響以及煙塵擴(kuò)散過程中氣流以及軌跡的變化狀況，為二次煙氣的捕集以及二次除塵罩的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 模型實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本研究以某轉(zhuǎn)爐車間一個(gè)轉(zhuǎn)爐跨的實(shí)際尺寸建立了物理模型，模型中按實(shí)際尺寸設(shè)置了二次煙氣捕集系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐(塵源)、吊車(障礙物)、鐵水罐等。

物理幾何模型如圖1所示。

圖1 物理幾何模型

1.2 模擬邊界條件確定

本研究擬取的二次除塵系統(tǒng)總風(fēng)量為40萬m3/h(工況)，其中轉(zhuǎn)爐爐口風(fēng)量為20萬m3/h(工況)。假設(shè)轉(zhuǎn)爐爐口含塵煙氣量為5 g/m3(工況)。轉(zhuǎn)爐本體溫度1 200℃，轉(zhuǎn)爐出口煙氣溫度530℃，室內(nèi)初始環(huán)境溫度30℃。

由于轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)是氣體和固體顆粒組成的流動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)氣固兩相流過程，而且粉塵的含量是變值，因此根據(jù)文獻(xiàn)［5］及現(xiàn)有工程取表1中參數(shù)。

表1 氣固物理參數(shù)設(shè)置

1.3 對(duì)比工況設(shè)置

本次模擬將改變門型罩的罩口形式和開放或封閉狗屋底部的這兩個(gè)方面來研究影響二次門型罩對(duì)煙塵的捕集效率，從而對(duì)二次門型罩的改進(jìn)提供一定的參考。

四種對(duì)比工況設(shè)置見表2。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 從氣流角度分析

通過數(shù)值模擬得出的氣流速度場結(jié)果顯示，二次門型罩Case1，Case2工況中，1風(fēng)道氣流速度較快，2，3風(fēng)道氣流速度很小，大量煙塵主要從1風(fēng)道被捕集。這是由于2，3風(fēng)道相對(duì)于1風(fēng)道進(jìn)風(fēng)面積小，風(fēng)量太小，無法形成理想的抽吸感，不足以將煙塵從2，3風(fēng)道抽走。

二次門型罩Case3，Case4工況中，由于只有1個(gè)風(fēng)道，那么煙塵呈放射狀的被1風(fēng)道抽走，由于風(fēng)道兩側(cè)阻力大，那么兩側(cè)相對(duì)速度較小。

因此1風(fēng)道的門型罩相對(duì)于3風(fēng)道的門型罩對(duì)煙塵的捕集效率更好。

四種工況下氣流分布圖見圖2。

表2 四種對(duì)比工況設(shè)置

圖2 四種工況下氣流分布圖

另外由于Case1相對(duì)于其他工況，狗屋底部沒有封閉，車間內(nèi)大量野風(fēng)較易呈誘導(dǎo)狀態(tài)被門型罩吸入，那樣就降低了門型罩對(duì)煙塵的捕集。而其他工況在狗屋封閉的情況下，因整個(gè)狗屋形成負(fù)壓，車間內(nèi)野風(fēng)在狗屋內(nèi)循環(huán)上升的過程中，門型罩向上的抽吸對(duì)野風(fēng)循環(huán)形成了有效的阻斷，防止野風(fēng)進(jìn)入門型罩，這樣就提升了門型罩的捕集能力。

Case4工況由于頂部沒有導(dǎo)流板對(duì)煙塵的阻擋，煙塵在熱浮升力的作用下，很快就從上溢流出去，那么就降低了二次門型罩的捕集。

通過以上的分析可以得出，Case3工況對(duì)煙氣的捕集效率相對(duì)最高。

2.2 從煙氣捕集率分析

此次模擬采用煙氣捕集率來評(píng)價(jià)各工況除塵效果的好壞，通過模擬二次門型罩出口處的粒子濃度采用式(1)計(jì)算出四種工況的煙氣捕集率，如表3所示。

式中:η—— 煙氣捕集率;

n1——二次門型罩出口煙塵粒子濃度;

n2——轉(zhuǎn)爐煙氣粒子濃度;

Q1——二次門型罩出口風(fēng)量;

Q2——轉(zhuǎn)爐煙氣量。

表3 四種工況下煙氣捕集率 %

從表3可以看出，Case3工況的煙氣捕集率最高，將近達(dá)到70%，Case1工況的煙氣捕集率最低，只有46.6%。從以上四種工況可以看出在狗屋底部開放的情況下，煙塵向外溢出的最多。在狗屋底部封閉的情況下，1風(fēng)道頂部設(shè)導(dǎo)流板的門型罩對(duì)煙塵的捕集率最高。

3 結(jié)語

本文利用ANSYS軟件模擬的轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)中狗屋是否封閉以及二次門型罩罩口形式的情況下煙塵的擴(kuò)散情況，從而得出以下結(jié)論:

1)在狗屋底部開放的情況下，二次門型罩從狗屋抽的野風(fēng)偏大，煙塵逃逸率高，煙塵捕集率低，需將狗屋底部封閉。

2)在狗屋底部封閉的情況下，二次煙氣門型罩只有一個(gè)進(jìn)風(fēng)道時(shí)，煙塵捕集率較高。

3)二次門型罩頂部設(shè)導(dǎo)流板時(shí)，煙塵的捕集率較高。

［1］王永忠，徐德良，王彥寧.寶鋼轉(zhuǎn)爐煙氣二次除塵技術(shù)研發(fā)與進(jìn)步［J］.環(huán)境工程，2009，27(2):3-5.

［2］遲志勇，張伏生，龍潔文.武鋼二煉鋼3×80 t轉(zhuǎn)爐二次煙氣除塵系統(tǒng)改造［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(8):6-7.

［3］遲志勇.轉(zhuǎn)爐二次煙氣除塵變工況及風(fēng)機(jī)調(diào)速［J］.環(huán)境工程，2009，27(3):84-86.

［4］陳 軍，代洪浪，李治友.CFD在轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［A］.第五屆中國金屬學(xué)會(huì)青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.2010:395-398.

［5］Pieters.Secondary Dedusing Systems With High-performance Gas Cooling and Explosion-proof Design.Alstech 2007-The Iron＆Steal Technolgy Conferfence and Exposition，Indianapolis，lid，2007:51-59.

［6］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:12-16.