除塵器出口管路ANSYS CFD仿真計(jì)算及優(yōu)化

李京業(yè)，趙興永（萊鋼集團(tuán)銀山型鋼有限公司煉鐵廠，山東萊蕪271104）

?

除塵器出口管路ANSYS CFD仿真計(jì)算及優(yōu)化

李京業(yè)，趙興永
（萊鋼集團(tuán)銀山型鋼有限公司煉鐵廠，山東萊蕪271104）

摘要：針對某鋼廠爐前除塵系統(tǒng)風(fēng)量不足的問題，分析認(rèn)為，是除塵器出口處直角彎及Z形彎的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致了局部壓力損失較大。改進(jìn)將風(fēng)機(jī)出口管路在中間實(shí)施隔斷，并自風(fēng)門至除塵器出口處平滑過渡。該部位的仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后，壓力損失由716.7 Pa減少為523.4 Pa，風(fēng)量平穩(wěn)。改造后，除塵風(fēng)機(jī)風(fēng)量由700 000 m3/h提高到1 040 000 m3/h。

關(guān)鍵詞：除塵系統(tǒng)；風(fēng)量；管路；壓力損失；ANSYS CFD；仿真計(jì)算

1　前言

某鋼鐵廠3#高爐爐前出鐵場除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩套長袋低壓脈沖布袋式除塵系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 000 000 m3/h，實(shí)際風(fēng)量基本維持在700 000 m3/h。高爐出鐵場的除塵效果較差，爐前空氣中顆粒物含量為10 mg/Nm3，超出國家標(biāo)準(zhǔn)25%。為此對存在的問題進(jìn)行分析，應(yīng)用ANSYS CFD軟件對局部壓力損失大的管路進(jìn)行仿真計(jì)算。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果提出改進(jìn)方案并進(jìn)行仿真計(jì)算，取得了較好的效果。

2　問題分析

經(jīng)現(xiàn)場觀察，認(rèn)為最不合理的除塵管路布置在除塵器出口處，該處有兩個(gè)直角彎及一個(gè)Z形彎。

除塵器出口處局部壓力損失較大。根據(jù)相關(guān)資料，局部阻力系數(shù)ξ的取值，彎頭處一般取0.22～0.33；變斷面矩形直角彎管處一般取2.0；而矩形Z形彎管處一般取值在3～4.2之間。根據(jù)管道壓力損失計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式［1］：

局部阻力系數(shù)的大小對管道內(nèi)氣體壓力損失影響非常大。為此，對除塵器出口流場的仿真計(jì)算。

通過對除塵器出口流場用ANSYS CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，可以非常直觀地看到局部壓力損失和管道內(nèi)的流場情況。

初始條件及載荷設(shè)定：風(fēng)溫設(shè)定50℃，密度ρ= 1.105 kg/m3，運(yùn)動黏度18.6×10-6m2/s，風(fēng)速v=5.524 m/s，出口風(fēng)壓為0。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）除塵器經(jīng)過該段管道的壓力損失為716.7 Pa，管道內(nèi)最大壓差為1 225.8 Pa（見圖1）。

2）在除塵器出口有較為明顯的渦流，風(fēng)速有急劇的變化，如圖2所示。3）直管段風(fēng)速在37.5 m/s以上的較多（圖2）。4）如圖3所示，風(fēng)機(jī)入口截面風(fēng)速大部分在27.4～30.9 m/s，風(fēng)速偏高［2］。

圖1　除塵器出口及風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管道壓力

圖2　除塵器出口處質(zhì)點(diǎn)矢量

圖3　風(fēng)機(jī)進(jìn)口處風(fēng)速

3　改進(jìn)思路及措施

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對除塵器出口至風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管路進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

3.1改進(jìn)原則及方法

對除塵器出口至風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管路的改進(jìn)以減少彎頭、提高截面積以減少壓力損失為原則。具體改造過程中，將風(fēng)機(jī)出口管路在中間實(shí)施隔斷，并自風(fēng)門至除塵器出口處平滑過渡。

3.2仿真計(jì)算

按照原初始條件設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算，改進(jìn)后，除塵器出口及風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的管道壓力分布如圖4所示，除塵器出口處質(zhì)點(diǎn)矢量如圖5所示，除塵器出口及風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管道質(zhì)點(diǎn)矢量如圖6所示，管道內(nèi)風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)進(jìn)口風(fēng)速云圖如圖7所示。

圖4　改進(jìn)后除塵器出口及風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管道壓力云圖

圖5　改進(jìn)后除塵器出口處質(zhì)點(diǎn)矢量

圖6　改進(jìn)后除塵器出口及風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管道質(zhì)點(diǎn)矢量

3.3計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算可知：

1）改進(jìn)后除塵器經(jīng)過該段管道的壓力損失為523.42 Pa，管道內(nèi)最大壓差為612.83 Pa（見圖4）。而原除塵器經(jīng)過該段管道的壓力損失為716.7 Pa，管道內(nèi)最大壓差為1 225.8 Pa。

圖7　改進(jìn)后風(fēng)機(jī)進(jìn)口處風(fēng)速云圖

2）在除塵器出口質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行軌跡平滑，無劇烈速度變化。直管段風(fēng)速在24.3 m/s以下的較多（見圖5、圖6）。而改進(jìn)前直管段風(fēng)速在37.5 m/s以上的較多。

3）改進(jìn)后進(jìn)口截面風(fēng)速大部分在26.2 m/s以下（見圖7）。而改進(jìn)前風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面風(fēng)速大部分在27.4～30.9 m/s，風(fēng)速偏高。

4　結(jié)語

除塵器出口至風(fēng)機(jī)進(jìn)口處管路改造后，風(fēng)機(jī)風(fēng)量提升到1 040 000 m3/h，配套電機(jī)電流小于額定電流。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，爐前空氣中顆粒物含量降低為4 mg/Nm3，滿足環(huán)保要求和職業(yè)衛(wèi)生的相關(guān)要求。實(shí)際改造后的風(fēng)量與通過ANSYS CFD軟件仿真得出的結(jié)果基本一致。初始條件和各種限制參數(shù)選擇與現(xiàn)場一致，使用該軟件對除塵系統(tǒng)進(jìn)行流場分析經(jīng)濟(jì)、可靠，是一種非常有用的工程工具。

參考文獻(xiàn)：

［1］張殿印，王純.除塵工程設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］杜憲偉，趙興永，張海港，等.ANSYS有限元分析軟件在除塵管道改造中的應(yīng)用［J］.冶金設(shè)備管理與維修，2015（1）：43.

Simulation Calculation and Optimization of CFD ANSYS in the Outlet Pipe of Dust Filter

LI Jingye, ZHAO Xingyong
（The Ironmaking Plant of Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: Aiming at the problem of insufficient gas flow of casthouse dust extraction system in a steel mill, the analysis shows that the design of the right angle and the Z-shaped bend in the outlet of the dust collector is unreasonable, which leads to the loss of local pressure. The improvements will be the implementation of the partition in the middle of the fan outlet pipe, and a smooth transition from gas shutter to the outlet of the dust collector. The simulation results for the position show that the pressure loss after improvement is reduced to 523.4 Pa from 716.7 Pa and the gas flow is stable. After the project was carried out, the air volume of the dust-fan was increased to 1 040 000 m3/h from 700 000 m3/h.

Key worrddss:: dust extraction system; air volume; pipe line; pressure loss; ANSYS CFD; simulation calculation

數(shù)值范圍用浪紋線

GB/T 15834—1995規(guī)定：浪紋線“～”用于連接數(shù)字范圍，如a～b，這里的a、b為不同的實(shí)數(shù)，因此，在科技書刊中，凡實(shí)數(shù)的數(shù)值范圍應(yīng)當(dāng)用“～”連接，不應(yīng)采用一字線“—”。例如：0.25～0.75，750～780℃，190～220 mm， 0.9～1.2 m/min，圖4～6，表1～3，等。只有起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間間隔除外，依據(jù)GB/T 8407—2005，這種情況采用一字線連接，例如：2011—2015年，2012年1—5月，2008 年3月5—17日。

（燕明宇）

試驗(yàn)研究

作者簡介：李京業(yè)，男，1969年生，1991年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院冶金機(jī)械專業(yè)。現(xiàn)為萊鋼集團(tuán)銀山型鋼有限公司煉鐵廠副廠長，高級工程師，從事煉鐵、燒結(jié)設(shè)備管理與技術(shù)工作。

收稿日期：2015-05-15

中圖分類號：TF321.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0046-02