除塵裝置對(duì)三偏心蝶閥區(qū)域粉塵沉降抑制效能的仿真分析

王立新,王 斌

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

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除塵裝置對(duì)三偏心蝶閥區(qū)域粉塵沉降抑制效能的仿真分析

王立新,王 斌

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

高爐煤氣含大量粉塵,易在管道內(nèi)三偏心蝶閥閥座密封面底部板結(jié),影響閥板轉(zhuǎn)動(dòng)或損壞密封面,影響高爐生產(chǎn)并造成經(jīng)濟(jì)損失.為阻止粉塵在蝶閥閥座密封面底部板結(jié),采用Pro/E設(shè)計(jì)了蝶閥區(qū)域的粉塵自動(dòng)清除裝置.基于ANSYS Workbench的FLUENT模塊,選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和DPM模型,對(duì)不同閥板開度(15°,30°,45°,60°,75°和90°)時(shí)蝶閥區(qū)域粉塵沉降軌跡進(jìn)行了仿真模擬,分析了除塵裝置對(duì)粉塵沉降特性的影響規(guī)律.結(jié)果顯示:閥板開度30°,45°,60°,75°和90°時(shí),除塵裝置均能使三偏心蝶閥閥座密封面底部粉塵板結(jié)質(zhì)量顯著降低; 閥板開度90°時(shí)板結(jié)粉塵清除率可高達(dá)80.7%; 而閥板開度15°時(shí),除塵裝置未體現(xiàn)明顯除塵效果.

流場數(shù)值模擬; 除塵裝置; 閥板開度; 粉塵沉降抑制; 三偏心蝶閥

高爐煤氣(Blast Furnace Gas,BFG)含有大量粉塵.這些粉塵與BFG中水分混合,易板結(jié)于BFG管道中蝶閥閥座密封面底部,導(dǎo)致閥板運(yùn)動(dòng)受阻或密封面損壞,失去調(diào)節(jié)作用進(jìn)而影響高爐生產(chǎn).針對(duì)此問題,傳統(tǒng)解決方法為人工刮板刮削,效率低下且自動(dòng)化程度低.針對(duì)上述板結(jié)粉塵清除方法存在的問題,設(shè)計(jì)了BFG管道蝶閥閥座密封面粉塵自動(dòng)清除裝置,在保證高爐正常生產(chǎn)的同時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)BFG粉塵在蝶閥閥座密封面底部區(qū)域沉降的實(shí)時(shí)抑制.設(shè)計(jì)過程中,需對(duì)裝置效能進(jìn)行仿真分析.

目前主要通過仿真分析方式進(jìn)行流場中顆粒運(yùn)動(dòng)特性研究,而關(guān)于BFG管道粉塵清除的研究主要集中于除塵工藝的分析與改進(jìn)[1-4].此外,關(guān)于BFG管道蝶閥區(qū)域粉塵沉降規(guī)律與沉降抑制的模擬分析研究較少.本文使用Pro/E建立了BFG管道蝶閥區(qū)域流場與粉塵自動(dòng)清除裝置模型,使用ANSYS Workbench的FLUENT模塊,對(duì)比模擬分析了無除塵裝置與含除塵裝置條件下不同閥板開度時(shí)蝶閥區(qū)域粉塵沉降特性并驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)除塵裝置的除塵效能.研究結(jié)果可為適合實(shí)際高爐生產(chǎn)工況的BFG管道蝶閥閥座密封面底部粉塵自動(dòng)清除系統(tǒng)研制提供理論支持.

1 模型建立

1.1 流場三維模型建立

選擇DN600三偏心金屬硬密封蝶閥作為研究對(duì)象.使用Pro/E分別建立蝶閥與蝶閥閥座密封面底部粉塵自動(dòng)清除裝置模型,如圖1、圖2所示.其中,除塵裝置使用不銹鋼管作為材料穿過并焊接于蝶閥閥體,通過持續(xù)向管道蝶閥區(qū)域BFG流場通入工作介質(zhì)(N2)達(dá)到改變流場特性,影響粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)而阻止其向沉積面沉降的效果; 裝置位于蝶閥上游,距閥座密封中心面106.7 mm; 裝置包含弧形風(fēng)管(圓弧中心半徑290 mm,內(nèi)、外徑分別為20 mm和26 mm)、直風(fēng)管(內(nèi)、外徑分別為18 mm和24 mm)、風(fēng)孔(直徑8 mm,共8個(gè),間隔15°,均勻分布于弧形風(fēng)管徑向圓弧對(duì)稱面兩側(cè))和端蓋等4種特征.使用Pro/E分別建立無除塵裝置和含除塵裝置條件下的蝶閥區(qū)域流場模型,含蝶閥、除塵裝置等主要特征的蝶閥區(qū)域流場局部示意圖如圖3所示.擬選取6種閥板開度條件(15°,30°,45°,60°,75°和90°)分別進(jìn)行除塵效能對(duì)比分析.為減小BFG管道蝶閥區(qū)域入口與出口邊界對(duì)流場的影響,擬以閥座密封徑向中心面為基準(zhǔn)截取約5倍(3 000 mm)和10倍(6 000 mm)管道直徑(610 mm)長度作為蝶閥上、下游流場計(jì)算域[5].

1.2 網(wǎng)格劃分

為提高計(jì)算精度同時(shí)減少計(jì)算量,忽略幾何尺寸較小或?qū)Φy性能影響較小的閥板密封圈、筋板與閥桿間隙、閥板正面銷釘、閥板背面凹坑和螺栓等蝶閥模型特征; 同時(shí)選擇混合網(wǎng)格劃分方式:對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜部分或關(guān)鍵部位如蝶閥、除塵裝置等采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,對(duì)流場入口段(2 500 mm)和出口段(4 000 mm)采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格.設(shè)定流場中間段(2 500 mm)內(nèi)閥板的面網(wǎng)格尺寸0.015 mm,除塵裝置與閥座密封面的網(wǎng)格尺寸0.005 mm,其他特征的面網(wǎng)格尺寸0.03 mm,如圖4所示.

圖1 含除塵裝置的蝶閥幾何模型

圖2 除塵裝置幾何模型

圖3 含除塵裝置的蝶閥區(qū)域流場幾何模型(局部)

圖4 含除塵裝置的蝶閥區(qū)域流場網(wǎng)格(局部)

1.3 理論模型選擇

控制方程采用Navier-Stokes方程,采用Launder和Spalding提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)氣相湍流進(jìn)行描述; BFG入口粉塵質(zhì)量濃度為10 g·m-3[6],經(jīng)計(jì)算其在蝶閥區(qū)域體積濃度遠(yuǎn)小于10%,故粉塵顆粒采用拉格朗日離散相(Discrete Phase Model,DPM)模型; 數(shù)學(xué)方程詳見文獻(xiàn)[7-8].

2 基本設(shè)置

2.1 假設(shè)條件

為便于仿真分析,對(duì)實(shí)際工況復(fù)雜的蝶閥區(qū)域流場進(jìn)行如下簡化性假設(shè):

① 管道與蝶閥為剛體,即流體介質(zhì)沖擊產(chǎn)生的輕微振動(dòng)可忽略;

② 氣相為不可壓縮流體[9],即密度為常數(shù);

③ 流場溫度恒為773 K,與外界無熱交換; 同時(shí)因只與溫度有關(guān)而與壓力無關(guān),氣相參數(shù)恒定;

2.2 邊界條件設(shè)置

設(shè)定流場的氣相入口(inlet)使用速度入口,10 m·s-1; 流場的除塵裝置工作介質(zhì)入口(inlet2)使用壓力入口,0.25 MPa; 流場的出口(outlet)使用壓力出口,0.25 MPa; 設(shè)定蝶閥閥座密封底部(y方向)半個(gè)曲面作為粉塵沉積面.

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1 氣相參數(shù)設(shè)置

使用CO2、CO和N2模擬BFG進(jìn)行仿真分析[10].293K、1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,體積分?jǐn)?shù)分別為:CO2(20%),CO(25%)和N2(55%)[10-11].基于以上BFG成分及體積分?jǐn)?shù),并依據(jù)NIST-REFPROP數(shù)據(jù)庫,氣相成分在BFG管道蝶閥區(qū)域773 K,0.25 MPa工況下的其他參數(shù)如表1所示.

2.3.2 離散相參數(shù)設(shè)置

設(shè)定BFG粉塵顆粒初速度與氣相入口流速相同,在入口管道平面沿z+方向朝流場中均勻噴射30 s;依據(jù)管道直徑、氣相入口流速和BFG粉塵含量,設(shè)定管道入口粉塵總質(zhì)量流率(單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)氣相入口管道平面進(jìn)入流場的粉塵質(zhì)量)為0.029 2 kg·s-1.查得某鋼廠BFG粉塵粒徑分布[12]如表2所示.為符合生產(chǎn)工況且使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確,使用Rosin-Rammler分布函數(shù)進(jìn)行粉塵顆粒粒徑分布細(xì)化,所得參數(shù)如表3所示.

表1 氣相參數(shù)

表2 BFG粉塵粒徑分布

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

分別獲得了無除塵裝置與含除塵裝置、工作介質(zhì)入口壓力0.25 MPa條件下不同閥板開度時(shí)蝶閥區(qū)域沉積面上BFG粉塵沉積質(zhì)量m1，m2以及粉塵清除率r(r=(m1-m2)/m1×100%),如表4所示:閥板開度30°，45°，60°，75°和90°時(shí),除塵裝置均能使沉積面粉塵板結(jié)質(zhì)量顯著降低; 閥板開度90°時(shí)粉塵清除率可達(dá)80.7%; 而閥板開度15°時(shí),含除塵裝置條件下沉積面上粉塵沉積質(zhì)量增大,除塵裝置無明顯除塵效果.

3.2 分析

顆粒的運(yùn)動(dòng)分布與流場的發(fā)展變化有關(guān),速度與渦結(jié)構(gòu)是影響氣相流場中顆粒運(yùn)動(dòng)的主要因素[13].由于顆粒對(duì)流場質(zhì)點(diǎn)的跟隨性,流場速度影響顆粒速度,或者動(dòng)量(慣性),即影響顆粒保持自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力; 流場中渦結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)卷吸顆粒的趨勢,渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱與流場速度有關(guān).

表3 BFG粉塵顆粒粒徑Rosin-Rammler分布參數(shù)

表4 BFG粉塵沉積質(zhì)量與清除率

由于0.5 s時(shí)流場已趨于穩(wěn)定,為分析除塵裝置對(duì)蝶閥區(qū)域粉塵沉降特性影響規(guī)律,選擇第5 s時(shí)流場計(jì)算域中蝶閥閥座密封徑向中心面(徑向截面)以及計(jì)算域被yz坐標(biāo)平面所截平面(軸向截面)對(duì)流場進(jìn)行分析,所得流場速度矢量分布分別如圖5,6所示.圖5，6標(biāo)尺的物理量為高爐煤氣速度，單位為m·s-1.

(1) 閥板開度30°,60°,75°和90°時(shí),含除塵裝置條件下徑向截面上沉積面附近流場速度矢量大部分呈現(xiàn)沿沉積面弧線切向分布趨勢,部分位置流場速度矢量背離沉積面且流場中存在渦結(jié)構(gòu)卷吸粉塵顆粒,能夠抑制粉塵朝向沉積面的沉降運(yùn)動(dòng),使沉積質(zhì)量顯著減少; 其中閥板開度90°時(shí),由于沉積面附近流場速度矢量背離沉積面位置由30°，60°和75°時(shí)的2處大幅增多至8處,沉積質(zhì)量減少最為顯著,粉塵清除率高達(dá)80.7%.

圖5 徑向截面上沉積面附近流場速度矢量分布

圖6 軸向截面上沉積面附近流場速度矢量分布

(2) 閥板開度15°時(shí),無除塵裝置與含除塵裝置條件下徑向截面上沉積面附近流場速度矢量分布均勻且相近,但含除塵裝置條件下軸向截面上沉積面附近流場速度矢量向沉積面傾斜,有利于粉塵朝向沉積面的沉降運(yùn)動(dòng)而造成沉積質(zhì)量增大,粉塵清除率為-37.2%,即不具有明顯除塵效果.

(3) 閥板開度45°時(shí),含除塵裝置條件下徑向截面上沉積面附近流場速度矢量大部分呈現(xiàn)沿沉積面弧線切向分布趨勢且類似90°時(shí)有多處位置流場速度矢量背離沉積面,不利于粉塵朝向沉積面的沉降運(yùn)動(dòng)而使沉積質(zhì)量減少,粉塵清除率可達(dá)37.6%;但因除塵裝置內(nèi)部出現(xiàn)逆流(BFG流向除塵裝置內(nèi)部)而不具備實(shí)際應(yīng)用潛能.

4 結(jié)論

為抑制BFG粉塵在管道蝶閥閥座密封面底部沉積,設(shè)計(jì)了粉塵自動(dòng)清除裝置并對(duì)其除塵效能進(jìn)行了仿真分析.獲取以下結(jié)論:

(1) 閥板開度為30°，60°，75°和90°時(shí),徑向截面上沉積面附近流場速度矢量大部分呈現(xiàn)沿沉積面弧線切向分布趨勢,部分位置流場速度矢量背離沉積面且流場中存在卷吸粉塵顆粒的渦結(jié)構(gòu),能夠抑制粉塵朝向沉積面的沉降運(yùn)動(dòng),具有顯著除塵效能; 其中閥板開度為90°時(shí)粉塵清除率高達(dá)80.7%;

(2) 閥板開度為45°時(shí),粉塵清除率可達(dá)37.6%,但因BFG流向除塵裝置內(nèi)部而不具備實(shí)際應(yīng)用潛能;

(3) 閥板開度為15°時(shí),軸向截面上沉積面附近流場速度矢量向沉積面傾斜,有利于粉塵向沉積面運(yùn)動(dòng)而造成沉積質(zhì)量增大,故不具有明顯除塵效果.

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Simulation and analysis on dust deposition suppression efficacy in tri-eccentric butterfly valve region of dust removal system

WANG Li-xin,WANG Bin

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Due that the blast furnace gas in the pipeline contains a large amount of dusts, the seat sealing bottom of tri-eccentric butterfly valve is easily deposited and hardened.By producing stuck or sealing surface damage of valve plate, the blast furnace product is impacted on economic loss.To stop the dust deposition, a specific automatic dust removal system is designed via Pro/ETM.Based on the FLUENTTM module of ANSYSTM Workbench, along with standard and DPM models, the simulations on dust deposition tracks in the butterfly valve region under different valve plate jaw openings, such as 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°, are conducted.Meanwhile, the influence mechanism of dust removal system on dust deposition properties is analyzed.Therefore, it is indicated that the dust removal system reduces the dust deposition on the seat sealing bottom of tri-eccentric butterfly valve, excluding the valve plate jaw opening of 15°, whereas a better efficacy can be obtained with a dust removal rate of 80.7% under the valve plate jaw opening of 90°.

flow field numerical simulation; dust removal system; valve plate jaw opening; dust deposition suppression; tri-eccentric butterfly valve

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金(Q2012073)

王立新(1981-),男,博士,碩士生導(dǎo)師.E-mail:ck_021@tom.com

TP 319; TF 547.2

A

1672-5581(2016)03-0271-06