轉(zhuǎn)爐一次煙氣濕法除塵環(huán)縫裝置研究

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(guó)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(guó)外引進(jìn)后，在國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐項(xiàng)目得到應(yīng)用。其主要工藝流程為：轉(zhuǎn)爐一次煙氣通過(guò)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(guò)塔內(nèi)噴槍噴淋煙氣中大顆粒塵粒被去除，同時(shí)煙氣溫度下降到飽和溫度約70℃；然后飽和煙氣通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)單元帶動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)文氏管內(nèi)的重砣上下運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)調(diào)整環(huán)縫喉口內(nèi)重砣行程，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)縫閥隙，保證煙氣在喉口處流速，實(shí)現(xiàn)煙氣的精除塵；精除塵后的轉(zhuǎn)爐一次煙氣再經(jīng)過(guò)脫水器脫水后，通過(guò)風(fēng)機(jī)送至煤氣柜貯存或放散煙囪排放。

隨著國(guó)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(guó)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(kāi)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(wèn)題。

由于轉(zhuǎn)爐一次煙氣環(huán)縫裝置內(nèi)流動(dòng)十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)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(duì)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(chǎng)操作和優(yōu)化。因此，很有必要對(duì)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(kāi)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(kāi)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(dòng)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?zhuān)┑炔考?，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(kuò)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(kāi)啟度。錐形環(huán)縫喉口上方設(shè)有噴槍?zhuān)瑖姌屌c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(dòng)控制和電磁閥控制的手動(dòng)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(guò)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(guò)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?yàn)榄h(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(guò)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(shí)，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(gè)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(qiáng)，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(duì)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?chē)姙Ⅻc(diǎn)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(kāi)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?zhuān)鳛橹饕膰娝b置；同時(shí)為保證環(huán)縫裝置腰部塵液充分接觸，在腰部設(shè)置多個(gè)小噴槍[4]，噴嘴為實(shí)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(qiáng)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(jì)算分析

環(huán)縫裝置主要依靠?jī)?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(wú)因次方程組，見(jiàn)公式（1）：通過(guò)分析數(shù)學(xué)計(jì)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(duì)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(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)爐一次煙氣濕法環(huán)縫除塵效率理論計(jì)算軟件，本計(jì)算軟件采用的粉塵粒徑分布等設(shè)置參數(shù)見(jiàn)圖4。通過(guò)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(jì)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(jì)算軟件

該計(jì)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(guò)對(duì)計(jì)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(guò)本研究采用的粒徑分布計(jì)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(shuō)明環(huán)縫裝置對(duì)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(chǎng)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(kāi)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(jì)參數(shù)。

數(shù)值模擬系統(tǒng)以Solidworks、CFX和Tecplot 3個(gè)軟件為主體，結(jié)合C語(yǔ)言進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，主要分為前處理、求解器和后處理這3個(gè)部分。前處理完成模型簡(jiǎn)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(jì)算模型選擇和擴(kuò)展功能開(kāi)發(fā)等環(huán)節(jié)；后處理器主要用于對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析。數(shù)值模擬首先按裝備的實(shí)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(duì)系統(tǒng)壓力損失影響不大，因此進(jìn)行了模型的簡(jiǎn)化。由于來(lái)流氣體主要成分為CO氣體，所以采用CO氣體作為計(jì)算介質(zhì)；因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中存在著噴水除塵，計(jì)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。考慮到模型的對(duì)稱(chēng)性，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，為了減少計(jì)算工作量將模型簡(jiǎn)化為1/6模型，見(jiàn)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(dòng)，煙塵、液滴、氣體之間的動(dòng)量、質(zhì)量、能量相互作用的復(fù)雜過(guò)程。為了將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化滿(mǎn)足快速計(jì)算要求，本研究做出以下3個(gè)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(jiǎn)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(guò)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(gè)區(qū)域劃分為若干塊，其中對(duì)環(huán)縫流速高的區(qū)域進(jìn)行加密處理，增強(qiáng)計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)噴嘴。（4）壁面條件。固體壁面采用無(wú)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(duì)工程中常見(jiàn)的120t和100t轉(zhuǎn)爐的開(kāi)發(fā)的環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。轉(zhuǎn)爐濕法除塵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(kāi)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(chǎng)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(chǎng)的結(jié)果分析主要分為以下3個(gè)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(chǎng)的速度分布；其次對(duì)不同環(huán)縫行程下裝置內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布進(jìn)行研究；最后采用自主研發(fā)的計(jì)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(chǎng)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(chǎng)的速度分布

通過(guò)對(duì)不同工況的環(huán)縫裝置的流場(chǎng)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(shì)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(duì)比環(huán)縫裝置內(nèi)部流場(chǎng)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(chǎng)的壓力分布。

圖8 不同環(huán)縫行程下裝置內(nèi)部流場(chǎng)的壓力分布

通過(guò)對(duì)不同工況的環(huán)縫裝置的流場(chǎng)壓力分布可以得出：通過(guò)三種不同工況的對(duì)比，隨著環(huán)縫行程開(kāi)度的增大，壓差不斷減小，同時(shí)喉口區(qū)域流速逐漸降低，環(huán)縫壓差及喉口流速與開(kāi)度成反比。通過(guò)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(kāi)發(fā)的環(huán)縫除塵效率計(jì)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(jì)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(guò)上述數(shù)據(jù)對(duì)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(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的邊界條件與實(shí)際情況有偏差，導(dǎo)致數(shù)值模擬和公式計(jì)算出的環(huán)縫阻力、出口含塵濃度等數(shù)值與實(shí)際值有偏差。實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)理論計(jì)算加入修正系數(shù)及經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，以減少理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果的誤差。

4.結(jié)語(yǔ)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(diǎn)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴槍進(jìn)水型環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)了全套設(shè)備國(guó)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(wú)量綱數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)出環(huán)縫調(diào)節(jié)裝置除塵效率快速計(jì)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(yùn)行效果，得出環(huán)縫行程開(kāi)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(jì)算分析方法，利用此方法可以計(jì)算環(huán)縫外錐殼體及內(nèi)錐體幾何角度、喉口直徑、長(zhǎng)度、噴水量等設(shè)備參數(shù)對(duì)除塵效率的影響，指導(dǎo)環(huán)縫裝置的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，指導(dǎo)選取提高除塵效率的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。