基于CFD 的脫硫除塵系統(tǒng)煙道阻力控制

任軒，尹成，任凱，王晨，白文文

（西安龍凈環(huán)?？萍加邢薰?，西安 710075）

煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能否安全高效運(yùn)行[1]。煙道阻力是煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素之一，通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬對管道進(jìn)行阻力的修正，優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)，添加導(dǎo)流裝置，可實(shí)現(xiàn)脫硫除塵系統(tǒng)的最優(yōu)化配置[1]。作為研究流體流動(dòng)的常用方法，基于CFD 數(shù)值模擬的工程設(shè)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。CFD 是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問題。CFD 數(shù)值模擬相對于實(shí)驗(yàn)研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實(shí)及理想條件等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 問題及原因分析

以某鋼廠的高爐煙氣3#脫硫除塵項(xiàng)目的出氣煙道為例，該系統(tǒng)的工藝流程為：高爐煤氣進(jìn)入燃?xì)忮仩t燃燒，燃燒后的煙氣進(jìn)入旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法（SDA）脫硫塔脫硫后，再進(jìn)入雙室布袋除塵器除塵，最后經(jīng)出口煙道進(jìn)入煙囪排出。該脫硫+除塵系統(tǒng)的工藝流程如圖1 所示。

圖1 3#系統(tǒng)工藝布置形式

在引風(fēng)機(jī)全壓運(yùn)行時(shí)，脫硫塔旋轉(zhuǎn)霧化器上部仍然出現(xiàn)了正壓20Pa，造成動(dòng)力電纜被燒壞，旋轉(zhuǎn)噴霧器無法正常運(yùn)行，最終導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)停機(jī)。根據(jù)現(xiàn)場各點(diǎn)的實(shí)際壓力測試結(jié)果，脫硫塔與布袋除塵器的阻力分別為200Pa 與1000Pa，運(yùn)行阻力正常，因此推測出氣煙道的阻力較大。

通過現(xiàn)場查看出氣煙道外部發(fā)現(xiàn)：

（1）出氣煙道布置緊湊，引風(fēng)機(jī)出口的彎頭轉(zhuǎn)彎半徑較??；

（2）在出氣煙道中段存在兩個(gè)連續(xù)的約90°的轉(zhuǎn)彎組成的Z 字形彎頭。

進(jìn)入出氣煙道內(nèi)部查看后發(fā)現(xiàn)：

（1）煙道內(nèi)部較為干凈，無積灰；

（2）Z 字形彎頭前的煙道內(nèi)部包裹著一根約高800mm×寬200mm 的橫梁；

（3）Z 字形彎頭的上升段頂部存在煙道擋風(fēng)板，導(dǎo)致煙道寬度縮小了約300mm；

（4）出口煙囪中心存在一堵5000mm 高的擋風(fēng)墻。

通過對煙道的結(jié)構(gòu)和煙氣流動(dòng)的分析，本文對出氣煙道進(jìn)行CFD 仿真，結(jié)合出氣煙道改造的經(jīng)濟(jì)性、改造周期與可操作性，得出了對煙道內(nèi)部進(jìn)行改造及添加導(dǎo)流的方式以降低出氣煙道阻力的方法。

2 CFD 模擬

2.1 模型建立

對出氣煙道進(jìn)行物理建模，其模型及各壓力監(jiān)測面如圖2 所示。

圖2 出氣煙道三維模型

2.2 模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

對原始狀態(tài)下出氣煙道的CFD 模擬見圖3。

圖3 原始速度流線

從圖3 可以看出，煙氣進(jìn)入出氣煙道后首先通過了一個(gè)90°的彎頭，此處氣流由于離心力作用使氣流流場發(fā)生明顯的紊流變化，氣流分子相互碰撞，由此造成壓力值急劇上升[3]，然后經(jīng)過存在橫梁與變徑的Z 字形彎頭后，煙氣偏向煙道上部流動(dòng)，出現(xiàn)了明顯的高風(fēng)速區(qū)，并且有渦流產(chǎn)生。

改造前各監(jiān)測面的壓力數(shù)據(jù)見表1。

表1 改造前各監(jiān)測面壓力數(shù)據(jù)

現(xiàn)場出氣煙道上并無測點(diǎn)，引風(fēng)機(jī)全壓為2000Pa，引風(fēng)機(jī)進(jìn)口處壓力實(shí)測值為-1200Pa，在整個(gè)系統(tǒng)中正壓出現(xiàn)在脫硫塔頂部入口處，出氣煙道的實(shí)際阻力為800Pa。由表1 可知，計(jì)算機(jī)模擬值為778Pa，與實(shí)測值的偏差僅為2.75%，證明模擬結(jié)果具有較高的可信度，可以作為煙道降阻的參考數(shù)據(jù)。

2.3 阻力優(yōu)化

根據(jù)對出氣煙道原始情況的模擬發(fā)現(xiàn)：

（1）阻力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在Z 字形彎頭處，煙氣在該處連續(xù)經(jīng)過兩個(gè)約90°的轉(zhuǎn)彎，故局部產(chǎn)生高風(fēng)速區(qū)，最高風(fēng)速達(dá)到34m/s；

（2）Z 字形彎頭后產(chǎn)生了渦旋，加劇了局部阻力損失。

鑒于現(xiàn)場Z 字形彎頭位于水泥立柱框架的包圍之中，現(xiàn)場空間小，施工難度大，故整改方案是在不改變煙道大結(jié)構(gòu)的情況下，通過增加導(dǎo)流板與拆除煙道擋風(fēng)板來調(diào)整流場并降低局部阻力。橫梁則因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)承力原因不做處理。

改造后的出氣煙道模擬結(jié)果見圖4。

圖4 改造后的速度流線

從圖4 可以看出，煙氣再經(jīng)過導(dǎo)流板時(shí)流線變得平順且均勻充滿整個(gè)煙道，最高流速從34.57m/s 降低到約15m/s，渦旋區(qū)消失，煙道的局部阻力損失大大降低。

改造后的各監(jiān)測面的壓力數(shù)據(jù)見表2。

表2 改造后的各監(jiān)測面壓力數(shù)據(jù)

由表2 可知，出氣煙道改造后總阻力從原始狀態(tài)的778Pa 降低到了321Pa，阻力降低457Pa，降幅約58.7%，這說明在不改變原出氣煙道形式的情況下，通過添加導(dǎo)流板及對煙道進(jìn)行局部改造就能明顯降低管道阻力。

2020 年8 月用戶停爐檢修，增加多層導(dǎo)流板并對煙道進(jìn)行局部改造，設(shè)備投運(yùn)后工況有明顯改善，用戶中控顯示脫硫塔頂部壓力為-400Pa，與原始情況相比，此處阻力降低了420Pa，而且與CFD 模擬結(jié)果相差無幾。目前項(xiàng)目整改后運(yùn)行至今，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)語

在脫硫除塵系統(tǒng)項(xiàng)目中，系統(tǒng)阻力的控制是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的考核點(diǎn)之一[4]，而由于現(xiàn)場的空間因素，有的工藝煙道布置結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)常需要布置連續(xù)的彎頭，這就為項(xiàng)目的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。根據(jù)本項(xiàng)目可以看出，針對緊湊布置的煙道，尤其是有連續(xù)轉(zhuǎn)彎的煙道結(jié)構(gòu)，需要特別注意管道阻力情況。通過現(xiàn)場實(shí)測煙道阻力，并將其與CFD 的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者的誤差在較小的范圍內(nèi)，故本文將CFD 的模擬數(shù)據(jù)作為煙道優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)。經(jīng)過CFD模擬優(yōu)化，可以得出煙道內(nèi)導(dǎo)流板的合理布置方案，在實(shí)際施工改造后，煙道阻力大幅降低，符合模擬分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。