轉爐濕式電除塵器氣流仿真研究

劉國華 陶 迎 陳 兵

(1.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術有限公司，2. 中冶賽迪信息技術(重慶)有限公司)

轉爐煤氣凈化及回收系統(tǒng)是轉爐冶煉單元的重要組成部分，對轉爐穩(wěn)定生產(chǎn)和環(huán)境保護有重要作用。轉爐一次除塵有兩條工藝路線，即以OG法為代表的濕法凈化回收工藝和以LT法為代表的干法凈化回收工藝。OG法采用水洗的方式進行煙氣除塵，其煙氣排放濃度可降低到50 mg/m3以內(nèi)。LT法利用蒸發(fā)冷卻器與靜電除塵相結合的方式進行粉塵捕集，除塵效率高，煙氣排放濃度可穩(wěn)定在10～20 mg/m3，能耗低，無污水處理，回收煤氣量大且熱值高，是目前冶金行業(yè)鼓勵使用的技術。隨著國家對重點區(qū)域內(nèi)鋼鐵企業(yè)排放改造工作的推進，為實現(xiàn)環(huán)?？冃類企業(yè)的目標，企業(yè)迫切需要不停爐的前提下對現(xiàn)有除塵系統(tǒng)進行改造，滿足轉爐一次煙氣超低排放要求。濕式電除塵技術不僅高效，而且濕法凈化回收工藝和干法凈化回收工藝改造里均可使用，同時考慮改造項目可用場地面積普遍偏小，濕式電除塵器采用立式蜂窩結構。

跨境人民幣業(yè)務范圍不斷擴大。建成了以云南為樞紐，輻射東南亞、南亞，延伸至歐洲、美洲、大洋洲及非洲的跨境人民幣清算、結算網(wǎng)絡，促進了人民幣區(qū)域化、國際化。截至6月末，全省銀行與境外84個國家（地區(qū)）建立了跨境結算渠道，其中涉及參與“一帶一路”國家（地區(qū)）達34個，境外銀行在云南省銀行開立人民幣同業(yè)往來賬戶87戶，境外機構在全省銀行開立非居民人民幣賬戶1759戶。

立式蜂窩結構的濕式電除塵器內(nèi)部煙氣流速分布的均勻性對除塵效率影響很大[1]。影響氣流均布的參數(shù)很多，包括導流板的數(shù)量、位置，多孔板的開孔率、孔型、孔徑，以及均布板的間距。為了提高煙氣流速分布的均勻性，一般需在氣流進口處設置導流板、均布板，通過工程設計不斷摸索，獲得較為合理的均流設計方案。

傳統(tǒng)的電除塵器廠家為了取得較好的除塵效率，根據(jù)相似原理[2]，按一定比例(通常選取1/8～1/16)進行電除塵器氣流分布模型試驗。這種做法雖然有效，但卻不高效，耗費大量精力的同時，又提高了產(chǎn)品的設計成本。隨著仿真技術的成熟發(fā)展，計算機硬件能力的提高，通過仿真模型可快速計算出不同設計方案下電除塵器內(nèi)部流場的均布情況并尋求最優(yōu)解。

1 仿真計算模型

1.1 模型建立

文章研究了濕式電除塵器氣流均勻性的處理技術，參考目前工程中常用的臥式電除塵器氣流均布板的設計方案，結合氣流仿真的目標值和合理成本等因素，設計了導流板+2層多孔板結構的新方案，用于處理濕式電除塵器內(nèi)部氣流的均勻性問題。該設計方案中，多孔板是影響電除塵器內(nèi)部氣流均勻性的關鍵部件。濕式電除塵器的外輪廓直徑為7.6 m，多孔板的開孔直徑為0.06 m，多孔板的厚度為0.006 m，因此按照多孔板的實際結構進行全尺寸的三維建模，整個計算域網(wǎng)格數(shù)量過大?？紤]到實際模型的可操作性和合理性，在建立仿真模型時，采用多孔階躍模型(Porous Jump)對多孔板結構進行簡化處理，用來模擬煙氣通過多孔板前后所形成的壓力降。

具體方法為，在濕式電除塵器內(nèi)部多孔板實際位置處建立無厚度的面，并將其設置為多孔階躍模型。多孔階躍本質(zhì)上是多孔介質(zhì)(Porous Media)模型的一維形式，而多孔介質(zhì)模型就是在動量方程中添加一個代表動量消耗的源項來模擬多孔介質(zhì)的作用，源項由粘性損失項和慣性損失項兩部分組成。對于簡單均勻的多孔介質(zhì)，如多孔板、篩子等，其源項方程可以簡化為：

(1)

式中：Δp為壓力變化值；Δx為多孔板厚度；右側第一項為粘性損失項；右側第二項為慣性損失項；α為孔板的面滲透性系數(shù)(face pemeability)；μ為流體的動力粘度；C2為孔板的壓力階躍系數(shù)(Pressure-Jump Coefficient)；ρ為流體密度；v為流體速度大??；vi為流體速度在x、y、z方向上的矢量值。

新輔助放化療具體方案為：術前行三維適形放射治療，范圍包括腫瘤部位及可能轉移或已轉移的淋巴結區(qū)域，放療劑量2 Gy/次，每周5次，總共46 Gy。同時給予化療，本研究中患者選擇的化療方案為MAYO方案，具體：第1～5天，每天給予患者亞葉酸鈣(CF)200 mg/m2、5-氟嘧啶(5-Fu)425 mg/m2，每4周重復1次，為1個療程，整個治療過程共6個療程。對于放化療過程中出現(xiàn)的不良反應均積極對癥處理。治療結束后4周，重新評估患者的臨床分期，并制定手術計劃。

首先，對違法行為嚴肅追究。嚴肅查處超劑量使用獸藥和飼料添加劑的違法行為。進一步加強聯(lián)合執(zhí)法，畜牧行政部門應該與司法部門加強溝通聯(lián)系，強化案件處理力度，通過嚴肅處理違法行為，提高違法成本，震懾違法分子。同時，還應該嚴格按照國家法律法規(guī)，落實好畜產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管職責，構建完善的績效考核制度和責任追究制度[3]；其次，暢通投訴舉報渠道。設立投訴舉報電話，構建畜產(chǎn)品質(zhì)量安全投訴舉報信息平臺，及時處理和反饋公眾投訴舉報。全面推行有獎舉報制度，擴大社會監(jiān)督。推進誠信體系建設，建立違法違規(guī)“黑名單”制度，對不法生產(chǎn)經(jīng)營者依法公開其違法信息，營造良好信用環(huán)境。

多孔階躍模型適用于面區(qū)域，具有更強的計算穩(wěn)定性和收斂性，模擬時需要對孔板的面滲透性系數(shù)、壓力階躍系數(shù)和孔板厚度三個參數(shù)進行設置。

1.2 多孔板阻力特性求解

多孔板作為一種常用的流量計量裝置，廣泛應用于化工、民用、冶金等領域。在多孔板的研究中，面滲透性系數(shù)和壓力階躍系數(shù)是計算多孔板簡化模型阻力特性的兩個重要參數(shù)。這兩個系數(shù)的準確求解對于多孔板的阻力特性計算結果具有顯著的影響。因此，研究孔板的面滲透性系數(shù)和壓力階躍系數(shù)的求解方法，對于提高采用多孔板簡化模型的濕式電除塵器流場仿真模型的準確性有非常重要的意義。目前常用的求解方法包括：經(jīng)驗公式求解法，壓降—流速擬合求解法。

(1)經(jīng)驗公式求解

對于多孔板結構，F(xiàn)luent軟件提供了經(jīng)驗公式(2)進行求解。

(2)

根據(jù)前文所得兩組系數(shù)C2和α，采用多孔階躍模型對多孔板進行簡化處理。驗證模型的入口速度選取流速設計中間值和極大值，以便觀察不同流速下擬合驗證效果的差異。這里對進口速度為2和5 m/s兩種工況進行仿真計算，計算結果見表2和表3。

在多孔板中，流體質(zhì)量流量計算公式為：

(3)

由圖1可見，隨著酸醚比的增大，水泥凈漿流動度呈先增大后減小的趨勢，這是由于當酸醚比較低時，隨著酸醚比的增加，羧酸基團比例增加，有效吸附量增大，分散性能提高，但當酸醚比增大到一定程度后，過多的羧酸基團可能導致吸附過快，減水劑的的減水率卻降低。因此選擇酸醚比為3:1較為適宜。

作為一枚職業(yè)家庭斜杠女性，我也有我的英雄夢想?。∥业膲粝刖褪怯肋h不用開會，再也不要跟腦殘同事們扯皮，愛聽啥聽啥，喜歡誰跟誰聊天……可一轉念，有了這些大屏小屏，這一切明明都實現(xiàn)了呀！

(4)

相比于局部阻力損失，多孔板沿程阻力損失可以忽略不計，即壓降主要為局部阻力損失，因此由公式(1)可以簡化得到：

(5)

聯(lián)合求解公式(4)和(5)，可以得到孔板壓力階躍系數(shù)：

(6)

在Hypermesh軟件中對該幾何模型進行網(wǎng)格劃分，采用結構化網(wǎng)格，對計算域進、出口以及多孔板附近網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)約700萬，網(wǎng)格最低質(zhì)量為0.61、最大偏斜度為0.55、最大長寬比為5.2。

該設計方案中多孔板開孔率設計為50%，厚度t=6 mm，代入公式(6)求得C2=520.6，對于厚度極小的薄板，其粘性阻力損失相對于慣性阻力損失非常小，基本可以忽略不計，粘性阻力損失項接近為零，故利用fluent軟件仿真計算時，面滲透性系數(shù)α可以取一個較大的數(shù)值，取α=1010。

12月10日，聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學委員會西太平洋分委會，向國際社會正式發(fā)布“‘21世紀海上絲綢之路’海洋環(huán)境預報系統(tǒng)”。該系統(tǒng)由自然資源部第一海洋研究所研發(fā)。

該設計方案中，濕式電除塵器多孔板設計厚度t=6 mm，圓孔開孔直徑D=60 mm，此時t/D=0.1，不滿足上述經(jīng)驗公式t/D>1.6的要求，因此，這里采用壓降—流速擬合求解的方式進行求解。有實驗數(shù)據(jù)時，直接用實驗數(shù)據(jù)中的壓降、流速測試結果進行擬合；沒有實驗數(shù)據(jù)時，新建一個仿真模型，通過仿真的壓降、流速數(shù)據(jù)進行擬合。

參照濕式電除塵器內(nèi)多孔板設計參數(shù)，建立一個直徑為300 mm、厚度為6 mm、開孔率為50%、孔徑為60 mm的幾何模型。多孔板前端和后端均為直筒，前端長度為1.5 m，后端長度為1.8 m。傳統(tǒng)立式蜂窩管結構的濕式電除塵器內(nèi)部煙氣流速設計范圍一般為0～5 m/s，模型入口速度應與之匹配，入口空氣溫度參照實際工況設定為70 ℃。

當t/D>1.6且Re>4 000時，系數(shù)C可以取值0.98。

聯(lián)合求解公式(2)和公式(3)，同時Δx=t，則有：

一位還沒有戀愛對象的被訪者說：“我到單位后，很多熱心的前輩為我介紹對象，但是我現(xiàn)在還不想考慮這個問題，因為如果有可選擇的工作，也許我會換工作。而他們大部分想給我介紹的是同行。所以，我暫時不能考慮這個問題?！?/p>

利用上述多孔板模型進行多個工況的計算時，具體模型選取及邊界設置如下：

一是農(nóng)民認識不高，環(huán)保意識不強。秸稈焚燒的主體是農(nóng)民，由于農(nóng)民的文化教育水平不高，對秸稈焚燒的危害認識比較膚淺。以沅江市南嘴鎮(zhèn)的部分村民為例，在多年的耕種中，秸稈主要是焚燒為主，稻谷秋收之后，選擇天氣較好的時段直接焚燒，部分農(nóng)民沒有認識到焚燒秸稈不但會影響天氣質(zhì)量，而且還有可能帶來巨大的安全隱患，甚至引發(fā)大面積的火災，危害人們?nèi)罕姷呢敭a(chǎn)安全。因此，農(nóng)民環(huán)保意識不足，認識不到焚燒秸稈會給環(huán)境污染帶來嚴重的危害，是秸稈禁燒難的主要原因。

湍流模型：Realizablek-ε湍流模型；

流體：空氣，密度為1.02 kg/m3；

進口邊界：速度進口，速度為20.7 m/s；

出口邊界：壓力出口，壓力值為大氣壓。

(2)壓降—流速擬合求解

模型中的多孔板具有節(jié)流作用，煙氣在多孔板附近的流向、速度將發(fā)生改變，會產(chǎn)生較大的壓降。同時，在多孔板附近會產(chǎn)生較多的渦流，影響正常的壓力測量。因此多孔板前端和后端位置的確定原則是選擇壓力基本穩(wěn)定的平面，文章選取的多孔板前端位置距多孔板0.5 m，多孔板后端位置距多孔板0.7 m。

應用多孔板模型，在不同進口速度的條件下，計算得到多孔板前端和后端的壓降，具體數(shù)據(jù)匯總見表1。根據(jù)匯總的數(shù)據(jù)，結合多項式擬合方法，完成壓降—流速二次多項式擬合，二次擬合函數(shù)為y=0.546x2+0.027x。

表1 多孔板前端和后端的壓降以及具體擬合數(shù)據(jù)

根據(jù)式(1)中介紹的多孔介質(zhì)原理可知：

0.546=C2×0.5×ρ×t

(7)

0.027=μ/α×t

(8)

式中：ρ為氣體密度，取1.02 kg/m3；t為多孔板厚度，取6 mm；70 ℃的空氣動力粘度μ取2.04×10-5Pa·s；根據(jù)公式(7)可以求解得出壓力階躍系數(shù)C2=178.43；根據(jù)公式(8)可以求解得出面滲透性系數(shù)α=4.53×10-6。

(3)擬合參數(shù)驗證

表2 進口速度為2 m/s時不同計算方法的速度標準差

表3 進口速度為5 m/s時不同計算方法的速度標準差

由表2和表3可知，在相同的計算方法及邊界條件下，速度標準差與氣流速度、目標平面的位置密切相關。對于多孔板模型，出口0.4 m處的速度標準差較大，這是因為該處氣流未完全穩(wěn)定，可不做比較。不同進口速度下的速度標準差值不同。在同一速度下，隨著目標平面與多孔板距離的增大，多孔板模型與壓降—流速擬合求解模型的速度標準差的差值減少。該設計方案中開發(fā)的濕式電除塵器煙氣設計速度在2 m/s左右，電除塵器內(nèi)收塵管底部與多孔板距離約1.8 m，整個電除塵器計算模型網(wǎng)格數(shù)量在900萬左右。結合濕式電除塵器的具體情況，重點關注表3中出口1.6 m處的速度標準差值，采用壓降—流速擬合求解模型計算的速度標準差與實際多孔板模型計算速度標準差的相對差值在15%以內(nèi)，說明仿真結果具有較好的參考價值。

2 流場仿真設計

2.1 初始方案

在設計過程中，需要根據(jù)仿真結果找出導致濕式電除塵器收塵區(qū)域氣流不均勻的原因，調(diào)整導流板的數(shù)量、位置等參數(shù)，對流場進行優(yōu)化。根據(jù)電除塵器仿真結果進行多次優(yōu)化，以滿足濕式電除塵器內(nèi)氣流均勻性要求。設計方案以120 t轉爐用直徑7.6 m濕式電除塵器為例進行流場仿真，工藝流程為煙氣從設備底部的入口處水平進入到濕式電除塵器內(nèi)部，沿設備筒體向上流入收塵區(qū)域，實現(xiàn)煙氣和粉塵的分離。收塵區(qū)域的收塵蜂窩管需要利用噴淋水定時沖洗實現(xiàn)清灰，帶有粉塵的沖洗水落入排水槽經(jīng)排水管進入水循環(huán)系統(tǒng)。收塵區(qū)域由280根正六邊形的蜂窩狀收塵板組成。

Bivariate copula: t (par = -0.2, par2 = 15.76, tau = -0.13)

濕式電除塵器數(shù)值仿真模型邊界設置如下：

1990年，德國數(shù)學家Stefan Hilger在他的博士論文中建立了時標理論，即一種連續(xù)和離散計算的統(tǒng)一方法.考慮到概周期現(xiàn)象較周期現(xiàn)象更為常見、自然界會受到人類的開采等因素的影響以及非自治系統(tǒng)更能精確地描述實際情況，本文研究時標上具反饋項和Holling-type Ⅱ類功能性反應的修正Leslie-Gower捕食模型

湍流模型：Realizablek-ε湍流模型；

流體：煙氣，密度為1.02 kg/m3；

山水畫的筆墨總是在概括一山一水的自然物象，一時一地的風土人情，正如宋代郭熙對不同地方的山的描寫也不同：“嵩山多好溪，華山多好峰，衡山多好別岫，常山多好列岫，泰山特好主峰。天臺、武夷、廬霍、雁蕩、岷峨、巫峽、天壇、王屋、林慮、武當皆天下名山巨鎮(zhèn)，天地寶藏所出，仙圣窟宅所隱，奇絕神秀，莫可窮其要妙。欲奪其造化，則莫神于好，莫精于勤，莫大于飽游飫看，歷歷羅列于胸中?！?/p>

進口邊界：速度進口，速度分別為0、0.6、0.8、1.2、1.6、2.5、3.5、4.5、5 m/s；

出口邊界：壓力出口，壓力值為大氣壓；

多孔板簡化：采用多孔階躍模型，面滲透性系數(shù)α設置為4.53×10-6，壓力階躍系數(shù)C2設置為178.43。

采用相對均方根差對電除塵流場進行評判[2]。

(9)

濕式電除塵器電場橫截面氣流分布均勻性要求為σr≤0.25。

初始方案下，280根蜂窩管進口端0.5 m處氣流速度分布計算結果表明，280根蜂窩管內(nèi)氣流速度分布明顯不均勻，中間區(qū)域存在局部高速，遠端存在局部低速。為了更好地分析蜂窩管筒體內(nèi)氣流均勻性，對每根蜂窩管內(nèi)煙氣流速進行了統(tǒng)計。

由統(tǒng)計結果可知，280根蜂窩管中單根蜂窩管內(nèi)煙氣最小流速為0.853 m/s，最大流速為1.933 m/s，而理想分布時平均流速應該為1.376 m/s；蜂窩管內(nèi)煙氣速度標準差為0.293 m/s，相對均方根差值為0.213。單根管內(nèi)煙氣流速過大不僅影響該收塵管捕集煙氣粉塵的效率，還會降低設備的整體收塵效率，因此，文章重點關注的是蜂窩管內(nèi)煙氣流速偏離上限值的蜂窩管的數(shù)量。280根蜂窩管中單根蜂窩管內(nèi)煙氣流速大于1.65 m/s(偏離理想分布的平均流速1.376 m/s約20%，后文稱之為偏離上限值)的蜂窩管數(shù)量為72根，占收塵管總數(shù)的25.7%。

2018年4月23日，?？谑忻捞m區(qū)法院以李向國犯受賄罪，判處有期徒刑四年六個月，并處罰金50萬元。2008年3月至2015年9月間，李向國先后收受165萬，用于個人消費和家庭開銷。

2.2 優(yōu)化后方案

根據(jù)初始方案的仿真結果，保持模型的邊界條件不變，利用田口正交試驗法確定試驗方案，對濕式電除塵器設備筒體底部導流板位置、尺寸、長度、個數(shù)以及兩層多孔板間距等影響仿真結果的參數(shù)進行優(yōu)化仿真分析。經(jīng)過數(shù)十次的仿真計算后，從仿真結果里取出最優(yōu)值，優(yōu)化后蜂窩管進口端0.5 m處煙氣流速分布結果顯示煙氣流速分布雖然仍存在一定的局部高速區(qū)和局部低速區(qū)，但與初始方案相比，流速相對更加均勻。

對每根蜂窩管內(nèi)煙氣流速進行了統(tǒng)計，結果顯示：單根蜂窩管內(nèi)煙氣最小流速為0.72 m/s，最大流速為1.855 m/s；理想分布時平均流速為1.376 m/s，標準差為0.233 m/s，煙氣流速相對均方根差值為0.169；280根蜂窩管中，單根蜂窩管煙氣流速大于1.65 m/s(偏離上限值)的蜂窩管數(shù)量為16根。優(yōu)化后，煙氣流速相對均方根差值和單根蜂窩管煙氣流速大于偏離上限值的數(shù)量均有所降低，氣流均勻性得到改善，具體對比見表4。

表4 濕式電除塵器蜂窩管內(nèi)煙氣流速

3 工程應用情況

基于上述流場仿真研究的成果，開發(fā)了適用于80～300 t轉爐的多個規(guī)格的防爆節(jié)能型濕式電除塵器，安裝在原濕/干式除塵系統(tǒng)后，并成功應用于多家鋼鐵企業(yè)轉爐一次除塵系統(tǒng)超低排放改造工程項目。經(jīng)檢測，現(xiàn)場設備運行情況良好，排放出口粉塵質(zhì)量濃度滿足超低排放要求，具體參數(shù)見表5。需要說明的是，由于原轉爐一次除塵系統(tǒng)已經(jīng)使用多年，除塵效率相比新建成的系統(tǒng)已有所下降，無論是濕法除塵系統(tǒng)還是干法除塵系統(tǒng)，其處理后的煙氣粉塵質(zhì)量濃度均大于設計值。

表5 新增濕式電除塵器除塵效率統(tǒng)計

4 結論

(1)對于開孔率為50%、圓孔直徑為60 mm、孔板厚度為6 mm的多孔板的數(shù)值仿真，經(jīng)驗公式不適用于此類多孔板簡化計算，通過擬合公式的方式求解得出的壓力階躍系數(shù)和面滲透性系數(shù)后，進行多孔板模型簡化計算是可行的；

(2)導流板、多孔板中影響氣流均布的參數(shù)較多，采用田口正交法進行試驗設計可極大降低計算工作量；

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(3)流場仿真可有效改善電除塵器蜂窩管內(nèi)煙氣流速的均勻性指標，提高除塵效率，降低工程風險，節(jié)約設計時間和設計成本。