基于CFD的轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵優(yōu)化研究

摘要：提出基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即通過優(yōu)化排煙罩、除塵器、管道系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)，引入輕量化材料與智能監(jiān)控技術(shù)，對除塵結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，構(gòu)建包含幾何模型、湍流模型、兩相流模型及精確邊界條件的數(shù)值模擬體系，全面模擬除塵系統(tǒng)性能。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能顯著提升除塵效率，具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；轉(zhuǎn)爐冶煉；二次煙氣；除塵

中圖分類號(hào)：TK229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）10-00-03

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Optimization Research of Secondary Flue Gas Dust Removal in Converter Smelting Process Based on CFD

ZHONG Liping

（Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science & Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

Abstract： The optimal design of secondary flue gas dust removal in converter smelting process based on computational fluid dynamics is proposed. By optimizing the exhaust hood， dust collector， filter bag， pipeline system and fan， introducing lightweight materials and intelligent monitoring technology， the dust removal structure is finely designed. At the same time， a numerical simulation system including geometric models， turbulence models， two-phase flow models， and precise boundary conditions is constructed to comprehensively simulate the performance of dust removal systems. The result showes that the optimized design scheme can significantly improve the dust removal efficiency， which has practical value.

Keywords： computational fluid dynamics; converter smelting; secondary smoke; dust removal

轉(zhuǎn)爐冶煉是鋼鐵生產(chǎn)中的核心環(huán)節(jié)之一，其高效、穩(wěn)定運(yùn)行對于提升整體生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。然而，轉(zhuǎn)爐冶煉過程中會(huì)產(chǎn)生大量含有高濃度粉塵顆粒以及一氧化碳、二氧化硫等有害氣體的二次煙氣，這些有害物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成不可忽視的潛在危害[1]。如何高效地管理和凈化煙氣，成為當(dāng)前鋼鐵行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)與重要任務(wù)。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）作為先進(jìn)的數(shù)值模擬工具，已廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域。該技術(shù)能夠模擬復(fù)雜流體流動(dòng)，可為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持[2]。盡管CFD在轉(zhuǎn)爐冶煉中的應(yīng)用日益增多，但在二次煙氣除塵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用較少。鑒于此，針對基于CFD的轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵優(yōu)化設(shè)計(jì)展開研究，以達(dá)到提高除塵效率、降低運(yùn)行成本、促進(jìn)鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的目標(biāo)。

1 轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下。首先，排煙罩作為捕集煙氣的第一道防線，其優(yōu)化設(shè)計(jì)對于提高除塵效率至關(guān)重要。借助CFD設(shè)計(jì)流線型排煙罩，尺寸精確至寬度為5 m、高度為3 m、深度為2 m，并采用316L不銹鋼材質(zhì)，確保其在高溫、腐蝕環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過細(xì)致計(jì)算，排煙罩的安裝位置應(yīng)位于爐前1.0 m和爐后1.5 m處，以確保捕集效率最大化，同時(shí)減少氣流阻力，避免產(chǎn)生渦流，提升捕集效果。其次，針對轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣的特性，選用布袋除塵器作為核心過濾設(shè)備，設(shè)置過濾面積為1 000 m2，風(fēng)速為1.0 m/s，濾袋直徑為

130 mm、長度為6 000 mm，同時(shí)引入脈沖噴吹清灰方式，確保清灰過程徹底與高效，延長濾袋的使用壽命。其中，濾袋布局采用方形排列、交錯(cuò)排列及環(huán)形排列等多樣化配置方式（見圖1），并精細(xì)設(shè)計(jì)凈氣室，配備壓型板結(jié)構(gòu)和經(jīng)優(yōu)化的脈沖閥布局，確保濾袋高效清灰，保障氣體凈化質(zhì)量。最后，在管道系統(tǒng)方面，主管道直徑為500 mm，分支管道直徑為400 mm，均采用耐磨耐腐蝕合金鋼材質(zhì)，并將彎頭優(yōu)化設(shè)計(jì)為圓角過渡，減少渦流和阻力。風(fēng)機(jī)選型為離心式，流量達(dá)50 000 m3/h，壓頭為3 000 Pa，配備變頻調(diào)速器以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)速，同時(shí)采用鋁合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)材料，減輕其質(zhì)量。

在除塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過CFD模擬優(yōu)化管道布局、直徑及彎頭，降低阻力，保障煙氣順暢。選用耐磨耐腐蝕合金鋼，提升除塵設(shè)備耐用性。風(fēng)機(jī)選型離心式配變頻調(diào)速，根據(jù)煙氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行穩(wěn)定且節(jié)能。同時(shí)，引入智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測與智能化管理，提高除塵的效率與穩(wěn)定性[3]。

2 轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

2.1 幾何模型

根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉系統(tǒng)的實(shí)際布局與尺寸，構(gòu)建除塵器的幾何模型，如圖2所示。煙氣自煙氣進(jìn)口進(jìn)入除塵器系統(tǒng)，經(jīng)過預(yù)除塵區(qū)域的初步凈化處理，可去除較大顆粒物。而后，煙氣通過花板被分配至濾袋組中。濾袋組作為除塵系統(tǒng)的核心部分，其內(nèi)部密布的高效濾袋能攔截并捕獲細(xì)微煙塵顆粒，確保排放氣體達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。清潔后的氣體則進(jìn)入濾袋室，并通過煙氣出口排出系統(tǒng)，完成除塵流程[4]。

2.2 湍流模型

針對轉(zhuǎn)爐煙氣所特有的高雷諾數(shù)及流動(dòng)特性，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為分析工具。該模型憑借湍流動(dòng)能k與耗散率ε的核心方程，模擬湍流能量的生成、傳播、耗散及轉(zhuǎn)化過程，為除塵系統(tǒng)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

具體而言，湍流動(dòng)能k方程描述湍流能量的產(chǎn)生與耗散機(jī)制，公式為

（1）

式中：ρ為流體的質(zhì)量；ui為流體在i方向上的運(yùn)動(dòng)快慢；t為時(shí)間；xi、xj分別為在三維空間的i和j方向上的坐標(biāo)；u為速度分量的矢量；ut為湍流黏度；σk為k方程的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為湍流動(dòng)能；Gb為湍流動(dòng)能的耗散量；ρε為分子黏性轉(zhuǎn)化為熱能并耗散的過程；YM為湍流動(dòng)能的額外貢獻(xiàn)，對于不可壓縮流體，流體密度保持不變，因此YM=0。

湍流耗散率ε方程揭示湍流能量耗散的過程，公式為

（2）

式中：σε為ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；C1ε、C2ε、C3ε均為常數(shù)。

基于k-ε湍流模型，分析轉(zhuǎn)爐冶煉中二次煙氣的湍流特性，為除塵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 兩相流模型

基于物理原理，構(gòu)建3個(gè)關(guān)鍵的控制方程，用于描述并模擬氣相流動(dòng)特性。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，氣體的質(zhì)量在流動(dòng)過程中是恒定的，這意味著沿著速度向量方向的氣體質(zhì)量的空間變化率之和為0。質(zhì)量守恒方程為

（3）

式中：為單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的流體質(zhì)量。

動(dòng)量守恒方程揭示氣體流動(dòng)時(shí)動(dòng)量的變化規(guī)律，公式為

（4）

式中：ueff為有效黏度；p為壓力梯度；·（ueffu）

為黏性力項(xiàng)；Fp-g為顆粒相對氣相的作用力。

對于顆粒相，采用拉格朗日方法描述其運(yùn)動(dòng)軌跡。顆粒運(yùn)動(dòng)方程和位置更新方程為

（5）

式中：vp為顆粒的速度向量；g為重力加速度；mp為顆粒動(dòng)能；Fd為曳力；Fo為其他顆粒上的力；xp為顆粒的位置向量。

2.4 邊界條件設(shè)置

邊界條件對數(shù)值模擬結(jié)果至關(guān)重要，需要重視氣相參數(shù)界定、進(jìn)出口及壁面邊界條件的合理設(shè)置，以優(yōu)化除塵系統(tǒng)性能。邊界條件設(shè)置情況如表1所示。

氣相物理參數(shù)包括煙氣溫度100 ℃、氣相密度0.946 kg/m3、動(dòng)力黏度2.43×10-5 Pa·s及煙氣密度0.967 kg/m3，反映實(shí)際工況。進(jìn)口邊界設(shè)定為速度入口，速度為5.03 m/s，湍流強(qiáng)度為5%，當(dāng)量直徑為3.5 m，模擬復(fù)雜入流。出口邊界上，除塵器出口為-800 Pa，壓力出口模擬負(fù)壓，煙道出口0 Pa并附加外流條件確保排出。壁面處理光滑、無滑移且絕熱，減少流動(dòng)與熱傳遞干擾。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

以某鋼鐵廠為案例，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和兩相流模型，在不同工況下對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵系統(tǒng)進(jìn)行模擬，優(yōu)化前后除塵效率的對比結(jié)果如表2所示。

由表2可知，優(yōu)化后除塵系統(tǒng)的除塵效率顯著提高，充分驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。優(yōu)化后的排煙罩設(shè)計(jì)可顯著減少渦流損耗和阻力損失，提高煙氣捕集效率。

4 結(jié)論

文章提出轉(zhuǎn)爐冶煉過程二次煙氣除塵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對優(yōu)化方案的高效性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，優(yōu)化后系統(tǒng)的除塵效率得到了大大提升。未來，該除塵系統(tǒng)有望在自動(dòng)化控制、材料輕量化等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新與優(yōu)化，為推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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