轉(zhuǎn)爐二次除塵門型罩煙塵捕集的數(shù)值模擬

趙丹丹 劉昌健 易勇兵

(中冶南方工程技術(shù)有限公司暖通除塵事業(yè)部，湖北武漢 430223)

0 引言

在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中，在兌鐵水、加廢鋼、出鋼以及出渣等冶煉過程均會產(chǎn)生大量煙塵，這些煙塵主要是在爐前和爐后產(chǎn)生。一次煙氣除塵系統(tǒng)中的煙氣罩不僅負(fù)責(zé)冶煉產(chǎn)生的煙塵，同時也兼顧加料和出鋼時產(chǎn)生的煙氣，這種捕集方式往往效果很不理想，粉塵容易外溢，所以必須增設(shè)二次除塵系統(tǒng)。在二次除塵系統(tǒng)中，由于在兌鐵水的瞬間，短時間內(nèi)產(chǎn)生大量煙塵，且含塵氣體的溫度非常高，熱壓作用強烈。

隨著國家節(jié)能減排政策的貫徹，各級政府更為嚴(yán)格的地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，各家鋼鐵企業(yè)越來越重視通風(fēng)除塵系統(tǒng)的投入，注重采用更加先進的除塵技術(shù)，完成國家給予的減排指標(biāo)，改善廠區(qū)環(huán)境。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)轉(zhuǎn)爐二次除塵罩布置形式已經(jīng)趨于一致，門型罩就是其中轉(zhuǎn)爐前除塵的主要形式。出現(xiàn)二次煙氣捕集效果不理想的情況，采用增加風(fēng)量、壓頭，優(yōu)化管道及增設(shè)屋頂三次除塵來提高煙氣捕集效果［1］。

目前普遍存在的問題是二次煙氣門型罩的捕集效率有待進一步提高，相應(yīng)產(chǎn)生的粉塵逃逸成為影響鋼鐵企業(yè)煉鋼車間環(huán)境質(zhì)量和工人作用環(huán)境的主要問題。與此同時，由于三次煙氣捕集系統(tǒng)的實際應(yīng)用還較少，加之投資的增加，如何合理設(shè)置三次除塵系統(tǒng)，仍存在較多的問題。

目前國內(nèi)各大鋼廠及研究機構(gòu)對轉(zhuǎn)爐二次煙氣的捕集改進主要集中在優(yōu)化管路設(shè)計及增加抽塵點、增加系統(tǒng)風(fēng)量上。某公司在對武鋼二煉鋼的二次煙氣改造中，采用在轉(zhuǎn)爐頂部樓板上設(shè)置密閉室并少量抽風(fēng)的技術(shù)方案，有效的控制了轉(zhuǎn)爐頂部煙氣自樓板眾多設(shè)備孔口處外溢的有效措施［2，3］。而增加系統(tǒng)風(fēng)量，優(yōu)化管道設(shè)計，往往是國內(nèi)眾多改造項目的采用最多的技術(shù)方案。寶鋼的一個改造項目中就通過擴大爐前排煙罩的排煙容量，對管道系統(tǒng)進行優(yōu)化，增加一套除塵系統(tǒng)從而提高二次煙氣除塵總風(fēng)量來提高二次煙氣的捕集率［1］。

國內(nèi)應(yīng)用CFD方法對轉(zhuǎn)爐煙氣除塵的分析雖已有嘗試，但仍處于初步探索階段，分析水平參差不齊［4］。一方面，現(xiàn)有普遍做法是簡單利用商業(yè)軟件進行計算，缺乏流體流動及傳熱理論分析，導(dǎo)致CFD數(shù)值模擬誤差較大;另一方面，對轉(zhuǎn)爐煙氣除塵問題的深入性和系統(tǒng)性研究都有待進一步發(fā)展。

本文通過ANSYS模擬，分析煙塵的擴散流動。主要研究二次抽塵罩罩口形式、狗屋是否封閉對煙塵擴散流動的影響以及煙塵擴散過程中氣流以及軌跡的變化狀況，為二次煙氣的捕集以及二次除塵罩的改進提供理論依據(jù)。

1 模型實驗

1.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

本研究以某轉(zhuǎn)爐車間一個轉(zhuǎn)爐跨的實際尺寸建立了物理模型，模型中按實際尺寸設(shè)置了二次煙氣捕集系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐(塵源)、吊車(障礙物)、鐵水罐等。

物理幾何模型如圖1所示。

圖1 物理幾何模型

1.2 模擬邊界條件確定

本研究擬取的二次除塵系統(tǒng)總風(fēng)量為40萬m3/h(工況)，其中轉(zhuǎn)爐爐口風(fēng)量為20萬m3/h(工況)。假設(shè)轉(zhuǎn)爐爐口含塵煙氣量為5 g/m3(工況)。轉(zhuǎn)爐本體溫度1 200℃，轉(zhuǎn)爐出口煙氣溫度530℃，室內(nèi)初始環(huán)境溫度30℃。

由于轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)是氣體和固體顆粒組成的流動系統(tǒng)，是一個氣固兩相流過程，而且粉塵的含量是變值，因此根據(jù)文獻［5］及現(xiàn)有工程取表1中參數(shù)。

表1 氣固物理參數(shù)設(shè)置

1.3 對比工況設(shè)置

本次模擬將改變門型罩的罩口形式和開放或封閉狗屋底部的這兩個方面來研究影響二次門型罩對煙塵的捕集效率，從而對二次門型罩的改進提供一定的參考。

四種對比工況設(shè)置見表2。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 從氣流角度分析

通過數(shù)值模擬得出的氣流速度場結(jié)果顯示，二次門型罩Case1，Case2工況中，1風(fēng)道氣流速度較快，2，3風(fēng)道氣流速度很小，大量煙塵主要從1風(fēng)道被捕集。這是由于2，3風(fēng)道相對于1風(fēng)道進風(fēng)面積小，風(fēng)量太小，無法形成理想的抽吸感，不足以將煙塵從2，3風(fēng)道抽走。

二次門型罩Case3，Case4工況中，由于只有1個風(fēng)道，那么煙塵呈放射狀的被1風(fēng)道抽走，由于風(fēng)道兩側(cè)阻力大，那么兩側(cè)相對速度較小。

因此1風(fēng)道的門型罩相對于3風(fēng)道的門型罩對煙塵的捕集效率更好。

四種工況下氣流分布圖見圖2。

表2 四種對比工況設(shè)置

圖2 四種工況下氣流分布圖

另外由于Case1相對于其他工況，狗屋底部沒有封閉，車間內(nèi)大量野風(fēng)較易呈誘導(dǎo)狀態(tài)被門型罩吸入，那樣就降低了門型罩對煙塵的捕集。而其他工況在狗屋封閉的情況下，因整個狗屋形成負(fù)壓，車間內(nèi)野風(fēng)在狗屋內(nèi)循環(huán)上升的過程中，門型罩向上的抽吸對野風(fēng)循環(huán)形成了有效的阻斷，防止野風(fēng)進入門型罩，這樣就提升了門型罩的捕集能力。

Case4工況由于頂部沒有導(dǎo)流板對煙塵的阻擋，煙塵在熱浮升力的作用下，很快就從上溢流出去，那么就降低了二次門型罩的捕集。

通過以上的分析可以得出，Case3工況對煙氣的捕集效率相對最高。

2.2 從煙氣捕集率分析

此次模擬采用煙氣捕集率來評價各工況除塵效果的好壞，通過模擬二次門型罩出口處的粒子濃度采用式(1)計算出四種工況的煙氣捕集率，如表3所示。

式中:η—— 煙氣捕集率;

n1——二次門型罩出口煙塵粒子濃度;

n2——轉(zhuǎn)爐煙氣粒子濃度;

Q1——二次門型罩出口風(fēng)量;

Q2——轉(zhuǎn)爐煙氣量。

表3 四種工況下煙氣捕集率 %

從表3可以看出，Case3工況的煙氣捕集率最高，將近達到70%，Case1工況的煙氣捕集率最低，只有46.6%。從以上四種工況可以看出在狗屋底部開放的情況下，煙塵向外溢出的最多。在狗屋底部封閉的情況下，1風(fēng)道頂部設(shè)導(dǎo)流板的門型罩對煙塵的捕集率最高。

3 結(jié)語

本文利用ANSYS軟件模擬的轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)中狗屋是否封閉以及二次門型罩罩口形式的情況下煙塵的擴散情況，從而得出以下結(jié)論:

1)在狗屋底部開放的情況下，二次門型罩從狗屋抽的野風(fēng)偏大，煙塵逃逸率高，煙塵捕集率低，需將狗屋底部封閉。

2)在狗屋底部封閉的情況下，二次煙氣門型罩只有一個進風(fēng)道時，煙塵捕集率較高。

3)二次門型罩頂部設(shè)導(dǎo)流板時，煙塵的捕集率較高。

［1］王永忠，徐德良，王彥寧.寶鋼轉(zhuǎn)爐煙氣二次除塵技術(shù)研發(fā)與進步［J］.環(huán)境工程，2009，27(2):3-5.

［2］遲志勇，張伏生，龍潔文.武鋼二煉鋼3×80 t轉(zhuǎn)爐二次煙氣除塵系統(tǒng)改造［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(8):6-7.

［3］遲志勇.轉(zhuǎn)爐二次煙氣除塵變工況及風(fēng)機調(diào)速［J］.環(huán)境工程，2009，27(3):84-86.

［4］陳 軍，代洪浪，李治友.CFD在轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用［A］.第五屆中國金屬學(xué)會青年學(xué)術(shù)年會論文集［C］.2010:395-398.

［5］Pieters.Secondary Dedusing Systems With High-performance Gas Cooling and Explosion-proof Design.Alstech 2007-The Iron＆Steal Technolgy Conferfence and Exposition，Indianapolis，lid，2007:51-59.

［6］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:12-16.