布袋除塵系統內煤氣流運動的數值模擬

樂庸亮,程樹森

(1.北京科技大學冶金與生態工程學院,北京,100083;2.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室,北京,100083)

干法除塵技術較傳統的濕法除塵有很大的優勢，它不僅投資小、占地少、除塵效率高、耗水量小、污染物排放量少，而且能高效利用高爐煤氣的余熱余壓，從而帶來巨大的經濟效益和社會效益[1-3]。布袋除塵器是一種干式濾塵裝置，在高爐煤氣除塵系統中得到越來越廣泛的應用，人們對其進行了多方面的研究。王冠[4]對布袋除塵器內不同的導流板布置形式進行了比較和優化研究。王飛等[5]對高爐煤氣袋式除塵器的入口段進行數值模擬，分析了氣相速度場和壓力場的分布情況。沈強[6]通過數值模擬方式分別研究了袋式除塵器內加開口氣流分布板和加導流板時箱體內部不同截面的速度場和壓力場。張景霞等[7]運用CFD軟件對袋式除塵器單元模塊的除塵空間氣流組織進行了數值模擬分析，并給出了不同位置的布袋在不同高度上的氣流速度圖。王志剛等[8]運用計算流體力學方法對除塵布袋進行了三維數值模擬，并考察了整個除塵系統的流量分配以及速度、壓力等的內部分布規律。然而總的來說，對影響布袋除塵器內煤氣流量分布的主要因素進行探討的還相對較少。

某鋼廠的一座高爐自采用全干法布袋除塵系統以來，運行一直良好，近來發現一些箱體內的布袋燒爛、燒穿現象嚴重。經初步分析，是由于進入不同箱體內的煤氣流量差別巨大導致。進入煤氣量較多的箱體內，布袋受到高溫煤氣的嚴重沖刷，煤氣中的大顆粒粉塵過分集中在這些箱體內，導致布袋不堪重荷而燒爛、燒穿，嚴重影響了高爐的穩定運行。

本文針對這一現象，擬采用Fluent軟件對布袋除塵系統內的煤氣流分布情況進行數值模擬，重點研究煤氣在主管道和各個箱體內的速度和流量分布，并通過改變入口煤氣流量、煤氣密度和管道直徑等參數，對影響煤氣流分布的主要因素進行探討，以期為合理設置分流導板、延長布袋使用壽命、確保設備穩定運行提供參考。

1 箱體及管道的計算模型

1.1 物理模型

本文側重于氣相流動的三維研究，暫不考慮傳質、傳熱，僅從煤氣運動動力學的角度進行討論。為了便于計算和建模，適當簡化模型，并做出如下假設：

(1)進入管道內的煤氣為不可壓縮流體，粉塵顆粒在煤氣中分布均勻，且不考慮煤氣中各種粉塵顆粒對煤氣流運動的影響。

(2)由于研究對象主要為煤氣主管道和各個箱體入口處的流量，而箱體內的布袋結構較為復雜，并且基本不會對煤氣進入箱體內的流量產生影響，因此忽略箱體內的布袋。

(3)由于主管道兩側的箱體為對稱結構，為了簡化計算，只研究一側的箱體和煤氣主管道。

1.2 數學模型和邊界條件

選擇k-ε湍流模型模擬氣相流動，采用SIMPLEC算法計算氣體的速度分布場。煤氣流的流動方程由質量守恒定律、動量守恒定律來確定。

(1)連續性方程

·(ρv)=0

(1)

(2)N-S方程

·(ρvv)=-p+[μ(v+vT)]+

ρg+F

(2)

(3)k-ε方程

k方程:

·(ρvk)=k]+Gk-ρε+Sk

(3)

ε方程:

·(ρvε)=ε]+

(4)

其中：

Gk=μtv·(v+vT)

(5)

(6)

式(1)～式(6)中:ρ為煤氣密度，kg/m3；v為速度矢量，m/s；p為壓力，Pa；μ為運動黏度，Pa·s；μt為湍流黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2；F為體積力,N；k為湍動能， m2/s2；ε為湍動能耗散率，m2/s3；Sk、Sε均為用戶定義的源項；其他物理量參見文獻[9]，按文獻[9]推薦取值，Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

煤氣在主管道的入口邊界條件為質量流量入口，出口邊界條件為箱體壓力出口，固體壁面均為無滑移壁面邊界條件并采用標準壁面函數。為了監測各箱體的入口流量，將煤氣主管與各個箱體的煤氣支管的銜接面從左到右依次命名為face1、face2、…、face8,并將類型設為interior，主管道分為三節，直徑從左到右依次為1800、2200、2600 mm，如圖1所示。采用Gambit軟件包建模并分塊劃分網格,如圖2所示。

圖1 煤氣主管道Fig.1 Main pipe of the gas

圖2 箱體和主管道的網格劃分模型Fig.2 Mesh model of the cabinets and main pipe

2 數值計算與分析

將劃分好的網格模型導入到Fluent軟件中進行計算。為了全面分析管道和箱體內煤氣運動的速度云圖和速度矢量圖，分別建立不同方向的觀測面。當入口煤氣速度設為38m/s時，箱體z軸方向主觀測面的速度云圖和速度矢量圖如圖3和圖4所示。

由圖3可見，從右到左，箱體出口處的煤氣速度總體上呈增大趨勢，同時由于出口處的煤氣管徑變小，導致出口處的煤氣速度較入口處有一定的增大。由圖4可見，煤氣沿著進氣管道進入箱體下部并沖擊灰斗底部，之后煤氣速度明顯降低，煤氣流從各個方向匯集到出口附近并逃逸，出口處的煤氣速度有了較大提高。

圖5為煤氣主管道的速度云圖。從圖5可以看出，煤氣在主管道內的速度隨著煤氣的深入而整體上逐漸減小，但是在管道直徑減小的地方，煤氣速度有突然增大的現象。這是因為在煤氣流量一定的情況下，煤氣管道的橫截面積突然減小，導致單位面積通過的煤氣量增大，所以在此處的煤氣速度突然增大。

圖3 箱體z向主觀測面的速度云圖(由左至右分別為1#～8#箱體)Fig.3 Velocity contour viewed from z direction (from left to right are 1#～8# cabinets)

圖4 箱體z向主觀測面的速度矢量圖及2#箱體局部放大部分Fig.4 Velocity vector contour of the cabinets and its enlarged parts

(a)y=0

(b)z=0

圖6為主煤氣管道的速度矢量圖。由圖6可見，主管道內的煤氣由于不斷進入箱體，速度越來越小。在煤氣管道直徑將要變化的地方，煤氣管道中心處的速度比兩側的速度明顯要大。從D部放大圖中可以看到，在煤氣管道盡頭處有輕微的回流現象發生，這是由于煤氣到達管壁處而產生速度反向,但由于此時煤氣速度較低，所以回流的強度不是太大。

圖6 煤氣主管的速度矢量圖及其局部放大(z=0)Fig.6 Velocity vector contour of the main pipe and its enlarged parts

3 煤氣流量分布的影響因素分析

3.1 入口煤氣流量

在煤氣密度設為1.3 kg/m3的條件下，將主管的入口煤氣流量Q分別設為100、200、300 kg/s,此時各個箱體的入口煤氣量占主管入口煤氣總量的質量分數如圖7所示。

圖7 不同煤氣流量下進入各個箱體的煤氣質量分數

Fig.7Massfractionofgasintodifferentcabinetsatdifferentinletgasflow-rates

由圖7可以看出，盡管進入不同箱體的煤氣量差別很大，但是主管入口煤氣流量不同時，進入同一箱體的煤氣質量分數保持相對穩定。對于同一入口煤氣流量，相同主管直徑上的1#～3#箱體、4#～5#箱體、6#～8#箱體的入口煤氣量都分別在依次降低，而在3#～4#、5#～6#箱體之間的煤氣流量突然增大。對于不同的主管入口煤氣流量，這一變化趨勢沒有改變，可見，不同的主管入口煤氣流量不是導致箱體內煤氣流量分布發生變化的主要因素。

3.2 煤氣密度

控制煤氣主管的入口流量為200 kg/s，依次將入口煤氣密度ρ設為1.1、1.3、1.5 kg/m3，統計進入各個箱體的煤氣質量分數，如圖8所示。

圖8 不同煤氣密度下進入各個箱體的煤氣質量分數

Fig.8Massfractionofgasintodifferentcabinetsatdifferentinletgasdensities

由圖8可以看出，盡管進入各個箱體的煤氣質量分數有所波動，但是煤氣密度不同時，各個箱體內的煤氣流量分布沒有明顯的變化，且和圖7中的煤氣流量分布趨勢基本保持一致。這表明煤氣密度也不是影響煤氣在各個箱體內分布情況的主要因素。

3.3 主管道直徑

從上述研究結果中可以看到，在煤氣主管徑突變的4#、6#箱體處，煤氣速度和進入箱體的流量都有明顯變化，由此推測煤氣主管道的直徑對箱體煤氣的分布規律有一定的影響。

保持模型原有尺寸，只是將三節主管道的直徑改為同一值2200 mm，其余參數不變。煤氣密度定為1.3 kg/m3，分別設定煤氣的入口流量Q為100、200、300 kg/s，統計各個箱體入口煤氣質量分數，如圖9所示。

由圖9可見，主管入口煤氣流量不同時，同一箱體的入口煤氣質量分數變化很小，而不同箱體的入口煤氣質量分數從1#～8#依次降低，并沒有出現在某一箱體處的突變情況。對比圖7、圖8和圖9可知，煤氣主管道的直徑在影響各個箱體的煤氣流量分布規律方面起著決定性的作用。

當三節管道直徑同為2200 mm時,設主管道入口煤氣流量為200 kg/s、煤氣密度為1.3 kg/m3，此時主管道的速度云圖如圖10所示。

圖9 主管徑不變時進入各個箱體的煤氣質量分數

Fig.9Massfractionofgasintodifferentcabinetswiththesamediameterofmainpipe

(a)z=0

(b)y=0

由圖10可以看出，當煤氣主管道直徑不變時，煤氣速度變化非常有規律，不會由于管徑變化而在某一位置出現煤氣流速度突增的現象。隨著管道的深入，煤氣速度分段減小的趨勢非常明顯。在圖10中還可注意到，煤氣速度明顯減小的地方都是主管兩側連接有支管的地方，由于一部分煤氣流通過煤氣支管進入箱體，導致主管通過的煤氣流量逐漸減小，進而煤氣速度也會逐漸減小。考慮到煤氣速度和流量的關系可知，當主管道直徑不變時，煤氣流量分布不再有突變，這也從側面驗證了圖9中煤氣流量分布統計的合理性。

綜上所述，煤氣主管直徑對煤氣流量在不同箱體內的分布規律影響重大,而煤氣主管的入口煤氣流量和煤氣密度則對煤氣流量的分布規律影響不大。要想改善袋式除塵器的布袋燒穿、燒爛現象，必須控制煤氣在不同箱體的流量分布，使其分布趨于合理均勻。考慮到在目前條件下改變煤氣管道直徑不大現實，建議在流量較大的1#、4#、6#箱體入口處適當增加導流板來分流煤氣，使得進入各箱體的煤氣量變得均勻，減少對布袋的沖刷。導流板的具體位置和尺寸需要結合現場情況和測試數據進行進一步的模擬和分析。

4 結論

(1)入口煤氣流量、煤氣密度不同時，各個箱體的煤氣流量分布規律基本相同。總的來說，距離煤氣主管入口越遠，箱體入口煤氣流量越大，但靠近管道直徑發生變化處的箱體，其煤氣流量會發生突變。

(2)當煤氣主管直徑不變時，隨著管道的深入，煤氣速度呈減小趨勢，而進入各個箱體的煤氣流量隨著其與入口距離的增加呈增大趨勢，煤氣速度和流量都沒有發生突變。

(3)煤氣主管直徑對煤氣在不同箱體內的流量分布規律產生較大的影響。可以通過改變煤氣管道的直徑和長度來使各箱體的煤氣分布更加均勻合理。考慮到實際布袋除塵器的煤氣主管道改造工程量和費用，建議在煤氣流量偏大的1#、4#、6#箱體入口處增加導流板來分流煤氣。

[1] 黃小亞,顧智勇.高爐煤氣除塵技術[J].鋼鐵技術, 2003，22(3):54-56.

[2] 仲園，許相波.高爐干法除塵技術應用及節能分析[J].上海節能,2009(10):31-34.

[3] 肖作義,張世宇，趙常清.全干法布袋除塵技術凈化高爐煤氣[J].中國冶金, 2010(6):38-41.

[4] 王冠.脈沖袋式除塵器進氣口導流板形式的試驗研究[J].環境保護，2007(10B):71-74.

[5] 王飛，賈彩青，黃小亞.高爐煤氣袋式除塵器入口段的數值模擬[J].環境工程，2011，29(3)：88-90

[6] 沈強.袋式除塵器內氣流場的數值模擬[D].成都：西南交通大學，2007.

[7] 張景霞，沈恒根，方愛民，等.袋式除塵器氣流組織的數值模擬分析[J].中國環保產業，2007(12)：27-29.

[8] 王志剛，高原，閔健.工業布袋除塵器三維流場的數值模擬[J].石油化工設備，2010,39(5):22-26.

[9] Lauder B E，Spalding D B. Lectures in mathematical models of turbulence[M]. London: Academic Press,1972.