熱裝高爐高溫煤氣噴霧降溫塔CFD數值分析

江茂強，劉丹瑤，潘宏，夏朝暉

燃氣

熱裝高爐高溫煤氣噴霧降溫塔CFD數值分析

江茂強，劉丹瑤，潘宏，夏朝暉

（中冶南方工程技術有限公司能源環保分公司，湖北武漢430223）

高爐煉鐵采用原、燃料熱裝工藝能顯著提高鐵前工序顯熱資源利用效率。為保證高溫高爐煤氣的凈化回收系統安全，須在干法布袋除塵設施前設置一座噴霧蒸發降溫塔。采用Fluent軟件中的離散相模型對噴霧降溫塔內的流場進行了數值模擬，分析得到塔內氣相流場、溫度場分布以及霧滴運動規律等信息，對比分析了不同噴嘴角度和不同噴霧方向對塔內噴霧降溫效果的影響。分析結果可為噴霧降溫塔的結構設計和噴霧降溫過程的優化提供參考。

熱裝高爐；高溫煤氣；噴霧降溫塔；數值分析

1 前言

為有效利用高爐煉鐵鐵前工序的高溫爐料顯熱，近來發展了采用原、燃料熱裝的工藝[1-2]。此時，爐頂煤氣溫度為450℃左右，在煤氣重力除塵和旋風除塵后設置余熱鍋爐回收高爐煤氣余熱，并將煤氣溫度降至200℃再進入布袋除塵器凈化回收。為了確保余熱鍋爐離線安全檢修或故障時整個高爐煤氣輸配系統的安全連續運行，在余熱鍋爐的并聯旁路上研究開發一座降溫塔，采用噴霧蒸發冷卻的技術，實現在余熱鍋爐離線工況時對經切換通過該塔的高爐煤氣進行降溫。本文對噴霧降溫塔內的流場進行數值模擬分析，為該類裝置的設計和優化提供參考。

2 數值計算模型

2.1 氣相模型

氣相湍流模型采用標準k-ε雙方程模型[3-4]。高爐煤氣為混合氣體，且由于噴霧汽化，煤氣的組分發生較大的變化，因此需要同時考慮煤氣組分的擴散和輸運。

2.2 顆粒軌道模型

根據作用在顆粒（液滴）上力平衡，可以給出顆粒在拉格朗日坐標系下的運動方程：

式中，u，up，ρ，ρp，FD，F分別為氣相速度，顆粒速度，氣體的密度，顆粒的密度，顆粒的單位質量曳力和附加質量力。

2.3 氣粒兩相間傳熱傳質模型

（1）液滴蒸發分為兩個階段，第一個階段，當液滴溫度Tp小于液滴表面蒸發溫度Tvap時，液滴內部處于升溫階段。此時，氣粒間沒有質量交換，只有熱量交換，不考慮輻射傳熱，傳熱控制方程如下：

式中，mp和cp分別為液滴的質量和比熱容，Ap是液滴表面積；T∞是周圍氣體的溫度，h為對流傳熱系數。

（2）第二個階段，當液滴溫度Tp由于第一階段吸熱升溫達到液滴蒸發溫度Tvap時，液滴表面將發生蒸發現象。此時，由于在蒸發冷卻塔內液滴噴霧速度和氣相速度均較大，存在強制對流，根據Miller和Sazhin的理論，液滴表面的Stefan流將變得重要。氣粒間的傳質控制方程為：

同時，氣粒相間傳熱達到平衡，液滴表面溫度將不再發生變化，直到液滴蒸發完畢：

上兩式中，ρ∞為氣相密度；kc為對流質量傳遞系數，Bm為Spalding傳質系數，hfg為液滴蒸發潛熱。

上述氣相湍流模型、顆粒軌道模型和氣粒兩相間傳熱傳質模型構成了模擬噴霧蒸發過程的CFD模型。氣相湍流模型用于描述噴霧降溫塔內濕氣體的性質，如氣流的溫度、濕度、速度及壓力；顆粒軌道模型用于追蹤顆粒在降溫塔內的運動軌跡；氣粒間傳熱傳質模型用于描述兩相間質量、動量變換，能量的轉移和耗散[5-7]。

2.4 數值模擬過程

采用歐拉-拉格朗日方法進行兩相流計算，先對初始氣相流場采用有限差分的SIMPLE算法進行求解，然后借助于Fluent里面的Injection模型，將一定直徑的液滴按一定的噴射角噴入氣相流場，再依次求解液滴運動方程、氣粒間傳熱傳質方程，更新液滴運動軌道，兩相反復迭代計算直至收斂。

3 幾何模型、網格劃分及邊界條件設置

噴霧蒸發降溫塔的幾何結構如圖1，塔體內直徑為6000 mm，上部入口管內徑為?2780 mm，下部側向出口管內徑為?2580 mm，為降低出口管回流的影響，將出口管計算長度定為離塔中心10000 mm。模型網格采用Gambit2.4.6軟件劃分，如圖2，整體采用結構化網格，在出口管與塔體交接處采用非結構化網格進行過渡，網格總數為127873。

圖1 噴霧降溫塔結構圖

圖2 噴霧降溫塔網格模型

噴霧蒸發降溫塔進口高爐煤氣流量為38×104m3/h，壓力為0.3 MPa(G)，高爐煤氣成分為CO、CO2、H2、N2和H2O，其質量分數分別為：28.88%、23.98%、5.5%、35.94%和5.7%。進口溫度為450℃，入口邊界條件取質量流量入口，質量流量為141.13 kg/s，出口邊界條件取壓力出口。為達到塔體煤氣出口溫度為200℃，根據理論計算，總噴水量為14.854 kg/s，沿圓周方向均勻設置12個噴嘴。噴霧液滴按rosin-rammler規律分布，最小粒徑為60μm，最大粒徑為200μm，液滴初始噴射速度為40 m/s，溫度為35℃，噴嘴噴射角為30°。

4 模擬結果分析

4.1 噴霧前及噴霧工況下噴霧降溫塔內流場數值分析

圖3和圖4分別為噴霧前塔內速度分布圖和氣體流線圖，從圖中可以看出塔內入口氣體速度較大，進入更大的塔體氣相空間后，氣流速度下降，并從中心部位逐漸擴散到整個塔體截面，最終從出口以較高的氣流速度流出。而在塔體下部錐形灰斗部位，由于灰斗錐面的阻擋，氣流速度較低并出現了旋流和回流，這也與實際（如旋風除塵器等設備內流場）符合。

圖3 噴霧前塔內速度分布

圖4 噴霧前塔內氣體流線圖

圖5 為噴霧工況下降溫塔內的溫度場分布，可以看到塔體上部的煤氣由于大量液滴蒸發吸熱，在較短的豎向距離內氣體溫度瞬間急劇下降。統計最終出口截面平均溫度為475.49 K（202.34℃），與理論計算的200℃基本吻合，誤差僅為1.17%。

圖5 噴霧工況塔內溫度分布

圖6噴霧工況塔內速度矢量

圖6 為噴霧工況下降溫塔內氣體速度矢量分布圖，可以看到在大量液滴以40 m/s的高速被噴入后，氣相流場受到了明顯的影響，由于溫度急劇下降形成的較大溫差導致在噴嘴下方出現了較為明顯的渦流，如圖中A、B所示。并且由于噴霧后煤氣溫度的下降，降溫塔出口處的體積流量相應減小，出口處的最大氣體流速由噴霧前的17.75 m/s減小為13.57 m/s。

對噴霧塔內的液滴群進行跟蹤得到圖7所示的液滴運動軌跡分布圖，由模擬結果可以看出，所有液滴均在塔內得到完全蒸發，成為過熱蒸汽進入氣相空間，不會對后續的干法布袋除塵造成影響。同時，也看到液滴群即使初始速度較高，但由于其粒徑非常小，對應的相對雷諾數較小，在進入氣相空間后速度迅速降低后，被入口中心高速氣流“吹”向塔體四周，因而也造成圖5中所示的在噴嘴下部局部中心區域氣體溫度仍較高。

圖7 噴霧塔內液滴軌跡分布

4.2 不同噴嘴角度對噴霧降溫塔內流場影響

根據噴嘴豎直向下噴霧時的塔內流場數值分析，考慮不同噴嘴角度對塔內流場和溫度場的影響，定義噴嘴角度α為噴嘴中心線與豎向鉛垂線之間的夾角，如圖8所示，則即α=0°為噴嘴直接向下噴霧時的工況。本文分析α取值分別為0°、15°、30°和45°。

如圖9所示為不同噴嘴角度下塔內氣相流場速度分布云圖，從圖中可以看出隨著噴嘴角度的增大，塔中心噴嘴下方的低速回流區逐漸減小，到α=30°和α=45°時已經消失。說明隨著噴嘴角度的增大，噴霧液滴對流場的運動趨勢影響減小，且與圖3相比，可以看到當α=45°時塔內氣相流場的速度分布云圖與噴霧前的速度分布云圖已較為相似。

圖10所示為不同噴嘴角度下塔內溫度分布云圖，從圖中可以看出隨著噴嘴角度的增大，噴嘴下方塔中心的高溫區域逐漸減小變細，到α=30°和α=45°時已經消失。說明隨著噴嘴角度的增大，噴霧液滴對流場的運動趨勢影響減小。

圖8 噴嘴角度示意圖

圖9 不同噴嘴角度下塔內速度分布云圖

圖10 不同噴嘴角度下塔內溫度分布云圖

圖11 和圖12分別為不同噴嘴角度下塔內液滴群運動軌跡軸側圖和俯視圖，從圖中可以看出在α=0°時，有較多液滴被氣粒吹向塔壁，而隨著噴嘴角度的增大，液滴群開始向中間聚攏，并且液滴蒸發距離增大，這是因為噴嘴角度增大時，噴嘴將液滴更多地噴向塔體中心，在一開始液滴蒸發的就多，液滴群吸收的熱量就多，從而氣流溫度下降的更快，而隨著氣流溫度與液滴溫度的溫差減小，液滴蒸發就需要更長的時間和更長的距離。從圖12的俯視圖中，可以看到隨著噴嘴角度的增大，在塔體截面上，噴霧液滴群所覆蓋的范圍在逐漸減小，在α=0°和α=15°時，均有部分液滴被噴向塔壁，造成對塔壁的腐蝕；在α=45°時噴霧只覆蓋住塔體中心部位，不利于換熱；而α=30°時，噴霧面基本覆蓋塔體截面，基本濕壁，也有利于換熱進行。因而，綜合以上溫度場合液滴運動軌跡的分析，建議采用α=30°的噴嘴角度較佳。

圖11 不同噴嘴角度下霧滴運動軌跡軸側圖

圖12 不同噴嘴角度下霧滴運動軌跡俯視圖

4.3 噴霧方向對噴霧降溫塔內流場影響

按噴霧和氣體流動方向，可將本噴霧降溫塔分為并流型和逆流型兩種，以上4.1和4.2節中噴嘴出口霧滴與氣體呈同方向流動的型式即為并流型。而將噴嘴朝上，使得噴嘴出口霧滴與氣體呈反向流動則為逆流型，如圖13所示。本節以并流噴嘴α=30°和逆流噴嘴α=30°進行對比分析，比較不同噴霧方向對噴霧降溫塔內流場的影響。

圖13 逆流噴嘴角度示意圖

圖14 為模擬計算得到的逆流工況塔內溫度分布云圖和速度分布云圖，從圖中可以看出采用逆流型式后，塔內溫度場和速度場的分布都變得更加均勻。

圖14 逆流α=30°工況塔內速度和溫度分布

對比分析圖15與圖11（b）中并流和逆流型式下霧滴軸向運動軌跡和橫向運動軌跡，可以看出，在采用逆流型式后，霧滴軸向的運動距離有所減小，霧滴群的覆蓋面積更大，并且霧滴群的軸向運動行為在并流時為類似上錐形，而逆流時則為下錐形，這是因為向上噴出的初始錐形霧滴群被向下運動的逆向氣流吹掃擴散所致，如圖15（a）中的小圖所示。因而，綜合以上分析，采用方向向上的α=30°與氣流逆向的的噴嘴角度較佳。

圖15 逆流α=30°工況塔內霧滴運動軌跡

5 結論

采用噴霧蒸發冷卻工藝可有效地迅速降低高爐煤氣的溫度到設定溫度，保障高爐煤氣回收系統安全。且在塔內霧滴得到了完全蒸發，不濕底不濕壁。

采用霧滴與氣體并流型式時，噴嘴角度α=30°時效果較優，塔體內直筒段不存在低速回流區，霧滴幾乎充滿塔體截面并得到完全蒸發，降溫塔出口溫度達到預設的200℃。

采用霧滴與氣體逆流型式（噴嘴角度α=30°）比并流型式更優，但采用逆流型式可能會存在噴嘴被從上面墜落的灰塵堵住的問題，而采用雙流體噴嘴在高溫氣體進入塔體之前先打開輔助氣體（如氮氣或蒸汽）可有效解決該問題。

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CFD Numerical Analysis of FloWField in a High Tem perature Gas Spray Cooling Tower of Hot Charged Blast Furnace

JIANG Maoqiang，LIU Danyao，PAN Hong，XIA Zhaohui
(WISDRI Engineering&Research Incorporation Ltd.,Wuhan,Hubei 430223,China)

Adopting hot charging of raWmaterials and fuels in blast furnace can significantly improve the utilization efficiency of sensible heat resources in ironmaking process.To ensure the safety of the purification and recovery system of high-temperature BFG,a spray evaporative cooling tower must be installed before the dry bag dedusting facilities.The floWfield in the spray evaporative cooling tower was numerically simulated by using discrete phase model in the software Fluent,revealing detailed information of the gas floWfield,temperature field distribution and movement of the droplets.The impact of different nozzle angle and spray direction on the cooling effect of the spray tower was comparative analyzed.These analytical results can provide reference for structural design of the spray cooling tower and optimization of spray cooling process.

hot charged blast furnace;high temperature gas;spray cooling tower;numerical analysis

TQ542.7

A

1006-6764(2015)09-0015-05

2015－06－23

江茂強（1986－），男，碩士研究生學歷，工程師，現主要從事燃氣專業設計及研發工作。