高爐鼓風脫濕系統除霧器擋板結構兩相流場數值模擬

羅雨慧　謝建中　左可

摘要：

對高爐鼓風脫濕系統除霧器的除霧機理進行了詳細分析，在此基礎上參考實際運行參數，采用計算流體力學（CFD）方法對除霧器擋板結構內的氣液兩相流動進行了數值模擬，得到了液滴的運動軌跡以及液滴質量濃度、壓力、速度和旋渦分布情況，并對除霧器擋板結構內部兩相流場進行了深入分析.結果表明：鼓風脫濕系統除霧器能夠對攜霧氣流中的液滴進行有效的分離，從而保證鼓風脫濕系統連續可靠地運行.研究對除霧器的優化設計和運行具有指導意義.

關鍵詞：

除霧器； 鼓風脫濕； 兩相流； 壓降； 流場

中圖分類號： TQ 051.8文獻標志碼： A

Abstract：

Based on the analysis of the demisting mechanism of the demister in the blower dehumidification system of a blast furnace，the computational fluid dynamics（CFD） method was used to simulate numerically the twophase flow of the gas and liquid in the baffle structure of a demister with the actual operation conditions as a reference.The detailed distributions of the pressure，velocity，vortex，and droplet concentration were provided.The simulation also showed the tracks of the droplets.In addition，an indepth analysis and research on the twophase flow were conducted.The results showed that the demister could separate the droplets from the airflow effectively，so as to ensure that the blower dehumidification system could run continuously and reliably.This study is helpful to the optimization and operation of the demister.

Keywords：

demister； blast dehumidification； two phase flow； pressure drop； flow field

鋼鐵企業高爐鼓風站的電能消耗十分巨大，其中，鼓風脫濕系統中除霧器阻損對鼓風機的電能消耗影響較大[1].高爐鼓風系統設置的除霧器主要用于清除由鼓風冷凝時產生的游離霧滴，提高鼓風質量.

本文擬對鼓風脫濕系統中絲網與擋板組合式除霧器的分離機理進行詳細分析，在此基礎上對除霧器擋板結構內部氣液兩相流動進行數值模擬，得到流道內液滴的運動軌跡及壓力、速度、旋渦分布，為除霧器的進一步優化設計提供指導.

1除霧器的結構及工作原理

在脫濕除霧器中，擋板主要起導流作用，究其原因在于多層絲網結構的除霧效率很高（根據現場測試數據，對于粒徑大于1 μm的粒子，分離效率高達99%；對于粒徑大于2 μm的粒子，分離效率高達99.6%）.攜霧氣流流過絲網結構后，其中所夾帶的液滴幾乎全部被捕集除去.液滴在重力作用下沿絲網的絲徑向向下運動，同時繼續吸附氣體中夾帶的霧滴，凝聚變大的霧滴滴落在擋板上，沿擋板流入水槽中，進而排出除霧器外，實現除霧.

本文所研究的鼓風脫濕系統中除霧器布置在脫濕器內二級冷卻器之后，為壓板固定的框架式8層×8塊鋼絲網結構（7塊斜擋板）.除霧器除霧構件如圖1所示.在除霧器中，攜霧氣流流過鋼絲網層實現氣液分離，而被絲網捕集分離和與擋板撞擊分離的液滴則經擋板導流引入水槽中，進而被排出除霧器外.

攜霧氣流在除霧構件內流動，由于流線偏折，在慣性作用下，液滴不能隨氣流偏轉而撞擊到擋板上，其中：動量較小的液滴粘附在擋板表面被捕獲；動量較大的大液滴撞擊擋板表面發生濺射，產生多個小液滴.聚集在擋板表面的水滴受三種力的作用，即拉力、重力和表面張力.當重力占主導地位時，液滴在重力作用下沿擋板表面流入集液槽排出.氣流沖刷擋板表面的液膜，將其卷起、帶走.撞擊在擋板表面的液滴由于自身的動量過大而破裂、飛濺，均可能導致霧沫的二次夾帶.

2模型建立及網格劃分

攜霧氣流在除霧器內的流動實際上是一種可壓縮的黏性流體的三維、非定常的復雜流動.對這一實際流動情況無法采用數學形式精確描述.本文從既能較好反映實際情況又力求模型構造簡單角度出發，在合理誤差范圍內對流場作簡化：

（1） 由于氣流速度較小，馬赫數遠小于0.1，故可把氣體視為不可壓縮氣體處理[2]；

（2） 考慮在實際的穩定工作條件下，流動參數與時間的關系及氣流的振蕩對流場的影響可忽略，故將流動視為定常流動；

（3） 采用冷態條件，過程中不考慮溫度的影響，不考慮氣液傳熱和液體蒸發等現象；

（4） 由于液滴粒徑很小，故可作球形處理，考慮流動中其重力和氣相對液滴的曳力；同時假定其在運動中直徑不變，不考慮液滴之間的碰撞、聚合等現象，且忽略蒸發、摩擦、撕裂及熱效應的影響，不考慮氣液兩相之間的任何能量交換；

（5） 液滴無濺射，不考慮壁面反彈、液膜形成與撕裂，忽略二次帶水的影響；

（6） 液滴接觸擋板，即認為被捕集；液滴到達除霧器出口時，即認為液滴逃逸.

本文采用計算流體力學（CFD）應用軟件Fluent進行數值計算，應用其前處理軟件Gambit生成網格，并參考以往的數值計算結果和經驗[3]，整個計算區域采用非均勻的網格布置方式.為了提高整體網格質量，網格劃分時先對除霧器部分進行網格加密，采用內部面將除霧器所在體與其他體分離.

將模型分割為四個計算區域：方管段、除霧器、漸縮段和圓管段.先劃分除霧器的相關網格，在擋板結構上生成線網格，采用相似邊界軟連接，再采用混合結構網格從已有邊界網格生成擋板結構體網格，最后生成除霧器的體網格.除霧器簡化三維模型如圖2所示.其四個計算區域的網格劃分均采用混合結構網格，共生成75 965個節點，353 251個混合形式網格.除霧器網格劃分如圖3所示.

3數值計算方法及邊界條件

在除霧器內流場的數值模擬中，通道內包括互相之間交換質與能的三相——氣相、氣流夾帶的液滴相和擋板表面的液膜相.本文采用兩相流模型，只考慮氣相和液滴相.

對于連續相（氣相），由雷諾數可知流動為湍流.本文采用SIMPLE算法進行壓力-速度耦合，采用有限體積法對算例進行離散處理.壓力采用Standard離散格式，動量、湍流動能、湍流耗散率均采用二階迎風離散格式，以獲得較準確的解.

對于離散相（液滴相），由于除霧器中氣流內液滴的體積分數小于10%，故可忽略顆粒之間的相互作用、顆粒對氣相的影響、顆粒的運動軌跡[3-5].本文選用基于LagraianEulerian法的DPM（discrete phase model）模型，按拉格朗日方法對各個顆粒方程進行積分求解.

交替求解離散相與連續相的控制方程，直到兩者均收斂從而實現離散相與連續相雙向耦合.

攜霧氣流中液滴流動軌跡計算時只需考慮阻力和重力的影響[6].

氣相作為連續相在歐拉坐標系中描述；液滴相作為離散相在拉格朗日坐標系中描述[7].初始條件及邊界條件分別為：

（1） 連續相（氣相）

介質：空氣，密度為1.205 kg·m-3，動力黏度（20℃）為18.1 μPa·s.

進口條件：給定氣流速度uy=1.2 m·s-1，ux=0，假設其在進口截面為均勻分布，湍流度為0.05[8].

出口條件：自由出流.

壁面條件：無滑移，絕熱.

（2） 離散相（液滴相）：

介質：水，呈細小液滴狀，密度為1.0×103 kg·m-3，平均液滴直徑為5 μm，鼓風含濕量為10 g·Nm-3.

進口條件：設定液滴速度與氣流速度相同[9]，噴射類型選為表面，使液滴在進口截面均勻分布.

壁面條件：選擇捕集類型，即不考慮反彈，液滴觸及壁面即認為被捕集，不考慮二次夾帶效應.

當計算連續性殘差、速度殘差、湍流動能殘差、湍流耗散率殘差均降至10-3，且入口與出口氣相流量相差小于3%時認為計算收斂[10].

4流場分布及分析

4.1液滴質量濃度分布

圖4為計算得到的液滴質量濃度c的分布.由圖可知：在捕集液滴的除霧構件區域及起導流作用的擋板附近液滴質量濃度明顯較高，而在整個除霧構件中第四至第六塊斜擋板之間區域的液滴質量離效果已足以保證系統連續、可靠地運行.

4.2液滴顆粒的運動軌跡

采用Fluent軟件對除霧器進行模擬，得到的連續相和離散相的運動軌跡如圖5所示，其中圖5（b）為計算得到的除霧器內液滴的隨機運動軌跡.由圖5（b）可知，液滴運動軌道主要集中在除霧器除霧構件中的中間五塊擋板部分區域，這對于除霧器的工程優化設計有著重要的指導意義.此外，液滴主要在除霧器中被捕集，小部分進入漸縮段與壁面發生碰撞而被分離.被捕集的液滴主要源自攜霧氣流的主流兩側，由于受到氣流速度梯度影響，其在流線偏折時所受離心慣性作用較大，容易發生偏轉，撞擊在壁面上而被捕集.故除霧器入口處液滴參數的設計對除霧效率的提高具有較大影響.

由圖5（b）亦可知，鼓風脫濕系統中的絲網與擋板組合式除霧器可有效地實現氣液分離.

4.3壓力及速度場分析

除霧器中壓力和速度分布云圖如圖6所示.由圖可知，方管段和圓管段壓力、速度分布較為均勻.攜霧氣流流過除霧器擋板結構的過程中未出現顯著的壓降，而流過除霧器出口處的漸縮段時發生了明顯的壓降，降幅達142 Pa左右.其產生的主要原因是流體的流通面積減小，并且截面形狀突然改變，流體流線被迫發生改變[11].由于旋流作用較強，在漸縮段方圓突變截面后出現了明顯的低壓區，在漸縮段后方圓突變截面處及其后一段距離內亦出現了顯著的壓降.

4.4旋渦分布

脫濕除霧器內的湍流動能和湍流耗散率分布如圖7所示.在整個脫濕除霧器中，湍流耗散最強烈的區域為漸縮段后一段距離.在除霧器除霧構件中，中間五塊擋板部分區域的湍流動能最大，湍流耗散強烈，是除霧器內實現氣液分離的關鍵區域，攜霧氣流流過除霧器通道時，氣流主要流道在該區域.由于慣性力的作用，氣流中液滴的跟隨性變差，速度遲豫時間延長，所以易于碰到壁面而被捕集[12].在第三、四塊擋板下部區域的高壓低速區是除霧器擋板結構中湍流動能最大、湍流耗散最強烈的區域.該區域除霧效率較高.氣體流過除霧器后在最上及最下處豎直擋板后易形成回流區，此處亦可能產生角渦，加劇了流場的擾動，增大了系統壓力損失.上部豎直擋板附近流域局部放大圖如圖8所示.

5結論

本文運用兩相流模型對鼓風脫濕系統除霧器擋板結構的主要性能進行了數值模擬，得到了液滴質量濃度、壓力、速度及旋渦分布情況，展示了其三維內部流場，揭示了實驗手段難以獲得的數據和現象.計算結果表明：鼓風脫濕系統除霧器能夠有效實現攜霧氣流中液滴的分離.模擬結果對除霧器結構設計、降低除霧器內流動阻力具有一定的參考性意義.

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