轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)調(diào)徑文氏管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

桂瞬豐,幸福堂,李群燕

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢430081)

?

轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)調(diào)徑文氏管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

桂瞬豐,幸福堂,李群燕

(武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢430081)

為提高轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)煙氣除塵效率，依據(jù)濕法回收工藝除塵機(jī)理，對(duì)現(xiàn)代濕法除塵工藝進(jìn)行了研究.針對(duì)系統(tǒng)煙氣凈化環(huán)節(jié)，著重對(duì)RD文氏管以及第四代環(huán)縫文氏管除塵器結(jié)構(gòu)分析，指出兩種文氏管線性可調(diào)性還有待提高.在此基礎(chǔ)之上，提出了一種新的重砣設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明改進(jìn)后的流量控制結(jié)構(gòu)的線性相關(guān)系得到很大提高，對(duì)轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)煙氣濕法除塵具有重要意義.

轉(zhuǎn)爐；OG；調(diào)徑文氏管；除塵

轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣濃度可達(dá)60%～80%，是一種有毒且回收價(jià)值很高的中熱值煤氣.在冶煉過(guò)程中，高溫轉(zhuǎn)爐煤氣會(huì)將鐵水里面的塵渣卷入，如不進(jìn)行凈化處理，逸散出的煤氣不僅會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染而且還可能產(chǎn)生爆炸事故，嚴(yán)重威脅職工的生命安全.如何保證轉(zhuǎn)爐安全高效地回收轉(zhuǎn)爐煤氣，是冶金行業(yè)節(jié)能減排工作的重要課題.

自1962年發(fā)明了OG法以來(lái)，轉(zhuǎn)爐煙氣回收技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展[1,2].濕法除塵技術(shù)(OG法)因其自身優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用該種方法較多[3].然而隨著環(huán)保要求的提高，最初的濕法回收工藝已不能滿足日益增長(zhǎng)的節(jié)能減排需要[4]，改進(jìn)落后的工藝或者生產(chǎn)方式勢(shì)在必行.Nobuhiro Maruoka等人[5]則對(duì)煉鋼煙氣潛熱回收，改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，效果顯著.Wang Aihua等人[6]根據(jù)影響煙氣凈化回收的因素，從管理層面提出了改善措施.目前RD型文氏管和環(huán)縫文氏管由于線性度好、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用在改進(jìn)的OG工藝中，使用較為普遍，然而其線性度還有待提高[7,8].基于此，提出了一種新的重砣設(shè)計(jì)方法，不僅提高了線性操控性，還提高了除塵效率.

1　轉(zhuǎn)爐OG煙氣凈化回收機(jī)理及存在的問(wèn)題

1.1煙氣凈化機(jī)理

根據(jù)轉(zhuǎn)爐煙塵粒徑的分布(0.5～50 μm)情況可知，轉(zhuǎn)爐濕法除塵設(shè)備的除塵機(jī)理主要是慣性碰撞和攔截的作用[9].其中慣性碰撞作用用斯托克斯準(zhǔn)數(shù)(St)表示，其計(jì)算式如下：

(1)

其中:dp為粉塵粒徑，μm；ρp為粉塵真密度；μr為粉塵與液滴之間的相對(duì)速度，m/s；C為肯寧漢修正因子，無(wú)量綱；μg為氣體黏度，Pa·s;DL為液滴直徑,μm.

由式(1)可知除塵器除塵效果與液滴和粉塵的直徑、氣體黏度和相對(duì)速度有關(guān)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)除塵器結(jié)構(gòu)，增大相對(duì)速度，優(yōu)化噴嘴噴霧效果等可提高除塵效果.這是現(xiàn)代除塵器設(shè)計(jì)成文氏管漸縮段—喉口段—漸擴(kuò)段三段結(jié)構(gòu)的理論依據(jù).

1.2文氏管除塵器結(jié)構(gòu)存在的主要問(wèn)題

為了降低文氏管結(jié)構(gòu)造成的壓損，用噴淋塔代替了最初OG法中的一文和脫水結(jié)構(gòu)，二文采用可調(diào)文氏管.此改進(jìn)工藝除塵部位的壓損大大降低，同時(shí)將節(jié)省下來(lái)的壓損用在二文RD喉口精除塵上，工藝流程如圖1所示.采用RD文氏管的好處是，根據(jù)轉(zhuǎn)爐吹煉不同階段的煙氣量變化，可通過(guò)調(diào)節(jié)RD閥開(kāi)度，控制喉口流速達(dá)到式(1)除塵所需的顆粒物粉塵與霧化水滴較高的相對(duì)流速，以達(dá)到除塵作用.但與此同時(shí)，引進(jìn)的RD閥無(wú)法實(shí)現(xiàn)線性可調(diào)，且容易堵塞、磨損等[10]，除塵效率仍然不高，RD閥工作原理見(jiàn)圖2.

圖1　塔文濕法除塵工藝流程

圖2　RD閥工作原理

圖2中，S′為RD閥投影面積，S為RD閥上表面面積.根據(jù)投影公式知，面積關(guān)系有：

S′=Scosθ

(2)

由式(2)可知，當(dāng)RD閥在原θ基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)過(guò)Δθ，將導(dǎo)致投影面積由S′增加ΔS′，依然遵循投影公式，有以下結(jié)論.

S′+ΔS′=Scos(θ+Δθ)

(3)

由式(3)可知Δθ與ΔS′之間聯(lián)系關(guān)系為三角函數(shù)，二者并不是呈線性變化的，這加大了精確調(diào)控喉口面積的難度.而且這種形式容易造成RD閥堵塞卡死，磨損嚴(yán)重，需要在喉口兩側(cè)用高壓氮?dú)獯党?

為了克服RD閥的問(wèn)題，用環(huán)縫文氏管代替了RD文氏管，提高了線性可調(diào)性，降低了磨損.環(huán)縫文氏管控制流量的裝置中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)重砣上下行進(jìn)來(lái)控制喉口開(kāi)度，進(jìn)而改變流速，環(huán)縫文氏管見(jiàn)圖3.

圖3　環(huán)縫文氏管示意圖

圖4　環(huán)縫文氏管工作原理

但環(huán)縫文氏管的重砣一般是在標(biāo)準(zhǔn)錐體上對(duì)棱角倒角，其行程與環(huán)縫面積只近似呈線性關(guān)系.環(huán)縫文氏管工作原理見(jiàn)圖4.當(dāng)重砣下降ΔL距離時(shí)，喉口面積減小

(4)

對(duì)于特定的重砣夾角α為定值.從(4)式可以看出，ΔS與重砣下降距離ΔL呈二次函數(shù)關(guān)系，因此線性可調(diào)性還有待提高.

2　文氏管除塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

航空領(lǐng)域內(nèi)火箭推進(jìn)器結(jié)構(gòu)中汽蝕文氏管漸縮段采用了錐形重砣控制流量，線性化程度較高[11,12].根據(jù)錐形重砣控制流量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種線性可調(diào)的重砣結(jié)構(gòu)以應(yīng)用在轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)上，其設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖5.

圖5　線性可調(diào)重砣結(jié)構(gòu)原理

圖6　旋轉(zhuǎn)后的重砣曲面圖

當(dāng)重砣向左前進(jìn)ΔL=Xn-Xn-1時(shí)，喉口段重砣所覆蓋面積減小，減小值見(jiàn)式(5).

(5)

根據(jù)此原理，在二維平面內(nèi)，過(guò)ri作水平線，過(guò)Xi作垂線，水平線與垂線在Di點(diǎn)相交.將所有點(diǎn)連接就得到一半重砣的輪廓線，從圖5可以看出，重砣輪廓線呈拋物線形狀，不是標(biāo)準(zhǔn)錐形輪廓線.在空間上將一半輪廓線沿文氏管軸向旋轉(zhuǎn)360°就得到立體的重砣曲面，用數(shù)學(xué)軟件MATLAB作圖見(jiàn)圖6.通過(guò)這種方法可以將重砣形狀設(shè)計(jì)并加工出來(lái).

3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證

在流量一定的條件下，截面積與流速成反比，并有以下關(guān)系.

(6)

其中:Q為體積流量，n為零件設(shè)計(jì)時(shí)所需要的離散點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)特定的設(shè)計(jì)零件可認(rèn)為是定值.m為重砣下降mΔL距離的mΔL之前系數(shù).

據(jù)式(6)可知，最終條件可歸結(jié)為每下降ΔL，不同高度環(huán)縫面流速相應(yīng)增大ΔV，行程與流速成雙曲線函數(shù)關(guān)系.速度牽扯到流場(chǎng)變化，因此可通過(guò)CFD數(shù)值方法去驗(yàn)證.

分別給結(jié)構(gòu)沒(méi)有改進(jìn)的環(huán)縫文氏管、重砣部件以及改進(jìn)后的裝配零件劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其中漸縮段進(jìn)口直徑3 m，漸縮段長(zhǎng)度為3 m，喉口直徑2 m，喉口長(zhǎng)度為2 m，漸擴(kuò)段出口直徑4.6 m，長(zhǎng)度為4 m，重坨高度2 m.有關(guān)網(wǎng)格信息見(jiàn)表1.設(shè)置時(shí)間步步長(zhǎng)為0.001 s，計(jì)算 1 0000 步，進(jìn)口流量350 kg/s，氣體密度為1.185 kg/m3，壁面絕熱，出口相對(duì)壓力為0 Pa.采用浸入實(shí)體模型模擬重砣運(yùn)動(dòng)，重砣起始位置為錐尖剛好在漸縮段與喉口連接的位置，其向下行進(jìn)速度為0.15 m/s，見(jiàn)圖7.使用k-ε模型，數(shù)值離散格式采用二階高精度格式，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)計(jì)算循環(huán)10次，設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)為1E-05.最后數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及按照式(6)的理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表1　網(wǎng)格信息

圖7　重砣行程圖

時(shí)間 s 重砣下降距離 m理論計(jì)算速度CFD模擬速度(m·s-1) 誤差 %0094.061006.3110.1594.7795.971.2620.396.9799.913.0330.45100.87104.263.3640.6106.891081.0450.75115.771171.0660.9128.86130.140.9971.05148.72148.210.3581.2180.90179.051.0291.35239.67231.893.25101.5376.32338.3810.08

從表2可以看出采用CFD數(shù)值方法與理論計(jì)算方法比較，除卻0 s和10 s時(shí)刻誤差偏大外，其余時(shí)刻誤差在3%以內(nèi).根據(jù)夏江濤等人[3]研究的結(jié)論，重砣兩端會(huì)引起誘導(dǎo)湍流，導(dǎo)致在0 s、10 s時(shí)，靠近重砣兩端區(qū)域產(chǎn)生回流，因此CFD按面積積分平均求解的速度平均值與理論計(jì)算的幾何平均值在這兩個(gè)時(shí)刻差異較大，但并不影響數(shù)值求解的準(zhǔn)確性.因此可以看出采用CFD方法驗(yàn)證是可行的.

圖8　RD文氏管喉口開(kāi)口面積與轉(zhuǎn)角關(guān)系

圖9　喉口開(kāi)口面積隨重砣行進(jìn)時(shí)間關(guān)系

將文獻(xiàn)[6]中RD閥轉(zhuǎn)角與流量關(guān)系數(shù)據(jù)用式(6)變換得到圖8，圖9是數(shù)值計(jì)算結(jié)果.從圖8可以看出，RD文氏管在45～70°范圍內(nèi)，喉口開(kāi)度面積與角度線性相關(guān)系很好，在70°以上時(shí)，線性關(guān)系較差.從圖9可以看出，標(biāo)準(zhǔn)錐體狀重砣文氏管線性相關(guān)性隨著重砣下降距離增大而逐漸變好，然而在初始幾秒內(nèi)，線性關(guān)系較差.工業(yè)實(shí)踐中，將重砣倒圓角處理，一定程度生可提高線性相關(guān)度.改進(jìn)后的重砣錐體，將倒圓角處理由定性設(shè)計(jì)進(jìn)一步變?yōu)槎糠治觯瑥膱D9可以看出，從0～10 s 整個(gè)重砣下降距離范圍內(nèi)，時(shí)間(或行程)與喉口開(kāi)口面積近似成直線關(guān)系，相對(duì)于RD文氏管以及改進(jìn)前的環(huán)縫文氏管，其線性相關(guān)性得到大大提升.

4　結(jié)　論

根據(jù)文氏管除塵機(jī)理，針對(duì)RD文氏管以及環(huán)縫文氏管的不足，提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，得到以下結(jié)論：

(1)采用CFD數(shù)值方法去驗(yàn)證改進(jìn)前的文氏管流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果與理論值一致，驗(yàn)證了CFD方法的準(zhǔn)確性，表明采用CFD手段是可行的.

(2)通過(guò)分別分析RD文氏管、改進(jìn)前和改進(jìn)后的喉口速度隨轉(zhuǎn)角和重砣行進(jìn)時(shí)間的線性關(guān)系，得到改進(jìn)后的重砣能夠有效控制喉口開(kāi)口面積.相對(duì) RD文氏管以及環(huán)縫式文氏管，其線性度大大提升，提高了轉(zhuǎn)爐流量調(diào)節(jié)的操控性.

[1]原志勇.轉(zhuǎn)爐煙氣除塵技術(shù)發(fā)展及改進(jìn)展望[J].冶金動(dòng)力,2009(4)：30-34.

(Yuan Zhiyong.Development and improvement prospect of dusting technology of converter flue gas[J].Metallurgical Power,2009(4)：30-34.)

[2]劉晨,熊波,楊軍華.300噸轉(zhuǎn)爐新OG濕法半干法節(jié)水改造方案探討[C]//第十七屆全國(guó)煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議文集：1593-1597.

(Morris Liu.Discussion on water saving for 300 t BOF/LD new OG wet system by semi dry process[C]//17th National Conference Proceedings of steelmaking：1593-1597.)

[3]夏江濤,劉洋,鐘毅,等.轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器數(shù)值模擬分析[J].裝備維修技術(shù),2014(3)：22-24.

(Xia Jiangtao,Liu Yang,Zhong Yi,etal.Research on erosion in annular gap scrubber of converter Gas[J].Technology of Equipment Maintenance,2014(3)：22-24.)

[4]Sarah Broberg Viklund,Maria T.Johansson.Technologies for utilization of industrial excess heat: potentials for energy recovery and CO2emission reduction[J].Energy Conversion and Management,2014,77：369-379.)

[5]Nobuhiro Maruoka,Tomohiro Akiyama.Exergy recovery from steelmaking off-gas by latent heat storage for methanol production[J].Energy,2006,16：32-1642.

[6]Wang Aihual,Cai Jiuju,Li Xiuping.Affecting factors and improving measures for converter gas recovery[J].Journal of Iron and Steel Research International,2007,14(6)：22-26.)

[7]王宇鵬,王純,俞非漉.轉(zhuǎn)爐煙氣濕法除塵技市發(fā)展及改進(jìn)[J].環(huán)境工程,2011,29(5)：102-104.

(Wang Yupeng,Wang Chun,Yu Feilu.Development and improvement prospect of dusting technology of converter flue gas-OG method[J].Environmental Engineering,2011,29(5)：102-104.)

[8]唐小東,周杰,俞波,等.武鋼120t轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)典型故障及處理對(duì)策[J].裝備維修技術(shù),2015(1)：43-46.

(Tang Xiaodong,Zhou Jie,Yu Bo,etal.Countermeasures for common failures of 120 t converter OG system in WISCO[J].Technology of Equipment Maintenance,2015(1)：43-46.)

[9]張旭.轉(zhuǎn)爐煙氣凈化回收系統(tǒng)優(yōu)化與工程實(shí)踐[D].秦皇島: 燕山大學(xué),2012.

(Zhang Xu.The converter flue gas purification and recycling system optimization and engineering practice[D].Qinhuangdao：Yanshan University,2012.)

[10]陳永素,王克生,牛立峰.轉(zhuǎn)爐OG系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析和處理[J].冶金動(dòng)力,2012(5)：16-17.

(Chen Yongsu,Wang Kesheng,Niu Lifeng.Analysis and disposal of common failures of converter OG system[J].Metallurgical Power,2012(5)：16-17.)

[11]朱子勇,劉紅彤,孫萬(wàn)民.汽蝕文氏管內(nèi)部空穴兩相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)比較[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2014(1)：75-81.

(Zhu Ziyong,Liu Hongtong,Sun Wanmin.Comparison between the numerical simulation and test result for two-phase flow in the internal cavity of cavitating ventur[J].Missiles and Space Vehicles,2014(1)：75-81.)

[12]唐飛,李永,耿永兵,等.線性可調(diào)汽蝕文氏管設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真研究術(shù)[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2013,39(6):12-16.

(Tang Fei,Li Yong,Geng Yongbing,etal.On design and numerical simulation for linear throttling cavitation venturi[J].Aerospace Control and Application,2013,39(6)：12-16.)

Structure optimization of the adjustable venture tube for converter OG system

Gui Shunfeng，Xing Futang，Li Qunyan

(College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China )

In order to improve the efficiency of the flue gas dust removal for the converter OG system,a modern wet dust removal technology was studied based on dusting mechanism of wet recovery process.An analysis was made focused on the structure and the girth of RD ventur tube.It was showed that the two kinds of linear adjustable venture tube need to be improved.A new design method of heavy mound was proposed.The results indicated that the linearity of the flow control structure is greatly increased after the optimization.It is believed that the authors’research has a great significance for the flue gas wet dusting process of the converter OG system.

converter; OG system; venturi tube with diameter adjustable; dusting

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.004

TE 88

A

1671-6620(2016)02-0097-05