高溫霧化降塵效率關鍵影響參數研究及優化

沈凡 趙剛 陳燕才 熊雯

摘要：為穩定提高高溫環境中的霧化降塵效率，引入蒸發率構造的液滴蒸發因子，利用數值仿真模擬高溫環境下的霧化過程，探索噴嘴結構、霧化性能和高溫降塵效率之間的交互影響規律；采用L25田口方法設計試驗，選取X旋流壓力噴嘴的出口直徑、進口壓力、軸向距離作為關鍵參數，探究各參數對霧化性能的影響，獲得最優參數組合。研究結果表明：霧化區受溫度的影響，液滴質量濃度是提高高溫霧化降塵效率的關鍵指標；3個關鍵參數的重要性由高到低依次為軸向距離、進口壓力、出口直徑；在HIB鋼熱軋工藝中，最優關鍵參數組合為噴嘴出口直徑2 mm、進口壓力8 MPa、軸向距離90 cm。高溫降塵效率提高到80%以上。

關鍵詞：高溫霧化；降塵效率；蒸發因子；噴嘴口徑；田口試驗

中圖分類號：X948

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.07.004

Research and Optimization of Key Parameters of High Temperature

Atomization Dust Removal Efficiency

SHEN Fan1 ZHAO Gang2 CHEN Yancai3 XIONG Wen3

1.Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology of Ministry of Education，

Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，430081

2.Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering，Wuhan

University of Science and Technology，Wuhan，430081

3.R&D Center of Wuhan Iron & Steel Co.，Ltd.，Baosteel Central Research Institute，Wuhan，430080

Abstract： In order to stably improve the efficiency of atomization and dust removal in high temperature environment， the droplet evaporation factor with evaporation rate structure was introduced. The atomization processes in high temperature environment were simulated by numerical simulation， and the interactions of nozzle structure， atomization performance and high temperature dust removal efficiency were explored. The L25 Taguchi method was used to design the test， and the outlet diameter， inlet pressure and axial distance of the X swirl pressure nozzle were selected as key parameters， and the influences of each parameter on atomization performance were explored to obtain the optimal parameter combination. Results show that the atomization zone is affected by temperature， and the mass concentration of droplets is a key indicator to improve the efficiency of high temperature atomization and dust removal. The importance of the three key parameters from high to low is as follows：axial distance， inlet pressure and outlet diameter. In the hot rolling processes of HIB steel， the optimal working parameters of the nozzle are as 2 mm nozzle outlet diameter， 8 MPa inlet pressure and 90 cm axial distance. The dust removal efficiency at high temperature is increased to more than 80%.

Key words： high temperature atomization; dust removal efficiency; evaporation factor; nozzle caliber; Taguchi test

0 引言

近年來熱軋產能增加導致粉塵污染問題嚴重，且對熱軋板帶表面質量造成一定影響。國內外多家鋼鐵企業開始采用成本相對低廉的水霧降塵技術，以期改善熱軋生產環境和產品質量，但效果并不穩定。實踐表明，不同企業不同產線不同軋制鋼種，熱軋降塵效率差異較大，尤其是軋制硅鋼和不銹鋼產品時，降塵效率僅為20%～30%［1］。

水霧降塵的基本原理是水霧在高壓作用下破碎，液滴邊界層受到高速氣流的黏性剪切作用，形成大量細小液滴。粉塵與霧化的液滴發生了大量的慣性碰撞后，液滴以粉塵顆粒為凝聚核心而凝結沉降，粉塵的沉降量主要受到噴霧的霧化性能的影響［2］。國內外學者對常溫下霧化特性與降塵效率進行了大量研究，發現噴霧射流速度、流量、液滴粒徑等都會影響液滴與粉塵的碰撞概率［3-4］，其中液滴粒徑是影響霧化效果最重要的指標，粒徑越小的液滴與粉塵碰撞概率越大，降塵效率越高［5］。為提高噴嘴的霧化性能，有學者對霧化噴嘴的結構、類型和工況進行研究，發現噴嘴的結構會對霧化粒徑造成影響，例如噴嘴的閥芯結構、喉口直徑和出口直徑等［6］；聶文等［7］比較了4種常見的壓力噴嘴，發現X型旋流壓力噴嘴適合大面積使用，且在相同的工作條件下，可以得到最小的液滴尺寸；YANG等［8］利用數值模擬結合現場實測對煤礦中霧化噴嘴安裝位置和噴嘴直徑進行分析，優化后的參數組合使降塵效率提高至90%以上。

關于高溫環境中霧化性能的研究，僅見于蒸發過程、燃料燃燒等領域的文獻。ZHANG等［9］為了提高煙氣脫硫效率，用數值模擬的方法對液滴的運動和蒸發過程進行分析，發現液滴質量加權壽命隨液滴平均直徑的增大呈線性增加。LI等［10］通過研究高速噴射出的燃料液滴的傳熱和蒸發，發現液滴的蒸發速率與液滴質量濃度和直徑成反比。為了探索霧化性能對閃蒸效率的影響，柯炳正等［11］通過研究不同條件下的噴霧液滴，發現液滴的粒徑與噴嘴直徑和進口壓力存在關系；CAI等［12］從能量分析角度研究了射流閃蒸過程，發現隨著射流速度的增大蒸發率明顯增大。

現有霧化降塵和高溫霧化理論均未建立完備的高溫環境下霧化性能對降塵效率影響的數學模型，同時缺乏對高溫霧化降塵工藝參數和噴嘴結構參數的優化研究。由此導致熱軋水霧降塵技術在工藝和裝備設計過程中缺乏有效的理論指導，更多借鑒煤礦等的常溫降塵設計經驗來確定氣水壓力、流速等工藝參數和噴嘴結構參數。這是造成目前熱軋霧化降塵效果不穩定的重要原因。

為了解決上述問題，進一步穩定提高高溫環境中的降塵效率，本文探究噴嘴結構、霧化性能和高溫降塵效率之間的交互影響規律。在降塵效率數學模型中引入溫度造成的液滴蒸發因子，得到影響高溫降塵效果的主要霧化性能參數；將數值模擬和田口試驗法相結合，運用離散相模型（DPM）對試驗噴嘴進行數值模擬，分析各關鍵參數對高溫霧化性能的影響；根據數值模擬結果建立正交表，得到各關鍵參數對高溫降塵效率的影響程度和最優組合，從而提高高溫降塵效率。

1 基于霧化原理的高溫降塵模型

依據粒子碰撞原理得到霧塵碰撞數學模型，并推導出降塵效率公式［13］：

式中，η為液滴捕塵效率；v為液滴與粉塵的相對速度，m/s；vg為粉塵速度，m/s；q為空間體積含水量，kg/m3；x為噴嘴距離產塵點的有效噴霧距離，m；Dc為液滴粒徑，m；B0為實驗確定的包含截流和擴散的實驗常數；B為坎寧漢滑動修正系數；dp為粉塵粒徑，m；ρp為粉塵顆粒密度，kg/m3；μg為氣體黏度，Pa·s。

熱軋機間的溫度一般是200～900 ℃，在高溫環境下噴霧蒸發現象明顯，蒸發量隨霧化條件而改變，空間體積含水量會因此發生變化：

式中，γ為單位體積內液滴蒸發率；qm，ev為蒸汽質量流量，kg/s；qm，in為供水質量流量，kg/s;A為捕集區域橫截面積，m2；Q為出口流量，kg/s；vd為液滴速度，m/s。

噴嘴流量與進口壓力關系為

式中，Q0為單個噴嘴流量，kg/s；d為噴嘴出口直徑，mm；p為供水壓力，MPa；k為實驗系數，通常取1～2。

根據現場試驗，熱軋廠產生的氧化粉塵的粒徑為21～27 μm，在粉塵捕獲假設中僅考慮慣性碰撞，則B0= 1，B = 1，根據現場測得的粉塵顆粒密度為ρp= 840 kg/m3。粉塵流的速度近似等于熱軋帶在其表面運動的氣流速度，由軋輥的軋制速度決定，取vg=1 m/s；空氣的動態黏度為μg=1.8×10-5 Pa·s。將式（3）、式（4）代入式（1），并將熱軋環境的基本數據代入可寫成如下形式：

根據降塵效率的數學模型可知，影響降塵效果的主要霧化性能參數是液滴粒徑、液滴速度、空間體積含水量。

2 關鍵參數對霧化性能的影響分析

利用FLUENT對霧化區進行數值模擬，選取X旋流噴嘴作為霧化器模型，將噴嘴外部的霧化區作為計算區域。采用追蹤液滴包（parcels）的思想，得到相同溫度、時間、位置的液體的質量流量、速度、粒徑等。模型采用湍流模型的Realizable k-ε方程模型，打開能量方程（Energy）和組分輸運模型（Species），壓力與速度耦合采用PISO算法。在原點處設置噴射源，將噴霧區域左邊設置為速度進口邊界（inlet），頂端和右端出口設置為自由出口（outflow）。為了驗證該數值方法的正確性，選擇與文獻［14］的實驗進行相同的參數設置，采用出口直徑為0.8 mm的噴嘴，進口壓力為4 MPa，結果如圖1所示。由圖1可看出本文結果與文獻［14］的結果能較好地吻合，證明本文的數值方法合理，計算結果具有可靠性。

2.1 軸向距離對霧化性能的影響

熱軋區的高溫環境主要是軋制板材時軋制區的工作溫度較高造成的，因此越靠近軋制區溫度就越高，噴嘴安裝位置與軋機之間軸向距離不同，噴嘴霧化效果受溫度影響程度也就不同。為了直觀對比不同位置上的霧化效果，取口徑為1.2 mm的噴嘴在6 MPa壓力下距離軋機3 m、0.5 m處進行模擬比較，現場測得軸向距離3 m和0.5 m處的溫度分別為30 ℃、400 ℃。利用數值模擬得到不同軸向位置上的液滴粒徑分布圖見圖2，不同軸向位置液滴蒸發速率見圖3。

受到不同位置的溫度影響，當軸向距離由3 m減小到0.5 m時，霧化區的最大液滴粒徑由2.24×10－4 m減小到1.39×10－4 m，液滴最大蒸發率由0.254 mg/s增加到1.03 mg/s。

由圖3a可知，噴嘴處在3 m位置時，最大蒸發速率出現在噴嘴附近，越遠離噴嘴位置蒸發速率越低，這是由于噴嘴附近的流體受到高壓后與周圍氣體產生了較大的速度差，造成流動不穩定性，氣動力使液體破碎成各種尺寸的液滴，此時蒸發最劇烈，由于此時消耗了大部分的過熱能，中后期的蒸發強度明顯減弱。在圖3b中，噴嘴放置在0.5 m位置時，噴霧中后段的蒸發率和蒸發范圍明顯大于圖3a，這是由于該位置靠近軋制區，有較大的過熱度，提供了較多的過熱能量，液體的汽化潛熱減小，使霧化中后區發生大量汽化。噴嘴距離軋機的軸向距離越小，環境溫度越高，液滴粒徑越小，液滴的蒸發量越大，因此太小的軸向距離不利于獲得較高液滴質量濃度噴霧。

隨著軸向距離的增大，霧化區流體的速度隨之減小，液滴粒徑逐漸增大，霧化區液體蒸發速率減小且液滴質量濃度增大。受空氣阻力的影響，射流速度隨之減小，液滴韋伯數減小，氣動力對液滴的破碎影響減小；另一方面，液滴之間會發生碰撞使小尺寸液滴凝聚成較大尺寸的液滴，因此液滴粒徑隨軸向距離的增大呈增大趨勢。

2.2 噴嘴出口直徑對霧化性能的影響

利用單因素實驗法仿真分析噴嘴出口直徑對霧化性能的影響。選取軸向距離為1 m，環境溫度為280 ℃，進口壓力為6 MPa，噴嘴直徑依次選取1，1.2，1.5，2，2.4 mm。

隨著出口直徑的增大液滴質量濃度升高，液滴粒徑呈增大的趨勢。當出口直徑由1 mm增至2.4 mm時，最大粒徑由1.02×10-4m增至1.21×10-4m。噴嘴直徑的增大意味著噴射面積的增大，射流流體體積隨之增大，霧化區液滴質量濃度升高，霧化區與環境的換熱因此發生好轉，霧化區內汽化核心密度相應減小，液滴蒸發速率相對減小，液滴平均粒徑呈增大趨勢。

隨著出口直徑的增大液滴速度減小，蒸發率有所增大且在出口處較為明顯，隨著軸向距離的增大，不同噴嘴下的蒸發率區別并不顯著。當出口直徑由1 mm增大到2.4 mm時，噴嘴最大速度由59.1 m/s降低到50.8 m/s，這是由于當噴嘴出口直徑逐漸增大時，噴嘴出口向內壓力減小，霧化角隨之增大，導致了液滴軸向速度的彌散。由圖4可知，在噴嘴出口處可明顯看出口徑較大的噴嘴液體蒸發率更高，這是由于在噴嘴出口處口徑越大的噴嘴噴射角越大，增加了液滴與空氣的接觸，霧化區邊緣的液滴質量濃度較低，因此大量蒸發；隨著軸向距離的增大，越大的口徑的噴嘴射流核心處的液滴質量濃度越高，受環境溫度的影響更小，因此減緩了其蒸發速率。

增大噴嘴的出口直徑能夠讓霧化區液滴質量濃度更高，但是卻不利于獲得粒徑更小速度更高的液滴。過低的液滴速度并不利于捕塵，然而更大的霧化角也意味著有效捕塵面積更大，且較高的液滴質量濃度能夠有效地提高液滴與粉塵的碰撞概率。

2.3 進口壓力對霧化性能的影響

利用單因素實驗法對進口壓力對霧化性能的影響進行仿真分析，如圖5所示。選取軸向距離為1 m，環境溫度為280 ℃，噴嘴直徑為1.2 mm，進口壓力依次選取2，4，6，8，10 MPa。

隨著進口壓力的增大，液滴粒徑會變小且液滴的速度變大，液體蒸發速率明顯增大，霧化區液滴質量濃度先增大后減小。

當進口壓力由2 MPa增至10 MPa時，最大粒徑由1.56×10-4m降低到8.71×10-5m，最大蒸發速率由0.498 mg/s增加到2.61 mg/s。隨著進口壓力的增大，噴嘴處的流體質量流量增大，破碎的液滴大量蒸發相變使蒸汽與液滴混合，射流因此加劇，液滴的破碎也更加劇烈，液滴粒徑隨之減小。同時過高的水壓使流體具有較高的射流速度，韋伯數較大，氣動力加劇了液滴的破碎，從而獲得了粒徑更小的液滴。增高壓力會增加噴嘴處的流量，液滴質量濃度也隨之增大，但是當壓力增加至10 MPa時，液滴速度過大和粒徑過小加快了液滴的蒸發，液滴質量濃度因此減小。

增大進口壓力雖然能夠使液滴破碎得更小從而增加粒子間的碰撞概率，但是卻讓液滴蒸發得更快，且壓力增大到6 MPa后，液滴速度不再隨之顯著增大。因此進口壓力在增大到一定值后無法再提高降塵效率，反而會因為液滴蒸發率過高而使降塵效率下降。

3 田口試驗設計

3.1 試驗方案

選取影響降塵效率的3個主要因素，表1中參數1、2、3分別為噴嘴出口直徑d、進口壓力p、軸向距離x，每個因素選取5個水平。參考單因素試驗結果選取水平值，其中進口壓力過高不利于獲得高質量濃度液滴的噴霧，壓力過低不易于獲得較小粒徑的液滴，因此選擇4～8 MPa;軸向距離過小受到溫度影響較大，因此選取距離70～110 cm。對于數值模擬結果，液滴尺寸選取截面索爾特平均粒徑，液滴速度為截面平均速度，液滴蒸發率為截面液體平均蒸發率。

為了研究這3個關鍵參數對降塵效率的影響程度，本文采用田口試驗方法，共25組試驗，具體試驗方案和試驗結果見表2。本文選擇望大特性的信噪比（SNR）計算模型，其計算方法為

3.2 試驗結果分析

定義各參數對降塵效率影響程度為Ei，E值越大表示影響越顯著，其計算公式為

Ei=max{Yi1，Yi2，Yi3，Yi4，Yi5}－

min{Yi1，Yi2，Yi3，Yi4，Yi5}（7）

式中，Yij為每個參數在不同水平值下的平均信噪比，其中i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，例如Y12表示出口直徑d在2水平值下的平均信噪比。

通過計算得出各參數的影響程度如圖6所示。結果表明，在本文研究范圍內，各參數影響程度由高到低依次為x、p、d，軸向距離x是對降塵效率影響最顯著的參數。這是由于在高溫降塵中霧化性能易受環境溫度的影響，而軸向安裝距離的選取決定著霧化降塵的環境溫度。

圖7所示為各參數在不同水平值下的平均信噪比。由圖7可知，平均信噪比隨d的取值增大而先增大后減小，隨著p的取值增大而增大，這說

明高溫降塵中噴嘴使用大口徑高壓力更利于提高降塵效果。而煤礦降塵中的噴嘴往往使用較小的口徑較高的壓力，這是由于較小口徑的噴嘴有利于獲得更小粒徑的液滴，煤礦的環境溫度對小粒徑液滴的存活影響并不大；而在熱軋廠中，小粒徑的液滴不易存活，蒸發率過高導致了降塵效果差，噴嘴的大口徑高壓力能夠獲得液滴質量濃度較高的噴霧，使霧化區的液滴保持足夠的數量參與捕塵。這反映出在高溫環境中，要提高降塵效率，應首先提高霧化區液滴質量濃度。

4 工程驗證

為了驗證優化后的組合是否能夠提高霧化降塵效率，將優化后的組合參數d=2.0 mm、p=8 MPa、x=90 cm應用于熱軋廠進行驗證。粉塵濃度測試設備選用CEL-712 Microdust Pro實時粉塵監測儀，測量范圍1 μg/m3～250 g/m3。

在離精軋機架1.5 m高處安裝粉塵濃度測試儀1，在軋機進口和出口集管處分別安裝粉塵濃度測試儀2和3。選擇在軋制HIB鋼時，保持軋制速度為1.5 m/s和壓下量為38 mm不變，將粉塵濃度測試儀開啟，30 s后關閉，可得到測量時間30 s內粉塵濃度的最大值和平均值，取最大值作為實驗值，重復3次測量取平均值作為初始粉塵濃度值。開啟霧化降塵裝置，待穩定工作10 min后，將測試儀開啟，30 s后關閉，將測量時間內粉塵濃度的最大值作為實驗值，重復3次測量取平均值作為降塵結束粉塵濃度值。利用測試結果粉塵濃度計算降塵效率，見表3。優化后的3個測試點的粉塵濃度達到國家標準的要求，降塵效率可以達到80%以上。

5 結論

（1）噴嘴出口直徑的增大會增大液滴粒徑和霧化區液滴質量濃度，但是會減小液滴速度；進口壓力的增大會減小液滴粒徑并增大液滴速度，同時明顯增大了液滴蒸發速率；軸向距離越大則有效捕塵區域越大，且受到軋制區溫度的影響越小，但是距離太大會導致液滴捕塵速度過小。

（2）在高溫環境中，軸向距離對降塵效率的影響最大，3個參數的顯著程度由大到小依次為軸向距離、進口壓力、出口直徑。

（3）利用田口試驗法對噴嘴的3個關鍵參數進行優化分析，得出當出口直徑為2 mm、進口壓力為8 MPa、軸向距離為90 cm時，高溫下噴嘴霧化性能最好。優化后的噴嘴參數組合使降塵效率提高至80%以上。

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