轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器槽型板粉塵捕集效率數(shù)值計算及分析

劉國華 梁 廣

（1：重慶賽迪冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心有限公司 重慶 40122；

2：國家鋼鐵冶煉裝備系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心 重慶 400013）

1 背景

電除塵器是轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)（LT技術(shù)）的核心設(shè)備之一，是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煤氣精除塵、粉塵捕集與回收、煙氣達標(biāo)排放與煤氣回收的關(guān)鍵設(shè)備。轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)具有凈化效率高、占地面積小、能耗低、回收煤氣熱值高、粉塵處理成本低等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)鋼廠得到了較快的推廣應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，2010年新建的爐容在100t以上的轉(zhuǎn)爐采用LT技術(shù)的比例已經(jīng)達到了60%，而在當(dāng)年新建的LT系統(tǒng)接近30套。然而轉(zhuǎn)爐電除塵器也有自身的缺點，除塵效率受粉塵比電阻影響大，對于振打清灰產(chǎn)生的二次揚塵無法徹底吸附。為此，對整個電除塵器結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，在除塵器出口端增加了槽型板捕集裝置，對前四個電場無法吸附的粉塵進行再捕集。

由于槽型板捕集裝置橫截面積較大，相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)也比較多，要達到理想的粉塵捕集率還是有一定難度的。傳統(tǒng)的做法是通過實驗法獲得數(shù)據(jù)，即按除塵器實際尺寸制作除塵器冷態(tài)模型，按照工藝條件中給定的風(fēng)速、粉塵濃度、氣體濕度等參數(shù)進行測試，這種方法的好處是結(jié)果直觀、可信，缺點是對于大型電除塵器來說，模擬裝置制作費用高，試驗過程復(fù)雜，重復(fù)試驗此時繁多，使得研究費用居高不下。

隨著計算流體力學(xué)的迅速發(fā)展，利用高速計算機求解流體運動的偏微分方程組得到了廣泛的應(yīng)用，目的是為了更好的從定性上和定量上了解流體流動的物理現(xiàn)象，從而改進設(shè)計，提高流體流動的效果。本文利用ANSYS WORKBENCH平臺進行網(wǎng)格劃分，計算及后處理軟件是fluent14.0。

2 電除塵器槽型板粉塵捕集裝置

電除塵器出口槽型板是近幾年興起的一種新型收塵極板，通常不單獨使用，而是安裝在除塵器最末端電場出口端或氣流出口喇叭口端，槽型板兩兩相對布置，上部懸掛在電除塵器頂部吊環(huán)處，如圖1、圖2所示。

圖1 槽型板示意圖

圖2 槽型板結(jié)構(gòu)

槽型板可以減少因流速較大而重返煙氣的現(xiàn)象。

3 計算模型的簡化、網(wǎng)格劃分及邊界條件的建立

由圖1可以看出，電除塵器槽型板粉塵捕集裝置實際上是由若干組相對的槽型板按照一定的規(guī)律進行周期性的排列而成，考慮到入口氣流經(jīng)氣流均布板后，電除塵器內(nèi)部氣流達到均布，槽型板裝置模型可以簡化如圖3、圖4所示。

圖3 實際模型

圖4 簡化模型

常用的槽型板槽寬150mm，翼高25～30mm，板厚3mm，軋制或模壓成型，槽型板板間間距50mm，為進一步對這些數(shù)據(jù)進行規(guī)律性分析，列表如下。

表1 關(guān)聯(lián)參數(shù)

簡化的三維模型如圖5、圖6所示，為便于網(wǎng)格劃分并提高網(wǎng)格的質(zhì)量，將模型劃成三部分，經(jīng)過網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生37 74 32個單元，單元質(zhì)量最小為0.12 7。

圖5 簡化模型

圖6 劃分網(wǎng)格后模型

在進行離散相分析（粉塵捕集）過程中，為便于粉塵捕集的規(guī)律性分析，在≤PM2.5的粉塵中選直徑為2μm的粉塵作為計算樣本，在PM2.5～PM10之間的粉塵中選直徑為7μm的粉塵作為計算樣本，大于PM10的粉塵選直徑為30μm的粉塵作為計算樣本，并按照設(shè)定的試驗方案進行計算。

整個煉鋼過程可分為加料、吹煉、出鋼三個階段，期間的各種參數(shù)都是在變化的，為進行趨勢規(guī)律的計算，這里取吹煉中后期的一組工況參數(shù)進行分析，一次除塵氣體溫度180℃，除塵器出口壓力-3000Pa，氣體成分：8%二氧化碳，86%一氧化碳，1%氫氣＆氧氣，5%氮氣，通過計算可以得知，混合氣體的密度為0.761kg／m3，μ混合為2.277×10-5Pa·s，氣體粉塵濃度為50mg／Nm3。

4 計算方法及計算結(jié)果

粉塵跟隨氣流以一定的速度運動，利用fluent軟件內(nèi)的離散項模型進行分析，在噴射屬性中，軸線方向的速度，表1中已經(jīng)定義，粉塵的平均粒徑也有描述，粉塵量按照50mg／Nm3進行換算。

根據(jù)表1的關(guān)聯(lián)參數(shù)，若按照組合的形式進行計算的話，則需要進行81次的計算分析，工作強度較大，因此這里采用正交實驗法進行相關(guān)的試驗。

正交實驗法就是利用排列整齊的表-正交表來對試驗進行整體設(shè)計、綜合比較、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)通過少數(shù)的實驗次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達到最高生產(chǎn)工藝效果。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗都具有較強的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點，保證了全面實驗的某些要求，這些試驗往往能夠較好或更好的達到實驗的目的，此處采用正交表L9（34），見表2。

表2 正交實驗法

按照表2的組合進行仿真分析，因為表2不屬于混合水平的正交實驗，因此僅作極差分析即可。

圖7 試驗8直徑2μm的粉塵捕集示意圖

經(jīng)過仿真計算，粉塵直徑≤2.5μm的粉塵捕集，最優(yōu)組合為C1A3B2D2（即流動間隙50mm、槽寬300mm、槽高37mm、進口速度1.05m／s，以下相同），其中參數(shù)流動間隙影響最大，入口速度影響最小；2.5um＜粉塵直徑≤10μm的粉塵捕集，最優(yōu)組合為C1D3B2A3；當(dāng)粉塵直徑大于10μm時，最優(yōu)組合方案為A1D3C1B2。

5 結(jié)果分析

對于不同粒徑的粉塵捕集，對應(yīng)的都有最優(yōu)組合，但粉塵捕集的效率都不高，理論捕集效率＜15%，大大低于預(yù)期值，為此，將槽型板結(jié)構(gòu)重新置放，位置及槽型板結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖8所示，其它邊界條件不變。

表3 粉塵捕集率

圖8 簡化模型

對比圖7，相同邊界條件下圖9所示的新結(jié)構(gòu)，槽型板粉塵捕集效果有了較大的提升，在邊界條件（氣流速度、溫度、成分、粒徑分布）不變的情況下，直徑大于0.03mm的粉塵捕集效果理論計算為100%，直徑0.0025～0.01mm之間的粉塵理論捕集效率為50.7%，直徑在0.001～0.0025mm的粉塵理論捕集效率為35.4%。

圖9 新結(jié)構(gòu)直徑2μm粉塵捕集示意圖

5 結(jié)論

對于圖3所示的常規(guī)槽型板布置來說，流動間隙C值越小，氣流方向改變較為劇烈，粉塵捕集效率越高，壓力損失也越大。

粉塵直徑小于10μm時，槽寬的影響因素要大些，而除塵器經(jīng)過四個電場除塵后，出口一般都是直徑小于10μm的小顆粒粉塵，因此在制造安裝工藝許可的條件下，槽寬A值越大，理論粉塵捕集效果越佳。

一般來說，氣流方向改變的次數(shù)越多，粉塵捕集的效率越高，如圖8所示，在結(jié)構(gòu)未改變前提下，氣流方向改變次數(shù)多了一次，細小粉塵的捕集效率有極大的提高，這對于轉(zhuǎn)爐煤氣電除塵器穩(wěn)定、高效達標(biāo)排放有重要意義。

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