轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器防磨改造數(shù)值模擬

夏江濤++劉洋++鐘毅++李華

摘 要：轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器在使用時(shí)常發(fā)生磨損嚴(yán)重的問題。本文對(duì)環(huán)縫洗滌器磨損問題進(jìn)行了分析，并提出了一種防磨洗滌器，通過CFD軟件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣固兩相流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：文章提出的新型防磨環(huán)縫洗滌器結(jié)構(gòu)是合理有效的，具有較好的耐磨性。

關(guān)鍵詞：環(huán)縫洗滌器 流場 磨損

中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（c）-0102-02

轉(zhuǎn)爐煙氣凈化和煤氣回收系統(tǒng)流程中，使用比較廣泛的為OG系統(tǒng)，到今天，已經(jīng)發(fā)展到第四代OG系統(tǒng)。新一代OG系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、便于布置、易于維護(hù)；節(jié)水省電、流量調(diào)節(jié)性能好；除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)武鋼某煉鋼廠新一代OG系統(tǒng)在運(yùn)行中存在環(huán)縫洗滌器磨損嚴(yán)重的問題，如圖1所示。

1 環(huán)縫洗滌器磨損原因分析

1.1 環(huán)縫洗滌器工作原理及問題

環(huán)縫洗滌器是新一代OG系統(tǒng)的精除塵設(shè)備，如圖2所示。轉(zhuǎn)爐煙氣經(jīng)過飽和噴淋塔的降溫和粗除塵以后，以100 m/s左右的速度進(jìn)入環(huán)縫可調(diào)文氏管（即環(huán)縫洗滌器）進(jìn)行精除塵[1]。洗滌器內(nèi)錐由液壓桿控制可上下移動(dòng)從而控制環(huán)縫間隙，進(jìn)而起到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定爐頂壓力的作用。內(nèi)錐和液壓套管使用耐磨材料制造，以避免環(huán)縫里高速的煙氣引起的磨損和腐蝕。

實(shí)際生產(chǎn)期間，在一個(gè)爐役檢修期之內(nèi)，內(nèi)錐體常被磨薄磨穿，環(huán)縫外殼也磨損嚴(yán)重，文氏管下部直管段也經(jīng)常被磨穿，不僅降低了除塵效果，還帶來極大的安全隱患。

1.2 原因分析

環(huán)縫洗滌器磨損與很多因素有關(guān)，一般是氣流夾帶的固體顆粒對(duì)材料的噴砂型沖蝕和氣流夾帶的液滴噴射型沖蝕二者綜合作用的結(jié)果。

由于環(huán)縫洗滌器喉口處的速度很大，并且喉口處設(shè)計(jì)得比較窄，因此，在噴砂型沖蝕和噴射型沖蝕作用下很容易對(duì)該處造成磨損。圖1所示的內(nèi)錐體前端被磨穿可能是由于該部位長期處于喉口處，受到兩種沖蝕造成嚴(yán)重?fù)p壞。

針對(duì)新一代OG系統(tǒng)中環(huán)縫洗滌器磨損的問題，本文根據(jù)“料磨料”的原理，提出了一種防磨環(huán)縫洗滌器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其流場進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的流場比較，對(duì)其合理化改進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 防磨環(huán)縫洗滌器的結(jié)構(gòu)及原理

針對(duì)內(nèi)錐磨損嚴(yán)重的情況，在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給內(nèi)錐體加上一層“井字形”荊條（見圖3），以求達(dá)到減小磨損的效果。顆粒在沖擊到內(nèi)錐體的時(shí)候，先對(duì)荊條產(chǎn)生磨損，而且荊條的“井字形”結(jié)構(gòu)使得部分固體粉塵被截留在內(nèi)錐體外壁，經(jīng)過一段時(shí)間的積累，可以對(duì)內(nèi)錐體形成一層保護(hù)層，對(duì)內(nèi)錐體起到進(jìn)一步保護(hù)作用。粉塵在沖擊荊條時(shí)，與截留的粉塵相互摩擦，形成一種“料磨料效應(yīng)”。

此外帶荊條的外層結(jié)構(gòu)亦可以設(shè)計(jì)成“套筒”式可更換的形制，若檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)外層，即荊條層磨損嚴(yán)重需要更換，可移除荊條層，換上新的外層備件，而不必更換整個(gè)環(huán)縫洗滌器內(nèi)錐調(diào)節(jié)閥，從而減輕工作量，降低成本。

3 物理模型建立及計(jì)算方法

由于問題主要存在于環(huán)縫文氏管部分，所以只對(duì)該部分進(jìn)行局部模擬。在ICEM CFD中對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)口、出口等對(duì)流動(dòng)影響大的位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。得到網(wǎng)格數(shù)為2307202個(gè)，網(wǎng)格如圖4所示。

爐氣中包含有煙塵顆粒和煙氣，在精除塵時(shí)需要噴水，實(shí)際上是一個(gè)氣、液、固三相流動(dòng)。由于只需要初步了解該物理模型內(nèi)部的流動(dòng)情況，故只考慮氣固兩相流，本模擬中用理想空氣代替煙氣并忽略液相，固體顆粒粒徑固定，為50 μm。氣相湍流模型選擇k-ε湍流模型，固體顆粒選擇離散相（Dispersed Solid）模型。磨損模型選擇Tabakoff模型，參數(shù)為默認(rèn)值。

域內(nèi)參考?jí)毫υO(shè)置為1atm。進(jìn)口為速度進(jìn)口，速度為14 m/s，固相入口速度與氣相相同，其質(zhì)量流量為50 kg/s。壁面設(shè)置為無滑移邊界條件，固相碰壁反彈設(shè)為剛性反彈，系數(shù)均設(shè)置為1。采取高階格式對(duì)其進(jìn)行求解，求解步數(shù)為400，求解精度要求達(dá)到10-3。

4 模擬結(jié)果與分析

模擬結(jié)果如圖5、圖6所示，磨損率如圖7、圖8所示。

由兩圖可看出，對(duì)于內(nèi)錐的磨損，傳統(tǒng)的環(huán)縫洗滌器磨損嚴(yán)重的地方主要在內(nèi)錐體中上部，此處剛好可以看做是氣固兩相速度最大的位置，從圖5中可看出，此處流場有垂直內(nèi)錐體的速度分量，顆粒在此處最易沖擊內(nèi)錐體，造成磨損，這也與實(shí)際情況相符。

增加荊條層之后，其內(nèi)錐的磨損，主要都發(fā)生在荊條上，因此荊條尺寸間隔設(shè)計(jì)不能太大，否則內(nèi)錐受保護(hù)的面積就越小，氣流在荊條與荊條之間的區(qū)域內(nèi)形成的渦尺度越大，與內(nèi)錐接觸時(shí)間越長，易使內(nèi)錐受到磨損。

通過對(duì)比分析可知，由于磨損與速度的三次方成正比[2]，經(jīng)過喉口處的煙氣，在荊條結(jié)構(gòu)的阻擋下，可以有效減少粉塵對(duì)內(nèi)錐的磨損，對(duì)內(nèi)錐起到保護(hù)作用，錐體上半部的氣流速度變得比較均勻。上述模擬結(jié)果表明，防磨環(huán)縫洗滌器的原理及結(jié)構(gòu)是合理的，不僅對(duì)內(nèi)錐體，還是對(duì)下半部直管段都有較好的防磨效果。與傳統(tǒng)的環(huán)縫洗滌器相比，防磨洗滌器具有防磨損，制造簡單、更換方便等優(yōu)點(diǎn)，可以在冶金除塵系統(tǒng)中發(fā)揮良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李隆鍵.轉(zhuǎn)爐環(huán)縫洗滌器兩相流動(dòng)阻力特性數(shù)值模擬[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（3）：58-62.

[2] 胡興才.R形文丘里管洗滌器、環(huán)縫洗滌器的耐磨性能分析[J].鋼鐵技術(shù)，2006（5）.endprint