除塵器出口管路ANSYS CFD仿真計算及優化

李京業，趙興永（萊鋼集團銀山型鋼有限公司煉鐵廠，山東萊蕪271104）

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除塵器出口管路ANSYS CFD仿真計算及優化

李京業，趙興永
（萊鋼集團銀山型鋼有限公司煉鐵廠，山東萊蕪271104）

摘要：針對某鋼廠爐前除塵系統風量不足的問題，分析認為，是除塵器出口處直角彎及Z形彎的設計不合理導致了局部壓力損失較大。改進將風機出口管路在中間實施隔斷，并自風門至除塵器出口處平滑過渡。該部位的仿真結果表明，改進后，壓力損失由716.7 Pa減少為523.4 Pa，風量平穩。改造后，除塵風機風量由700 000 m3/h提高到1 040 000 m3/h。

關鍵詞：除塵系統；風量；管路；壓力損失；ANSYS CFD；仿真計算

1　前言

某鋼鐵廠3#高爐爐前出鐵場除塵系統設計有兩套長袋低壓脈沖布袋式除塵系統，風機設計風量為1 000 000 m3/h，實際風量基本維持在700 000 m3/h。高爐出鐵場的除塵效果較差，爐前空氣中顆粒物含量為10 mg/Nm3，超出國家標準25%。為此對存在的問題進行分析，應用ANSYS CFD軟件對局部壓力損失大的管路進行仿真計算。根據仿真計算結果提出改進方案并進行仿真計算，取得了較好的效果。

2　問題分析

經現場觀察，認為最不合理的除塵管路布置在除塵器出口處，該處有兩個直角彎及一個Z形彎。

除塵器出口處局部壓力損失較大。根據相關資料，局部阻力系數ξ的取值，彎頭處一般取0.22～0.33；變斷面矩形直角彎管處一般取2.0；而矩形Z形彎管處一般取值在3～4.2之間。根據管道壓力損失計算經驗公式［1］：

局部阻力系數的大小對管道內氣體壓力損失影響非常大。為此，對除塵器出口流場的仿真計算。

通過對除塵器出口流場用ANSYS CFD軟件進行仿真計算，可以非常直觀地看到局部壓力損失和管道內的流場情況。

初始條件及載荷設定：風溫設定50℃，密度ρ= 1.105 kg/m3，運動黏度18.6×10-6m2/s，風速v=5.524 m/s，出口風壓為0。根據仿真計算結果，可以得出如下結論：

1）除塵器經過該段管道的壓力損失為716.7 Pa，管道內最大壓差為1 225.8 Pa（見圖1）。

2）在除塵器出口有較為明顯的渦流，風速有急劇的變化，如圖2所示。3）直管段風速在37.5 m/s以上的較多（圖2）。4）如圖3所示，風機入口截面風速大部分在27.4～30.9 m/s，風速偏高［2］。

圖1　除塵器出口及風機進口處管道壓力

圖2　除塵器出口處質點矢量

圖3　風機進口處風速

3　改進思路及措施

根據仿真計算結果對除塵器出口至風機進口處管路進行相應改進。

3.1改進原則及方法

對除塵器出口至風機進口處管路的改進以減少彎頭、提高截面積以減少壓力損失為原則。具體改造過程中，將風機出口管路在中間實施隔斷，并自風門至除塵器出口處平滑過渡。

3.2仿真計算

按照原初始條件設置進行仿真計算，改進后，除塵器出口及風機進口處的管道壓力分布如圖4所示，除塵器出口處質點矢量如圖5所示，除塵器出口及風機進口處管道質點矢量如圖6所示，管道內風速以及風機進口風速云圖如圖7所示。

圖4　改進后除塵器出口及風機進口處管道壓力云圖

圖5　改進后除塵器出口處質點矢量

圖6　改進后除塵器出口及風機進口處管道質點矢量

3.3計算結果分析

根據上述計算可知：

1）改進后除塵器經過該段管道的壓力損失為523.42 Pa，管道內最大壓差為612.83 Pa（見圖4）。而原除塵器經過該段管道的壓力損失為716.7 Pa，管道內最大壓差為1 225.8 Pa。

圖7　改進后風機進口處風速云圖

2）在除塵器出口質點運行軌跡平滑，無劇烈速度變化。直管段風速在24.3 m/s以下的較多（見圖5、圖6）。而改進前直管段風速在37.5 m/s以上的較多。

3）改進后進口截面風速大部分在26.2 m/s以下（見圖7）。而改進前風機進口截面風速大部分在27.4～30.9 m/s，風速偏高。

4　結語

除塵器出口至風機進口處管路改造后，風機風量提升到1 040 000 m3/h，配套電機電流小于額定電流。經現場實測，爐前空氣中顆粒物含量降低為4 mg/Nm3，滿足環保要求和職業衛生的相關要求。實際改造后的風量與通過ANSYS CFD軟件仿真得出的結果基本一致。初始條件和各種限制參數選擇與現場一致，使用該軟件對除塵系統進行流場分析經濟、可靠，是一種非常有用的工程工具。

參考文獻：

［1］張殿印，王純.除塵工程設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］杜憲偉，趙興永，張海港，等.ANSYS有限元分析軟件在除塵管道改造中的應用［J］.冶金設備管理與維修，2015（1）：43.

Simulation Calculation and Optimization of CFD ANSYS in the Outlet Pipe of Dust Filter

LI Jingye, ZHAO Xingyong
（The Ironmaking Plant of Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China）

Abstrraacctt:: Aiming at the problem of insufficient gas flow of casthouse dust extraction system in a steel mill, the analysis shows that the design of the right angle and the Z-shaped bend in the outlet of the dust collector is unreasonable, which leads to the loss of local pressure. The improvements will be the implementation of the partition in the middle of the fan outlet pipe, and a smooth transition from gas shutter to the outlet of the dust collector. The simulation results for the position show that the pressure loss after improvement is reduced to 523.4 Pa from 716.7 Pa and the gas flow is stable. After the project was carried out, the air volume of the dust-fan was increased to 1 040 000 m3/h from 700 000 m3/h.

Key worrddss:: dust extraction system; air volume; pipe line; pressure loss; ANSYS CFD; simulation calculation

數值范圍用浪紋線

GB/T 15834—1995規定：浪紋線“～”用于連接數字范圍，如a～b，這里的a、b為不同的實數，因此，在科技書刊中，凡實數的數值范圍應當用“～”連接，不應采用一字線“—”。例如：0.25～0.75，750～780℃，190～220 mm， 0.9～1.2 m/min，圖4～6，表1～3，等。只有起點和終點的時間間隔除外，依據GB/T 8407—2005，這種情況采用一字線連接，例如：2011—2015年，2012年1—5月，2008 年3月5—17日。

（燕明宇）

試驗研究

作者簡介：李京業，男，1969年生，1991年畢業于華東冶金學院冶金機械專業。現為萊鋼集團銀山型鋼有限公司煉鐵廠副廠長，高級工程師，從事煉鐵、燒結設備管理與技術工作。

收稿日期：2015-05-15

中圖分類號：TF321.9

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4620（2015）06-0046-02