高爐煤氣流速對蝶閥區域粉塵沉降特性影響

王立新,王　斌,黃風山

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊　050018)

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高爐煤氣流速對蝶閥區域粉塵沉降特性影響

王立新,王斌,黃風山

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊050018)

摘要：高爐煤氣含有大量粉塵，易沉積于管道三偏心蝶閥閥座密封面底部而造成閥板卡塞或損壞，影響高爐生產并造成嚴重經濟損失。為獲取管道內部高爐煤氣流速對蝶閥區域粉塵沉降規律的影響機理，使用Pro/E建立了蝶閥及其區域流場的三維模型，基于ANSYS Workbench軟件的FLUENT模塊，采用標準k-ε湍流模型和DPM模型，對3種高爐煤氣流速條件下的蝶閥區域粉塵運動軌跡進行了模擬分析。結果表明：流速為8 m/s工況下，粉塵沉積質量隨閥板開度增大而呈現先降后升的趨勢，而12 m/s和16 m/s工況下，粉塵沉積質量隨閥板開度增大而降低；閥板開度15°工況下，粉塵沉積率隨高爐煤氣流速增大而升高，而45°和75°工況下，粉塵沉積率隨高爐煤氣流速增大而降低。研究結果可為高爐煤氣管道蝶閥區域粉塵自動清除裝置的研制提供理論參考。

關鍵詞：計算機仿真；流場分析；高爐煤氣流速；閥板開度；沉降特性；三偏心蝶閥

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王立新,王斌, 黃風山.高爐煤氣流速對蝶閥區域粉塵沉降特性影響[J].河北科技大學學報,2016,37(1):58-64.

蝶閥通過調節管道中高爐煤氣(blast furnace gas, BFG)流速與壓力來維持高爐正常生產活動。BFG中含水氣與粉塵[1]。水氣使粉塵易板結于蝶閥閥座密封面底部造成閥板卡塞或損壞，使蝶閥失效并產生安全隱患。蝶閥備件費用較高且拆裝耗時較長。高爐頻繁休風清理板結粉塵或更換蝶閥，會打斷正常生產流程，造成嚴重經濟損失。

為研制高爐煤氣管道蝶閥區域粉塵自動清除裝置，實現蝶閥閥座密封面底部沉積粉塵的自動清除，以防止因粉塵在蝶閥閥座密封面上沉積而阻礙閥板轉動進而影響蝶閥開閉與調節，保證高爐正常生產，首先需獲取管道蝶閥區域BFG粉塵運動規律。目前，國內外主要通過仿真分析手段研究流場中粉塵運動規律，王志強等[2]對沙塵在防沙堤附近的運動軌跡進行了數值模擬，獲得并分析了不同風速，不同沙塵粒徑，不同防沙堤形狀下沙塵在防沙堤附近的沉積特點；孫國祥等[3]對三維空間中氣流對霧滴漂移的影響進行了模擬分析，研究了不同風速和噴霧高度條件下霧滴的沉積特性，并建立了霧滴沉積量和沉積率預測模型；SALMAN等[4]對水平管道內顆粒運動進行了數值模擬，分析了控制顆粒運動的主要氣動外力，并建立了基于剛體滑動的彈性接觸模型；OH等[5]對直流式旋風分離器內部流場進行了數值模擬，預測了內部流場并研究了流場對顆粒運動的影響，提出了影響分離效率的因素。由于高爐實際工況復雜且現場實驗相對缺乏，對于流場中BFG粉塵在管道蝶閥區域運動規律的研究較少。

本文基于ANSYS Workbench軟件的FLUENT模塊，模擬不同BFG流速工況下三偏心蝶閥區域粉塵沉降過程，分析獲取BFG流速對粉塵沉降特性的影響規律，研究結果可為BFG管道蝶閥區域粉塵自動清除裝置的設計研制提供理論基礎。

1數值模型

設定氣相為不可壓縮流體[6]，即密度為常數；對氣相采用標準k-ε湍流模型和非穩態方式進行描述。BFG管道中粉塵體積分數遠小于10%，采用DPM模型和非穩態追蹤方式進行軌跡計算。對DPM中粉塵顆粒，FLUENT中通過積分拉氏坐標系下的受力微分方程來求解其軌道。單位質量粉塵顆粒的受力微分方程在笛卡爾坐標系下的形式[7](x軸方向)為

(1)

式中：u為流體相對速度；up為顆粒速度；ρ為流體密度；ρp為顆粒密度。

對式(1)積分得到了顆粒軌道每個位置的顆粒速度，再沿著每個坐標方向求解式(2)可得到顆粒軌道：

(2)

假設在每個小的時間間隔內，包含體力在內的各項受力均為常量，方程(1)可簡寫為

(3)

式中，τp為顆粒松弛時間。FLUENT應用梯形差分格式對方程(3)積分：

(4)

式中，n代表迭代步數，并且有：

(5)

(6)

(7)

在給定時刻，同時求解方程(2)、方程(3)，即可確定顆粒的速度與位置。

2計算方案

2.1　蝶閥區域特征參數

選取DN600三偏心金屬硬密封蝶閥作為研究對象，使用Pro/E完成蝶閥及蝶閥區域流場計算域幾何建模，分別如圖1、圖2所示。其中，為使模型特征表達清晰，圖2為包含蝶閥閥板等主要特征在內的局部模型。擬分別在15°，45°和75°閥板開度工況下進行仿真，并分別取約5倍(3 000 mm)和10倍(6 000 mm)管道直徑(610 mm)長度作為蝶閥上、下游(以閥座密封徑向中心面為基準)流場計算域，以減小入口、出口邊界的影響，確保完整模擬整個流場的情況[9]。

圖1 蝶閥幾何模型Fig.1 Geometry model of the butterfly valve

圖2 蝶閥區域流場幾何模型(局部)Fig.2 Flow field geometry model of the butterfly valve region(part)

2.2　網格劃分

為便于仿真分析，對模型進行簡化，忽略幾何尺寸很小或對蝶閥工作性能影響不大的閥板密封、筋板與閥桿間隙、閥板正面銷釘、閥板背面凹坑和螺栓等特征結構。為提高計算精度同時減少計算量，采用六面體與四面體混合網格分別對3種閥板開度工況下的蝶閥區域流場幾何模型進行劃分[10]：對蝶閥表面及閥座密封面底部等結構復雜的關鍵部位使用非結構四面體網格并進行加密，對流場入口段(2 500 mm)和出口段(4 000 mm)進行六面體網格劃分以減少網格數量。設定中間段(2 500 mm)閥板和閥體密封的面網格尺寸分別為0.015 mm和0.005 mm，其他面的面網格尺寸為0.03 mm，如圖3所示。

圖3　蝶閥區域流場網格(局部)Fig.3　Flow field mesh of the butterfly valve region (part)

2.3　邊界條件

設定管道與蝶閥無輕微振動，流場溫度恒為773 K且與外界無熱交換；與閥門1天或數天的工作時間相比，10 s左右的開度動作時間以及因流速改變而需要閥門動作調節至正常流速的時間相對較短，即流場處于相對穩定狀態，故不考慮閥門動作或流速改變時刻對粉塵沉降特性的影響。使用速度入口并分別設定8，12，16 m/s等3種管道入口BFG流速；使用壓力出口，0.25 MPa；使用蝶閥閥座密封底部半個曲面(沿y-方向)作為粉塵沉積面，DPM邊界條件設為trap。

2.4　氣相參數

使用組分輸運模型來模擬氣相流場。BFG中所占體積分數較大的3種成分為CO2(約20%)、CO(約25%)和N2(約55%)[11-13]；H2和水蒸氣含量較少，對流場影響較小，其中H2僅占1%~4%。因此，僅使用CO2，CO和N2進行仿真分析[12]。基于293 K，1標準大氣壓下BFG成分及體積分數，并依據美國NIST-REFPROP數據庫，氣相在773 K，0.25 MPa工況下的其他參數見表1。設定流場時間步長為0.1 s。

表1　氣相參數

2.5　粉塵參數

設定BFG入口粉塵質量濃度為10 g/m3[14]，并將粉塵顆粒簡化為均質球體[15-16]；設定粉塵顆粒初始速度與氣相管道入口BFG流速相同，在入口平面沿z+方向朝流場中均勻噴射30 s；依據管道直徑、氣相入口流速和BFG粉塵含量，設定管道入口粉塵總質量流率(單位時間內經入口平面進入流場的粉塵質量)分別為0.023 4， 0.035 0，0.046 7 kg/s。查得某鋼廠BFG粉塵粒徑分布[17]如表2所示。為符合生產工況且使計算結果更準確，使用Rosin-Rammler分布函數進行粉塵顆粒粒徑分布細化[18-19]，所得具體參數如表3所示。

表2　BFG粉塵粒徑分布

表3　BFG粉塵顆粒粒徑Rosin-Rammler分布參數

3結果與分析

3.1　結果

1)獲得了不同BFG入口流速工況下沉積面上的粉塵沉積質量。如表4所示，8 m/s工況下，粉塵沉積質量隨閥板開度增大而先降后升，而12 m/s和16 m/s工況下，粉塵沉積質量隨閥板開度增大而降低。

2)獲得了不同BFG入口流速工況下沉積面上的粉塵沉積率(粉塵沉積質量與入口粉塵總質量的比值，%)。如表5所示，在15°開度工況下，沉積率隨BFG流速增大而升高，而在45°和75°開度工況下，沉積率分別隨BFG流速增大而降低。

表4　BFG粉塵沉積質量

表5　BFG粉塵沉積率

3.2　分析

渦結構與顆粒速度是沉積面附近BFG粉塵顆粒運動的主要影響因素[20-21]。沉積面附近逆時針渦結構存在將附近流場中粉塵顆粒卷吸至沉積面的趨勢，這種趨勢強弱與渦量正相關；而粉塵顆粒速度不同，導致自身動量(慣性)不同，維持自身運動狀態不受渦結構影響的能力也不同，這種能力與顆粒速度正相關。由于粉塵顆粒對流場質點的跟隨性，可通過研究蝶閥區域沉積面附近BFG流速代替粉塵顆粒速度。另外，不同入口BFG流速工況下的粉塵入口總質量流率也會對沉積面上粉塵沉積產生影響。總質量流率越高，某時刻沉積面附近粉塵顆粒濃度越高，發生沉積概率相應升高。

為研究蝶閥區域沉積面BFG粉塵沉積特性，通過模型坐標系的yz坐標平面截取管道流場獲取流場的對稱平面。自粉塵顆粒經入口進入流場第0.5 s左右開始流場已經趨于穩定，沉積面附近流場渦結構與速度隨時間變化較小。以第5 s時的流場為例，獲取不同閥板開度、入口流速工況下對稱平面上沉積面附近BFG渦量與流速分布規律，如圖4、圖5所示。可見隨閥板開度增大，沉積面附近渦量在入口BFG流速8 m/s工況下先降后升，而在12 m/s和16 m/s工況下逐漸降低；不同入口BFG流速工況下，沉積面附近BFG流速隨閥板開度增大而降低。

1)由沉積面附近BFG渦量、流速分布規律與沉積質量表對比分析，可見渦量為主要因素。分別在3種入口BFG流速工況下， 閥板開度15°時，渦量均遠大于其余開度時的渦量，且作用強于流速因素，粉塵沉積質量較大。在8 m/s工況下，45°開度時渦量最小但流速較大，流速影響不能忽略，粉塵沉積質量較小；在75°開度時，渦量稍大于45°開度時的渦量，且流速較小，粉塵沉積質量大于45°開度時的沉積質量。在12 m/s和16 m/s工況下，45°和75°開度時，渦量逐漸減小，流速也逐漸減小，但渦量是主要因素，粉塵沉積質量減小。

圖4　 沉積面附近渦量等值線圖Fig.4　Contour maps of vortex magnitudes near the deposition surface

圖5　沉積面附近流速等值線圖Fig.5　Contour maps of velocity magnitudes near the deposition surface

2)在某一固定開度工況下，粉塵沉積率并不為定值。入口BFG流速升高導致BFG粉塵質量流率的增加，某時刻沉積面附近粉塵顆粒濃度增大，發生沉積概率相應升高。同時，在15°開度工況下，沉積面附近渦量較大，且隨BFG流速增大而大幅上升，將粉塵拋向沉積面促進沉積的趨勢增強，使粉塵沉積質量大幅上升，上升幅度超過粉塵入口總質量流率提高導致的30s內進入流場粉塵總質量增幅，因此沉積率升高；在45°和75°開度工況下，沉積面附近渦量較小，雖使粉塵沉積質量隨BFG流速增大而上升，但上升幅度低于粉塵入口總質量流率提高導致的30s內進入流場粉塵總質量增幅，因此沉積率降低。

4結論

基于ANSYSWorkbench軟件的FLUENT模塊，模擬分析了不同高爐煤氣流速(8,12,16m/s)對多種閥板開度(15°,45°,75°)的蝶閥區域粉塵沉降規律的影響機制，得出了如下結論。

1)粉塵沉積質量主要受沉積面附近逆時針渦結構影響，這些渦結構存在將粉塵顆粒卷吸至沉積面的趨勢，趨勢的大小與渦量正相關。因此，在8m/s工況下，沉積面附近渦量隨閥板開度增大而先降后升，導致粉塵沉積質量先降后升；而在12m/s和16m/s工況下，沉積面附近渦量隨閥板開度增大而降低，導致粉塵沉積質量降低。

2)粉塵沉積率主要受沉積面附近BFG渦結構和流速共同影響，在15°開度工況下，渦結構是主要因素，沉積率隨BFG流速增大而升高；而在45°和75°開度工況下，流速是主要因素，流速增大使粉塵入口總質量流率升高，沉積率隨流速增大而降低。

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Influence of blast furnace gas flow speed on dust deposition characteristics in butterfly valve region

WANG Lixin, WANG Bin, HUANG Fengshan

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Abstract:The blast furnace gas contains plenty of dust, which deposits easily on the bottom of seat sealing surface of the tri-eccentric butterfly valve in the pipeline, causing stuck and damage to the valve plate, thereby affects the production of the blast furnace and brings great economic loss. To derive the influence mechanism of effects of the blast furnace gas flow speed within the pipeline on the dust deposition laws in the butterfly valve region, a 3D model of the butterfly valve and its regional flow field is built with Pro/E software. Based on FLUENT module of ANSYS Workbench, along with standardk-εturbulence model and DPM model, simulation analysis of moving trajectories of dust particles in butterfly valve region under 3 blast furnace gas flow speeds is conducted. Results show that the deposition mass of dust particles decreases firstly, then increases with the enlargement of valve plate opening angle under the blast furnace gas flow speed of 8 m/s, while decreases with the enlargement of valve plate opening under the blast furnace gas flow speeds of 12 m/s and 16 m/s. In the case of the valve plate opening angle of 15°, the deposition rate of dust particles increases with the growing of blast furnace gas flow speed, while decreases with the growing of blast furnace gas flow speed under the cases of valve plate opening angle of 45° and 75°. The research results provide a theoretical reference for the development of automatic dust removal system in the butterfly valve region of the blast furnace gas pipeline.

Keywords:computer simulation; flow field analysis; flow speed of blast furnace gas; valve plate opening angle; deposition characteristics; tri-eccentric butterfly valve

作者簡介：王立新(1981—)，男，山東日照人，講師，博士，主要從事機械仿生及摩擦學方面的研究。

基金項目：河北省高等學校科學技術研究青年基金(Q2012073)

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-10-28；責任編輯：李穆

中圖分類號：TP319；TF547.2

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01010

文章編號：1008-1542(2016)01-0058-07