转炉湿式电除尘器气流仿真研究.pdf

收稿日期:作者简介:刘国华()高级工程师.转炉湿式电除尘器气流仿真研究刘国华 陶 迎 陈 兵(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司 中冶赛迪信息技术(重庆)有限公司)摘 要 气流均布特性是影响湿式电除尘器除尘效率的主要因素之一 采用多孔阶跃算法气流仿真 模拟计算了立式蜂窝结构湿式电除尘器除尘气流分布情况 计算结果表明 蜂窝结构湿式电除尘器除尘烟气入口段与收尘区域垂直 气流在除尘管道内存在分布不均现象 采取入口处增加多个导流板 筒体中部设置 层多孔板等措施 气流均布特性得到改善 蜂窝管内烟气流速相对均方根差低于 采用该湿式电除尘器处理后的烟气可实现超低排放关键词 湿式电除尘器 立式蜂窝 气流仿真 多孔阶跃文献标识码:文章编号:()(.).转炉煤气净化及回收系统是转炉冶炼单元的重要组成部分 对转炉稳定生产和环境保护有重要作用 转炉一次除尘有两条工艺路线 即以 法为代表的湿法净化回收工艺和以 法为代表的干法净化回收工艺 法采用水洗的方式进行烟气除尘 其烟气排放浓度可降低到/以内 法利用蒸发冷却器与静电除尘相结合的方式进行粉尘捕集 除尘效率高 烟气排放浓度可稳定在 /能耗低 无污水处理 回收煤气量大且热值高 是目前冶金行业鼓励使用的技术 随着国家对重点区域内钢铁企业排放改造工作的推进 为实现环保绩效 类企业的目标 企业迫切需要不停炉的前提下对现有除尘系统进行改造 满足转炉一次烟气超低排放要求 湿式电除尘技术不仅高效 而且湿法净化回收工艺和干法净化回收工艺改造里均可使用 同时考虑改造项目可用场地面积普遍偏小湿式电除尘器采用立式蜂窝结构冶 金 能 源 立式蜂窝结构的湿式电除尘器内部烟气流速分布的均匀性对除尘效率影响很大 影响气流均布的参数很多 包括导流板的数量、位置多孔板的开孔率、孔型、孔径 以及均布板的间距 为了提高烟气流速分布的均匀性 一般需在气流进口处设置导流板、均布板 通过工程设计不断摸索 获得较为合理的均流设计方案传统的电除尘器厂家为了取得较好的除尘效率 根据相似原理 按一定比例(通常选取/)进行电除尘器气流分布模型试验这种做法虽然有效 但却不高效 耗费大量精力的同时 又提高了产品的设计成本 随着仿真技术的成熟发展 计算机硬件能力的提高 通过仿真模型可快速计算出不同设计方案下电除尘器内部流场的均布情况并寻求最优解 仿真计算模型 模型建立文章研究了湿式电除尘器气流均匀性的处理技术 参考目前工程中常用的卧式电除尘器气流均布板的设计方案 结合气流仿真的目标值和合理成本等因素 设计了导流板 层多孔板结构的新方案 用于处理湿式电除尘器内部气流的均匀性问题 该设计方案中 多孔板是影响电除尘器内部气流均匀性的关键部件 湿式电除尘器的外轮廓直径为 多孔板的开孔直径为 多孔板的厚度为 因此按照多孔板的实际结构进行全尺寸的三维建模 整个计算域网格数量过大 考虑到实际模型的可操作性和合理性 在建立仿真模型时 采用多孔阶跃模型()对多孔板结构进行简化处理 用来模拟烟气通过多孔板前后所形成的压力降具体方法为 在湿式电除尘器内部多孔板实际位置处建立无厚度的面 并将其设置为多孔阶跃模型 多孔阶跃本质上是多孔介质()模型的一维形式 而多孔介质模型就是在动量方程中添加一个代表动量消耗的源项来模拟多孔介质的作用 源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成 对于简单均匀的多孔介质 如多孔板、筛子等 其源项方程可以简化为:()式中:为压力变化值 为多孔板厚度 右侧第一项为粘性损失项 右侧第二项为惯性损失项 为孔板的面渗透性系数()为流体的动力粘度 为孔板的压力阶跃系数()为流体密度 为流体速度大小 为流体速度在、方向上的矢量值多孔阶跃模型适用于面区域 具有更强的计算稳定性和收敛性 模拟时需要对孔板的面渗透性系数、压力阶跃系数和孔板厚度三个参数进行设置 多孔板阻力特性求解多孔板作为一种常用的流量计量装置 广泛应用于化工、民用、冶金等领域 在多孔板的研究中 面渗透性系数和压力阶跃系数是计算多孔板简化模型阻力特性的两个重要参数 这两个系数的准确求解对于多孔板的阻力特性计算结果具有显著的影响 因此 研究孔板的面渗透性系数和压力阶跃系数的求解方法 对于提高采用多孔板简化模型的湿式电除尘器流场仿真模型的准确性有非常重要的意义 目前常用的求解方法包括:经验公式求解法 压降流速拟合求解法()经验公式求解对于多孔板结构 软件提供了经验公式()进行求解 (/)()式中:为通过多孔板的流体质量流量 为根据雷诺数 和/确定的一个系数/为多孔板孔径和多孔板厚度的比值 为多孔板上所有孔的面积 为整个多孔板的面积(实体和孔)在多孔板中 流体质量流量计算公式为:()联合求解公式()和公式()同时 则有:(/)()相比于局部阻力损失 多孔板沿程阻力损失可以忽略不计 即压降主要为局部阻力损失 因此由公式()可以简化得到:冶 金 能 源 ()联合求解公式()和()可以得到孔板压力阶跃系数:(/)()当/且 时 系数 可以取值 该设计方案中多孔板开孔率设计为 厚度 代入公式()求得 对于厚度极小的薄板 其粘性阻力损失相对于惯性阻力损失非常小 基本可以忽略不计 粘性阻力损失项接近为零 故利用 软件仿真计算时 面渗透性系数 可以取一个较大的数值取 ()压降流速拟合求解该设计方案中 湿式电除尘器多孔板设计厚度 圆孔开孔直径 此时/不满足上述经验公式/的要求因此 这里采用压降流速拟合求解的方式进行求解 有实验数据时 直接用实验数据中的压降、流速测试结果进行拟合 没有实验数据时新建一个仿真模型 通过仿真的压降、流速数据进行拟合参照湿式电除尘器内多孔板设计参数 建立一个直径为 、厚度为 、开孔率为、孔径为 的几何模型 多孔板前端和后端均为直筒 前端长度为 后端长度为 传统立式蜂窝管结构的湿式电除尘器内部烟气流速设计范围一般为 /模型入口速度应与之匹配 入口空气温度参照实际工况设定为 在 软件中对该几何模型进行网格划分 采用结构化网格 对计算域进、出口以及多孔板附近网格进行加密处理 网格总数约 万 网格最低质量为 、最大偏斜度为 、最大长宽比为 利用上述多孔板模型进行多个工况的计算时 具体模型选取及边界设置如下:湍流模型:湍流模型流体:空气 密度为 /进口边界:速度进口 速度分别为、/出口边界:压力出口 压力值为大气压模型中的多孔板具有节流作用 烟气在多孔板附近的流向、速度将发生改变 会产生较大的压降 同时 在多孔板附近会产生较多的涡流影响正常的压力测量 因此多孔板前端和后端位置的确定原则是选择压力基本稳定的平面 文章选取的多孔板前端位置距多孔板 多孔板后端位置距多孔板 应用多孔板模型 在不同进口速度的条件下 计算得到多孔板前端和后端的压降 具体数据汇总见表 根据汇总的数据 结合多项式拟合方法 完成压降流速二次多项式拟合 二次拟合函数为 表 多孔板前端和后端的压降以及具体拟合数据多孔板前端压力/速度/()多孔板后端压力/速度/()拟合数据压降/孔内速度/()冶 金 能 源 根据式()中介绍的多孔介质原理可知:()/()式中:为气体密度 取 /为多孔板厚度 取 的空气动力粘度 取 根据公式()可以求解得出压力阶跃系数 根据公式()可以求解得出面渗透性系数 ()拟合参数验证根据前文所得两组系数 和 采用多孔阶跃模型对多孔板进行简化处理 验证模型的入口速度选取流速设计中间值和极大值 以便观察不同流速下拟合验证效果的差异 这里对进口速度为 和 /两种工况进行仿真计算 计算结果见表 和表 表 进口速度为 /时不同计算方法的速度标准差计算方法网格数/万压力阶跃系数面渗透性系数速度标准差/()出口 处出口 处出口 处出口 处多孔板模型 拟合参数求解模型 表 进口速度为 /时不同计算方法的速度标准差计算方法网格数/万压力阶跃系数面渗透性系数速度标准差/()出口 处出口 处出口 处出口 处多孔板模型 拟合参数求解模型 由表 和表 可知 在相同的计算方法及边界条件下 速度标准差与气流速度、目标平面的位置密切相关 对于多孔板模型 出口 处的速度标准差较大 这是因为该处气流未完全稳定 可不做比较 不同进口速度下的速度标准差值不同 在同一速度下 随着目标平面与多孔板距离的增大 多孔板模型与压降流速拟合求解模型的速度标准差的差值减少 该设计方案中开发的湿式电除尘器烟气设计速度在 /左右电除尘器内收尘管底部与多孔板距离约 整个电除尘器计算模型网格数量在 万左右结合湿式电除尘器的具体情况 重点关注表 中出口 处的速度标准差值 采用压降流速拟合求解模型计算的速度标准差与实际多孔板模型计算速度标准差的相对差值在 以内 说明仿真结果具有较好的参考价值 流场仿真设计 初始方案在设计过程中 需要根据仿真结果找出导致湿式电除尘器收尘区域气流不均匀的原因 调整导流板的数量、位置等参数 对流场进行优化根据电除尘器仿真结果进行多次优化 以满足湿式电除尘器内气流均匀性要求 设计方案以 转炉用直径 湿式电除尘器为例进行流场仿真 工艺流程为烟气从设备底部的入口处水平进入到湿式电除尘器内部 沿设备筒体向上流入收尘区域 实现烟气和粉尘的分离 收尘区域的收尘蜂窝管需要利用喷淋水定时冲洗实现清灰带有粉尘的冲洗水落入排水槽经排水管进入水循环系统 收尘区域由 根正六边形的蜂窝状收尘板组成湿式电除尘器数值仿真模型边界设置如下:湍流模型:湍流模型流体:烟气 密度为 /进口边界:速度进口 速度为 /出口边界:压力出口 压力值为大气压多孔板简化:采用多孔阶跃模型 面渗透性系数 设置为 压力阶跃系数 设置为 采用相对均方根差对电除尘流场进行评判 冶 金 能 源 ()式中:为气流分布相对均方根差 为测点风速/为平均速度/为截面测点数湿式电除尘器电场横截面气流分布均匀性要求为 初始方案下 根蜂窝管进口端 处气流速度分布计算结果表明 根蜂窝管内气流速度分布明显不均匀 中间区域存在局部高速 远端存在局部低速 为了更好地分析蜂窝管筒体内气流均匀性 对每根蜂窝管内烟气流速进行了统计由统计结果可知 根蜂窝管中单根蜂窝管内烟气最小流速为 /最大流速为 /而 理 想 分 布 时 平 均 流 速 应 该 为 /蜂窝管内烟气速度标准差为 /相对均方根差值为 单根管内烟气流速过大不仅影响该收尘管捕集烟气粉尘的效率 还会降低设备的整体收尘效率 因此 文章重点关注的是蜂窝管内烟气流速偏离上限值的蜂窝管的数量 根蜂窝管中单根蜂窝管内烟气流速大于 /(偏离理想分布的平均流速 /约 后文称之为偏离上限值)的蜂窝管数量为 根 占收尘管总数的 优化后方案根据初始方案的仿真结果 保持模型的边界条件不变 利用田口正交试验法确定试验方案对湿式电除尘器设备筒体底部导流板位置、尺寸、长度、个数以及两层多孔板间距等影响仿真结果的参数进行优化仿真分析 经过数十次的仿真计算后 从仿真结果里取出最优值 优化后蜂窝管进口端 处烟气流速分布结果显示烟气流速分布虽然仍存在一定的局部高速区和局部低速区 但与初始方案相比 流速相对更加均匀对每根蜂窝管内烟气流速进行了统计 结果显示:单根蜂窝管内烟气最小流速为 /最大流速为 /理想分布时平均流速为 /标准差为 /烟气流速相对均方根差值为 根蜂窝管中 单根蜂窝管烟气流速大于 /(偏离上限值)的蜂窝管数量为 根 优化后 烟气流速相对均方根差值和单根蜂窝管烟气流速大于偏离上限值的数量均有所降低 气流均匀性得到改善 具体对比见表 表 湿式电除尘器蜂窝管内烟气流速模型烟气流速/()最小值最大值标准差相对均方根差值 /蜂窝管数/根初始方案 优化后方案 工程应用情况基于上述流场仿真研究的成果 开发了适用于 转炉的多个规格的防爆节能型湿式电除尘器 安装在原湿/干式除尘系统后 并成功应用于多家钢铁企业转炉一次除尘系统超低排放改造工程项目 经检测 现场设备运行情况良好 排放出口粉尘质量浓度满足超低排放要求具体参数见表 需要说明的是 由于原转炉一次除尘系统已经使用多年 除尘效率相比新建成表 新增湿式电除尘器除尘效率统计转炉炉容/入口粉尘质量浓度/()出口粉尘质量浓度/()除尘效率/(湿法一次除尘)(干法一次除尘)(干法一次除尘)冶 金 能 源 的系统已有所下降 无论是湿法除尘系统还是干法除尘系统 其处理后的烟气粉尘质量浓度均大于设计值 结论()对于开孔率为、圆孔直径为、孔板厚度为 的多孔板的数值仿真经验公式不适用于此类多孔板简化计算 通过拟合公式的方式求解得出的压力阶跃系数和面渗透性系数后 进行多孔板模型简化计算是可行的()导流板、多孔板中影响气流均布的参数较多 采用田口正交法进行试验设计可极大降低计算工作量()流场仿真可有效改善电除尘器蜂窝管内烟气流速的均匀性指标 提高除尘效率 降低工程风险 节约设计时间和设计成本参考文献 张殿印 王纯 除尘器手册.北京:化学工业出版社 赵勇凯 蒋蓬勃 电除尘器气流分布均匀性试验评判标准探讨.电站系统工程 ():赵 艳编辑(上接第 页)图 不同工况下的流量差值比 基于 数的除尘管网调节计算方法可以应用于除尘智能管控 相对于 等流体系统仿真分析软件有如下优势:可以通过阀门开度或者流量输入快速判断系统管网流体的分配及运行情况 不需要有专业的设计人员使用专业计算软件如 等计算 也不存在计算软件和钢厂控制程序之间数据无法联通的问题 不仅可以运用于可预判的各种工况的管网适应性计算 还可以应用于无法预判的各种工况的实时计算 实现了实时节能控制 可用于预警除尘管道可能产生积灰的管段位置 结语文章提出并论证了一种简化的基于 数的除尘管网调节计算方法 该方法可以用于除尘管网智能化调控 可通过实时计算除尘管网的适应性情况 在保证除尘管道不积灰的情况下尽可能地节能运行 也可用于预警可能产生积灰的重点部位 在除尘系统智能化调控中发挥“管控大脑”的作用万 雪编辑 冶 金 能 源