燒結(jié)機(jī)頭脫硫配套濕式電除塵器的流場模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陳亮亮 陳志煒 劉立 袁野 馮威

(1.中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?武漢 430205；2.荊州開發(fā)區(qū)城市建設(shè)投資開發(fā)有限公司 湖北荊州 434000)

0 引言

2019年4月，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣〔2019〕35號，以下簡稱《意見》)?！兑庖姟分袑︿撹F企業(yè)所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放要求作了規(guī)定，要求到2025年底前，重點(diǎn)區(qū)域鋼鐵企業(yè)超低排放改造基本完成，全國力爭80%以上產(chǎn)能完成改造。燒結(jié)是鋼鐵冶煉中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，燒結(jié)過程中產(chǎn)生大量煙氣，是煙氣污染大戶和治理難點(diǎn)[1]。

目前，燒結(jié)機(jī)頭煙氣治理中，形成了電除塵器+濕法脫硫+濕式電除塵器的煙氣協(xié)同治理主流技術(shù)路線。通過最大限度地挖掘濕法脫硫+濕式電除塵器在粉塵顆粒物脫除上的作用，實(shí)現(xiàn)粉塵的協(xié)同治理，最終達(dá)標(biāo)排放。

濕式電除塵器是一種用于處理含濕氣體中微細(xì)粉塵的高壓靜電除塵設(shè)備[2]，其除塵效率的高低直接影響到整個(gè)協(xié)同治理過程的成敗。而濕電除塵效率僅是理論設(shè)計(jì)值，工程應(yīng)用中流場偏流是導(dǎo)致除塵效率難以達(dá)標(biāo)的重要影響因素。因此，有效的組織粉塵、液滴與氣流在濕電內(nèi)的流場分布均勻性，采用數(shù)值模擬流場分析技術(shù)，增設(shè)導(dǎo)流葉片、孔板等均流裝置，是使?jié)耠姵龎m效率達(dá)到最優(yōu)值的重要分析手段。

1 濕式電除塵器流場優(yōu)化

某鋼廠燒結(jié)機(jī)頭煙氣采用石灰石/石膏濕法脫硫+濕式電除塵器的協(xié)同治理技術(shù)路線。由于現(xiàn)場場地要求，濕式電除塵器為豎向布置，濕法脫硫除塵后的煙氣垂直進(jìn)入濕電，然后從濕電頂部側(cè)出。具體模擬要求如下：①保證電場入口及管內(nèi)的氣流分布速度分布離散系數(shù)小于20%；②濕式靜電除塵器陽極管內(nèi)部煙氣流速≤2.3 m/s。

1.1 流場計(jì)算輸入條件

(1)計(jì)算模型選擇與假設(shè)。本項(xiàng)目研究的流動屬三維定常流動，屬于湍流狀態(tài)，采用納維斯托克斯全能方程，即符合質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，通過該方程可以計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度、溫度、壓降、密度等值。根據(jù)工程的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在滿足工程要求條件下，為便于模擬計(jì)算， 將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；假設(shè)模型邊界進(jìn)口處煙氣速度分布均勻；不考慮煙氣在設(shè)備中的熱傳遞和降溫過程。

(2)網(wǎng)格劃分情況。網(wǎng)格劃分的數(shù)量和質(zhì)量決定了CFD計(jì)算結(jié)果的精確性，在保證網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度，計(jì)算時(shí)間合理的情況，控制網(wǎng)格劃分總數(shù)為1 320萬左右。

(3)三維模型。采用1∶1的尺寸進(jìn)行三維建模，在CFD模型中忽略一些對流場影響較小的內(nèi)部構(gòu)造(構(gòu)架、梁等)，主要包括濕電殼體、進(jìn)出口煙道、極管、孔板等。

1.2 無導(dǎo)流措施的流場分析結(jié)果

為了真實(shí)模擬濕電內(nèi)的流場，建立了濕電極管模型，重點(diǎn)研究極管入口、極管內(nèi)的流場分布情況。如圖1為三維建模情況。

圖1 無導(dǎo)流措施的三維濕電模型

原始模型的流場分析結(jié)果如圖2所示。

(a)速度分布軸面 (b)陽極管入口速度分布 (c)陽極管內(nèi)速度分布

在沒有導(dǎo)流措施的情況下，煙氣從入口一側(cè)進(jìn)入后，煙氣大量集中在出口一側(cè)。從俯視圖看極管內(nèi)的流場分布，可見流場分布非常不均勻，流體大量集中在濕電出口，且陽極管內(nèi)速度分布不均勻。①在濕電入口和濕電極管內(nèi)部的速度分布離散值，分別為42%和38%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了20%的要求；②陽極管內(nèi)平均速度為2.8 m/s,大于要求的2.3 m/s，所以需要進(jìn)行流場優(yōu)化。

1.3 含導(dǎo)流措施的流場分析結(jié)果

經(jīng)分析，由于煙氣在設(shè)備中會走壓力最小路徑，因此側(cè)向出口會導(dǎo)致煙氣在濕電內(nèi)整體向出口方向偏移，這樣煙氣在濕電極管內(nèi)會嚴(yán)重偏移，因此，需要采用在極管前設(shè)置孔板。一般孔板為均勻開孔，均勻開孔無法有效矯正煙氣偏流。該項(xiàng)目孔板根據(jù)流場設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)成非均勻開孔方式，孔板的開孔率從左到右分別為48%、38%以及29%，如圖3所示。

按照該孔板的設(shè)計(jì)方式，CFD計(jì)算出的三維模型以及流場情況如圖4、圖5所示。

圖3 孔板設(shè)置方式

圖4 含導(dǎo)流措施的濕電

(a)速度分布軸面 (b)極管入口速度分布情況 (c)極管內(nèi)部速度分布情況

由圖4、圖5可看出優(yōu)化后的濕電系統(tǒng)流場分布情況，通過設(shè)置導(dǎo)流葉片和非均勻孔板，優(yōu)化了整個(gè)濕電系統(tǒng)的速度場，極管內(nèi)的流場分布均勻。在極管入口位置截面處，煙氣經(jīng)過導(dǎo)流葉片和孔板的作用得到強(qiáng)制均布，速度分布偏差值為14%，滿足設(shè)計(jì)小于20%的性能要求。在極管內(nèi)的位置截面處，極管內(nèi)部速度分布情況良好，基本消除了極管內(nèi)的高流速，并均勻了管內(nèi)流場。經(jīng)計(jì)算，該位置截面速度離散系數(shù)為18.9%。極管內(nèi)速度分布平均值為2.2 m/s，小于2.3 m/s的設(shè)計(jì)要求。

1.4 優(yōu)化前、后流場對比分析

為了充分說明優(yōu)化前、后的流場變化情況，截取了極管入口、極管內(nèi)的截面，分別分析了優(yōu)化前、優(yōu)化后x方向和y方向的截面上的速度分布值，具體如圖6—圖13。

(1)極管入口位置截面流場。

圖7 優(yōu)化前極管入口y方向速度分布值

圖8 優(yōu)化后極管入口x方向速度分布值

圖9 優(yōu)化后極管入口y方向速度分布值

(2)極管內(nèi)位置截面流場。

圖10 優(yōu)化前極管內(nèi)x方向速度分布值

圖11 優(yōu)化前極管內(nèi)y方向速度分布值

圖12 優(yōu)化后極管內(nèi)x方向速度分布值

圖13 優(yōu)化后極管內(nèi)y方向速度分布值

如圖可見，優(yōu)化前結(jié)果中，極管入口和極管內(nèi)部截面的速度分布值隨著x軸方向變大，速度分布值變大，可以充分說明煙氣往出口側(cè)方向嚴(yán)重偏流，越往出口處，速度偏流越嚴(yán)重。而在y方向的截面的速度分布值則是中心區(qū)域分布較高，兩側(cè)靠殼體位置速度分布值較少，這是因?yàn)闊煔馔隹谥行氖湛s的原因造成的。從速度分布值中可以得知，未實(shí)施導(dǎo)流措施的濕電內(nèi)部，速度分布值超過了設(shè)計(jì)值要求，這樣會導(dǎo)致煙氣、粉塵高速穿透濕電，結(jié)果是濕電整體除塵效率不佳。

經(jīng)過增設(shè)導(dǎo)流葉片和非均勻開孔的孔板后，優(yōu)化后的結(jié)果中，極管入口和極管內(nèi)部截面的速度分布值在整個(gè)截面均勻分布，重點(diǎn)消除了x方向的速度分布值的偏流現(xiàn)象，同時(shí)在y方向的速度分布值也均勻分布，整體速度分布值為1～2 m/s，說明該流場滿足了性能設(shè)計(jì)的要求。

2 工程應(yīng)用情況

類似于濕法脫硫塔頂布置的濕電除塵器，按照上述流場設(shè)計(jì)的方案，實(shí)施了多套燒結(jié)機(jī)煙氣超低排放改造項(xiàng)目，項(xiàng)目運(yùn)行情況良好，見表1。濕電除塵效率基本為84%～87%，滿足了超低排放的要求。

表1 燒結(jié)機(jī)頭濕電除塵器除塵效率運(yùn)行情況

3 結(jié)論

(1)濕法脫硫頂部配套濕電除塵系統(tǒng)是燒結(jié)機(jī)保證粉塵超低排放的有效方案，采用CFD流場分析技術(shù)，重點(diǎn)建立了極管三維模型，研究了濕電極管入口和極管內(nèi)速度場和速度值分布情況，研究結(jié)構(gòu)表明，側(cè)部出風(fēng)是導(dǎo)致濕電除塵器內(nèi)部流場嚴(yán)重偏流的原因，增設(shè)導(dǎo)流葉片和非均勻開孔孔板，改善了濕電內(nèi)部流場分布，整體截面的速度分布離散系數(shù)小于20%，速度分布平均值小于2.3 m/s，該流場滿足設(shè)計(jì)性能的要求。

(2)將濕電流場設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到多套燒結(jié)機(jī)頭濕電除塵超低排放改造項(xiàng)目中，實(shí)際運(yùn)行效果除塵效率為84%～87%，濕電出口粉塵小于10 mg/m3的要求。

(3)CFD流場模擬技術(shù)是一種有效的流場分析手段，非均勻孔板設(shè)計(jì)適合頂部進(jìn)風(fēng)、側(cè)部出風(fēng)的濕電結(jié)構(gòu)，該流場設(shè)計(jì)方式為同類項(xiàng)目實(shí)施提供了支撐。