300 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道CFD仿真與實際運(yùn)行分析

張雪松，鄭 琳

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北唐山 063016)

1 概述

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻設(shè)備的實質(zhì)即余熱鍋爐，它以煉鋼生成的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩矗惺苤邷責(zé)煔鈩×业臏囟茸兓闹饕饔糜欣鋮s、導(dǎo)流和收集煙氣等。目前，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的使用情況不是很理想，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生爆管的現(xiàn)象，檢修工作量大，而且需要停爐，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，經(jīng)研究表明，由于汽化冷卻系統(tǒng)水質(zhì)差造成排管內(nèi)結(jié)垢、堵塞，從而管道局部過熱干燒造成爆管以及高溫?zé)煔鈱煹纼?nèi)壁沖刷腐蝕是轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道在運(yùn)行過程中存在的主要問題，另外，在斜煙道直段拐角處以及彎曲煙道拐彎內(nèi)側(cè)容易積灰，而蒸發(fā)冷卻器靠煙道內(nèi)側(cè)結(jié)垢比較嚴(yán)重，這與煙氣在煙道內(nèi)流動情況以及汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)形式有直接關(guān)系。

轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的煙氣以一定的速度進(jìn)入煙道，煙氣與煙道的換熱方式主要有輻射換熱與對流換熱，煙氣進(jìn)入煙道時大約有1500℃，到尾部煙道出口被冷卻到900℃左右，文章結(jié)合首鋼京唐公司300 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)特點，并對煙道做了一定的假設(shè)與簡化，用FLUENT軟件模擬煙道內(nèi)的煙氣流場，并對模擬結(jié)果與實際情況相聯(lián)系，進(jìn)行分析。

2 煙道模型建立

按照煙氣流動方向，取汽化冷卻煙道的固定煙罩、橫移煙道、斜煙道以及彎曲煙道（包括檢查蓋板）作為模擬對象來建立模型，整個煙道在X方向跨度為19.8 m，Y方向跨度為11.5 m及Z方向跨度為35.5 m，煙道入口處直徑取罩群頂部直徑為4.69 m，固定段入口直徑取4.32 m，后邊全部取4.19 m，如圖1所示。

京唐公司300 t轉(zhuǎn)爐采取頂?shù)讖?fù)吹的煉鋼方式，頂吹氧氣，底吹氬氣、氮氣，轉(zhuǎn)爐煉鋼分為前期、中期和后期三個階段，其中冶煉中期煙氣流量、流速最大，取其為研究對象進(jìn)行模擬，物理模型如圖2所示。

煙道入口煙氣流速分別取5 m/s和15 m/s進(jìn)行模擬，煙氣流動為三維穩(wěn)態(tài)定常流動。劃分網(wǎng)格時直接畫體網(wǎng)格，采用四面體不規(guī)則網(wǎng)格，共劃分724689個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格最大扭曲度為0.776422，縱橫比為3.40913，由于是多項流模型，選用壓力基求解器，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型，輻射模型選用P-I模型，方程離散采用一階迎風(fēng)格式，壓力場與速度場采用SIMPLE算法耦合，在混合模型設(shè)置中不選擇無滑移的，在混合模型面板下將體積力公式選擇隱含體積力，這種處理通過解決壓力梯度和動量方程中體積力的部分平衡提高了解的收斂。

圖1 汽化冷卻煙道示意圖

圖2 汽化冷卻煙道物理模型

3 仿真結(jié)果與實際運(yùn)行狀況分析

煙道入口煙氣流速為5 m/s時煙氣流場的不同截面圖如圖3、圖5、圖7、圖9，煙道入口煙氣流速為15 m/s時煙氣流場的不同截面圖如圖4、圖6、圖8、圖10，對比兩種流速的模擬結(jié)果可以看出，煙道入口煙氣流速的變化對整個煙道內(nèi)煙氣的溫度場與速度場的整體趨勢和方向影響不大，,總體趨勢與方向基本一致，煙道內(nèi)部的煙氣流動是由尾部的軸流風(fēng)機(jī)提供的動力，圖3、圖4為煙氣流經(jīng)彎曲煙道的流線圖，從圖中可以看出煙氣流過彎曲煙道180°轉(zhuǎn)角在煙道的內(nèi)側(cè)形成漩渦狀流動，而且現(xiàn)象明顯，影響煙氣流速，而且漩渦位置易造成排管表面積灰，影響煙道局部換熱，造成局部應(yīng)力過大，結(jié)合圖5、圖6（Z方向溫度場截面圖）可以發(fā)現(xiàn)漩渦狀流動之后煙道內(nèi)側(cè)溫度較低，外側(cè)溫度較高。整體看Z方向溫度場截面圖，煙道入口處溫度最高，沿?zé)煹乐睆椒较蛑苓厹囟缺戎行臏囟纫停@是由于沿壁面煙氣與煙道換熱相對較充分，沿?zé)煔饬鲃臃较虺梢?guī)律性遞減。

圖3 5 m/s彎曲段流線圖

圖4 15 m/s彎曲段流線圖

圖5 5 m/s Z方向溫度場截面圖

圖7 、圖8為煙道X方向速度場截面圖，圖9、圖10為Z方向煙道出口速度截面圖，圖7、圖8中可以看出煙氣流經(jīng)彎曲煙道時，在彎曲煙道前段內(nèi)側(cè)、后端外側(cè)煙氣流速比較大，后端內(nèi)側(cè)煙氣流速最小，往外速度呈階梯狀逐漸變大，速度大的地方對煙道內(nèi)壁沖刷也就相對較嚴(yán)重，京唐公司汽化冷卻煙道為德國設(shè)計制造，斜直煙道末端與彎曲煙道拐彎處為50°拐角，由于此處煙氣流動方向突然拐彎，在拐角處煙氣流速低，易形成漩渦，根據(jù)實際生產(chǎn)工藝，由于現(xiàn)場實際的各種因素，導(dǎo)致煙氣中含有水蒸氣，轉(zhuǎn)爐煉鋼是間歇性的，在不吹煉時，煙氣溫度較低，此時煙氣中水蒸氣消化不完全，在拐角處極易積灰，時間長了，便會形成板結(jié)塊，與實際運(yùn)行情況相符，每次利用檢修和爐役對煙道內(nèi)積灰進(jìn)行清理。

另外，彎曲煙道后端內(nèi)側(cè)煙氣流速較小、溫度較低，外側(cè)速度大、溫度高，這種不均勻的速度分布和溫度分布，直接影響后邊的蒸發(fā)冷卻器的運(yùn)行，現(xiàn)場蒸發(fā)冷卻器噴嘴布置是等距均勻的，這就使得煙氣流速小、溫度低的內(nèi)側(cè)噴嘴噴出的水霧不能充分蒸發(fā)掉，因此容易結(jié)垢，與實際運(yùn)行中存在問題一致，每次檢修檢查蒸發(fā)冷卻器噴槍，發(fā)現(xiàn)靠內(nèi)側(cè)大量結(jié)垢，需要檢修人員用高壓槍進(jìn)行沖洗，并且靠內(nèi)側(cè)蒸發(fā)冷卻器噴頭經(jīng)常被泥垢堵死，平均每兩個月對內(nèi)側(cè)堵死的噴槍進(jìn)行更換。

圖7 5 m/s X方向速度場截面圖

圖8 15 m/s X方向速度場截面圖

圖9 5 m/s煙道出口速度截面圖

圖10 15 m/s煙道出口速度截面圖

4 總結(jié)

通過對轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道CFD仿真模擬，得到煙氣流動的速度場、溫度場等，在彎曲煙道前端內(nèi)側(cè)與后端外側(cè)煙氣流速最大，時間長了管壁會變薄，容易發(fā)生泄露，可以對管道做加厚處理或做防護(hù)。

在彎曲煙道前端拐角處和后端內(nèi)側(cè)煙氣流速慢，易形成漩渦，煙道局部積灰嚴(yán)重，影響排管換熱效果，需要利用轉(zhuǎn)爐爐役進(jìn)行清理，在煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計方面可以考慮斜直煙道末端與彎曲煙道交界處圓滑過度，避免出現(xiàn)尖角。

另外，煙道出口的溫度分布與速度分布為蒸發(fā)冷卻器的噴嘴布置提供依據(jù)，在實際中，對于煙氣速度較大、溫度較高的外側(cè)基本無結(jié)垢，外側(cè)煙氣可以將噴出的水霧平衡掉，所以目前噴嘴的布置及噴水霧量對于外側(cè)是基本滿足的，而內(nèi)側(cè)則大量結(jié)垢，每次檢修都要對結(jié)垢區(qū)域進(jìn)行高壓沖洗，不但增加了費(fèi)用，而且影響生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，可以根據(jù)溫度場和速度場的分布，減小內(nèi)側(cè)噴嘴數(shù)量或減小噴水霧量，避免或降低結(jié)垢程度，進(jìn)而降低對生產(chǎn)的影響。

由于轉(zhuǎn)爐煉鋼是周期性的，因此余熱鍋爐在運(yùn)行中負(fù)荷波動較大，汽化冷卻煙道內(nèi)煙氣流動與傳熱情況復(fù)雜，伴隨CFD理論技術(shù)日漸成熟以及計算機(jī)專業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道做更全面深入的研究具有非常重要的意義。

[1]王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.