兌鐵水過程轉(zhuǎn)爐除塵仿真模擬

薄鳳華 梁文玉

(1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029；2:北京市鋼鐵冶金節(jié)能減排工程技術(shù)研究中心 北京 100029)

1 前言

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，由于爐內(nèi)溫度較高，且所用的原料有鐵水、氧氣和其他物質(zhì)，在轉(zhuǎn)爐吹氧煉鋼時(shí)，鐵水的蒸發(fā)和氣流的活動(dòng)以及爐氣等多重作用下，會(huì)噴出大量的煙塵，煙塵中的粒子粒徑有的小于1μm，有的大于10μm。而煙塵中含有的鐵的氧化物，以及硫、氮等氧化物，不經(jīng)過過濾，直接排放到大氣中，會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。

轉(zhuǎn)爐煙塵處理可以分為一次除塵和二次除塵甚至三次除塵。一次除塵主要針對(duì)在轉(zhuǎn)爐吹氧冶煉中所生成的爐氣。二次除塵是處理轉(zhuǎn)爐吹氧期從煙罩口溢出的煙氣以及在兌鋼、出鋼等活動(dòng)中所產(chǎn)生的煙氣。二次除塵需要根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中煙氣量的變化，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的位置和排煙管道上的閥門，讓煙氣通過袋式除塵器進(jìn)行過濾，從而降低廢氣的含塵濃度，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

目前，國(guó)內(nèi)外煉鋼普遍采用常規(guī)的二次除塵罩，本文以某廠120t轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)為研究對(duì)象，其轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)存在著運(yùn)行成本高、突發(fā)煙氣仍然大量外溢等情況，除塵效果較差，已經(jīng)無法達(dá)到國(guó)家最新環(huán)保要求(出口煙氣濃度<20mg/Nm3)，系統(tǒng)功能優(yōu)化改造勢(shì)在必行。應(yīng)用商業(yè)軟件模擬轉(zhuǎn)爐車間內(nèi)兌鐵水過程并進(jìn)行討論，為改進(jìn)除塵效果提供依據(jù)與指導(dǎo)。

2 模型的建立

2.1 管道壓力模型

轉(zhuǎn)爐二次除塵管道系統(tǒng)是由不同管徑的直管、彎頭、變徑管開度閥等一系列元件組成。要確定各個(gè)轉(zhuǎn)爐位置的引風(fēng)負(fù)壓，必須對(duì)從引風(fēng)機(jī)到轉(zhuǎn)爐前抽風(fēng)口建立壓力損失模型進(jìn)行壓力分布計(jì)算?？紤]轉(zhuǎn)爐二次除塵管道系統(tǒng)復(fù)雜布局特點(diǎn)，擬應(yīng)用伯努利方程進(jìn)行系統(tǒng)壓力模擬計(jì)算。

對(duì)二次除塵這樣的湍流系統(tǒng)，管道摩擦阻力損失可以簡(jiǎn)化成：

(其中hL是長(zhǎng)度L、管當(dāng)量直徑d的管道在氣體標(biāo)準(zhǔn)流速為W0下的阻力損失，Re是氣體流動(dòng)的雷諾數(shù)，γ0是氣體標(biāo)準(zhǔn)重度，β氣體熱膨脹率，T氣體的實(shí)際溫度，g氣體的重力加速度)

局部阻力損失(彎頭阻力損失、擴(kuò)張、收縮、障礙)通式：

其中K是局部阻力系數(shù)

逐漸擴(kuò)張管(由截面積A1變到截面積A2變化，夾角α)

彎頭阻力損失(由截面積A不變，彎頭曲率半徑R)

其中K是曲率半徑的函數(shù)。

2.2 轉(zhuǎn)爐操作空間內(nèi)流場(chǎng)模型

流動(dòng)場(chǎng)采用湍流流動(dòng)模型描述，在兌鐵水、加廢鋼階段從轉(zhuǎn)爐口會(huì)有大量的煙氣噴出，在浮力和慣性力作用下向上運(yùn)動(dòng)，煙氣在轉(zhuǎn)爐廠房?jī)?nèi)受到二次除塵系統(tǒng)引風(fēng)口的抽吸進(jìn)入二次除塵系統(tǒng)中，同時(shí)由于轉(zhuǎn)爐廠房不完全封閉，會(huì)有部分空氣從爐前門、轉(zhuǎn)爐與平臺(tái)的間隙中漏入一并被吸入二次除塵系統(tǒng)；在出鋼過程中煙氣會(huì)從鋼包口及轉(zhuǎn)爐口逸出，同樣在二次除塵系統(tǒng)的抽吸作用下連同空氣被吸入二次除塵系統(tǒng)。這一運(yùn)動(dòng)有浮力和慣性力的推動(dòng)和二次除塵系統(tǒng)的引風(fēng)作用，同時(shí)由于模擬空間點(diǎn)不封閉特點(diǎn)，使得模擬計(jì)算較為困難。擬采用浮力和壓差推動(dòng)下的湍流流動(dòng)模型對(duì)除塵過程進(jìn)行描述。其運(yùn)動(dòng)過程的控制方程有：連續(xù)方程、三個(gè)坐標(biāo)方向的動(dòng)量方程、湍流流動(dòng)的湍流動(dòng)能方程和湍流耗散方程。

2.2.1 煙氣流動(dòng)模型

(1)基本假設(shè)

①煙氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)過程。

②計(jì)算僅考慮單相流動(dòng)，忽略了粉塵對(duì)煙氣流動(dòng)影響。

③煙氣按理想氣體考慮。

(2)數(shù)學(xué)模型

化成通用形式如下：

k-ε雙方程模型僅適用于離開壁面一定距離的湍流區(qū)，是根據(jù)湍流流動(dòng)的各向同性理論推導(dǎo)出來的，對(duì)壁面附近區(qū)域，由于固體壁面粘滯力的作用，使湍流流動(dòng)失去了各向同性的特點(diǎn)，必須進(jìn)行單獨(dú)處理，本文對(duì)貼近壁面的部分采用壁面函數(shù)法來處理。

2.2.2 邊界條件確定

抽風(fēng)口、轉(zhuǎn)爐口按速度入口邊界條件處理。

轉(zhuǎn)爐車間側(cè)壁、底部平臺(tái)、頂部廠房都是固體邊界uj=0，對(duì)固體邊界應(yīng)用壁面函數(shù)對(duì)近壁面進(jìn)行修正。

轉(zhuǎn)爐本體按固體處理。

開口部分按壓力入口邊界考慮。

2.3 對(duì)轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)開度建議

根據(jù)建立的管道阻力損失模型，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中二次除塵管道布置情況對(duì)二次除塵系統(tǒng)的壓力分布作出相應(yīng)計(jì)算。通過計(jì)算確定目前轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)管道布置基本合理，建議主管道采用寬4500×高3000的管斷面尺寸，在轉(zhuǎn)爐車間高度采用2000為宜(因?yàn)槟壳岸纬龎m管道內(nèi)流速太高，無形中增加了引風(fēng)機(jī)助力損失)。

3 兌鐵水過程模擬結(jié)果與討論

3.1 改造前兌鐵水過程模擬

改造前兌鐵水時(shí)轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)壓力場(chǎng)分布如圖1。從圖中可以看到轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)壓力降落主要集中在二次引風(fēng)罩入口處，其它區(qū)間的壓力差較小。從壓力場(chǎng)分布來看，這種突縮型抽氣會(huì)造成較大的壓力損失。即此引風(fēng)罩引風(fēng)效果不是很好。

圖1 改造前兌鐵水過程氣流壓力場(chǎng)分布圖

從改造前兌鐵水時(shí)轉(zhuǎn)爐跨氣流速度云圖2和流場(chǎng)矢量圖3可以看到，轉(zhuǎn)爐跨在二次除塵引風(fēng)罩的抽力和轉(zhuǎn)爐內(nèi)熱氣流共同作用下形成兩個(gè)卷吸區(qū)，一個(gè)是在轉(zhuǎn)爐周邊，圍繞轉(zhuǎn)爐向引風(fēng)口運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是在鐵水包上方，把環(huán)境中的氣體卷入，這兩個(gè)卷吸區(qū)的強(qiáng)弱決定了二次除塵效率和二次引風(fēng)機(jī)的功率。有效的方法是：第一減少引風(fēng)口的阻力，同等條件下最大限度地提高二次除塵引風(fēng)機(jī)的工作效率，如本項(xiàng)目中，通過增加引風(fēng)口擴(kuò)張角，提高引風(fēng)能力，降低引風(fēng)阻力；第二減少和抑制以上提及的兩個(gè)卷吸流的形成，一個(gè)方法是盡量加長(zhǎng)引風(fēng)罩，使卷吸區(qū)減少，其二方法是破壞卷吸區(qū)，增加一些導(dǎo)流板。

另外在鐵水包下部與轉(zhuǎn)爐爐口間隙形成一個(gè)向外的噴射流區(qū)，這是造成煙氣向環(huán)境泄漏的原因之一，這部分煙氣初步估算占總煙氣量的3%。

從改造前兌鐵水過程轉(zhuǎn)爐跨溫度場(chǎng)圖4，可看到高溫區(qū)域集中在轉(zhuǎn)爐口到二次除塵引風(fēng)罩，其它區(qū)域由于卷吸作用使得溫度整體較低。轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度，這是由于轉(zhuǎn)爐散熱和沒有吸入二次除塵罩煙氣在轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)循環(huán)造成的。從轉(zhuǎn)爐跨x-y平面圖可看到以轉(zhuǎn)爐中心線為對(duì)稱在轉(zhuǎn)爐左右形成了對(duì)稱溫度分布。從轉(zhuǎn)爐操作平臺(tái)下間隙抽吸上的氣體其溫度較低，見x-y平面圖轉(zhuǎn)爐跨兩個(gè)低溫核心。由圖4得到，該二次除塵系統(tǒng)具有足夠的引風(fēng)能力。但實(shí)際生產(chǎn)中由于二次除塵系統(tǒng)中流速過高，造成在管道系統(tǒng)中的阻力損失過大，而使實(shí)際引風(fēng)口引風(fēng)能力不足。

圖2 改造前兌鐵水過程氣流速度標(biāo)量場(chǎng)分布圖

圖3 改造前兌鐵水過程氣流速度矢量場(chǎng)分布圖

圖4 改造前兌鐵水過程溫度場(chǎng)分布圖

3.2 改造后兌鐵水過程模擬

改造后兌鐵水時(shí)由于二次除塵引風(fēng)口呈擴(kuò)張型，使煙氣流動(dòng)阻力減小，從提高了二次除塵系統(tǒng)引風(fēng)能力，從圖5可看到在轉(zhuǎn)爐內(nèi)大部分區(qū)域形成了負(fù)壓區(qū)，特別是在轉(zhuǎn)爐上部，引風(fēng)口區(qū)域較大的范圍內(nèi)有均勻的負(fù)壓區(qū)，利于煙氣的抽吸。

改造后兌鐵水過程轉(zhuǎn)爐跨速度云圖見圖6，可以看到兌鐵水過程轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)主流區(qū)是從轉(zhuǎn)爐口到二次除塵引風(fēng)口，說明該二次除塵系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。轉(zhuǎn)爐爐后有一定的環(huán)流這是由于轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)均勻的負(fù)壓場(chǎng)造成的從轉(zhuǎn)爐和平臺(tái)間隙漏入的空氣流。鐵水包下部如前分析有大約3%的煙氣從鐵水包下緣與轉(zhuǎn)爐爐口間隙漏入環(huán)境中。要解決這部分漏煙氣要在轉(zhuǎn)爐爐口加阻流板抑制煙氣的漏出。

圖7是改造后兌鐵水時(shí)轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)煙氣流動(dòng)矢量圖，可以看到該工況下，二次除塵系統(tǒng)除塵效果良好，除了從鐵水包下緣與轉(zhuǎn)爐爐口間隙漏入環(huán)境的約3%煙氣外，其它區(qū)域都有環(huán)境空氣的不同程度卷入。說明目前引風(fēng)系統(tǒng)具備二次除塵能力。

圖8是改造后兌鐵水過程轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)溫度分布圖，可以看到改造后除了從鐵水包下緣與轉(zhuǎn)爐爐口間隙漏入環(huán)境的那些煙氣外，鐵水包上部到二次引風(fēng)口形成了一個(gè)卷吸區(qū)，沒有煙氣向環(huán)境漏出，在轉(zhuǎn)爐上部到二次除塵引風(fēng)口同樣形成一個(gè)卷吸區(qū)，沒有煙氣流入轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)。這也證明該工況下完全具備二次除塵能力。

圖5 改造后兌鐵水過程氣流壓力場(chǎng)分布圖

圖6 改造后兌鐵水過程氣流速度標(biāo)量場(chǎng)分布圖

圖7 改造后兌鐵水過程氣流速度矢量場(chǎng)分布圖

圖8 改造后兌鐵水過程溫度場(chǎng)分布圖

4 結(jié)論

模擬研究了轉(zhuǎn)爐煙罩改造前后二次除塵系統(tǒng)在兌鐵水過程中煙氣流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)；結(jié)果表明：1)改造后兌鐵水時(shí)由于二次除塵引風(fēng)口呈擴(kuò)張型，使得轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)大部分區(qū)域特別是轉(zhuǎn)爐上部、引風(fēng)口區(qū)域較大范圍內(nèi)形成了負(fù)壓，使煙氣流動(dòng)阻力減小，提高了二次除塵系統(tǒng)引風(fēng)能力，有利于煙氣抽吸。2)改造后，轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)主流區(qū)由轉(zhuǎn)爐口擴(kuò)展到二次除塵引風(fēng)口，說明二次除塵系統(tǒng)處于良好運(yùn)行狀態(tài)。