基于Fluent的燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)設備-煙氣分配器數(shù)值模擬

任 偉，高 璟，徐文青，朱廷鈺

(1.中北大學 超重力化工過程山西省重點實驗室，山西 太原 030051；2.中國科學院過程工程研究所 濕法冶金與清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100190)

0 引 言

鋼鐵行業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國實現(xiàn)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的推進和發(fā)展做出了巨大的貢獻.但同時鋼鐵行業(yè)又是高能耗、重污染的行業(yè)，隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，以及人類對環(huán)保意識的增強，能耗與污染問題已經(jīng)成為制約我國鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素.燒結(jié)作為鋼鐵行業(yè)污染排放的集中地，也是鋼鐵行業(yè)中的一個高能耗、重污染環(huán)節(jié)[1-2].隨著《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》等相關(guān)法律法規(guī)的頒布和實施，我國對污染物的排放要求更加嚴格[3].

近年來，通過國內(nèi)外研究及工業(yè)實踐表明，以燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)的形式有選擇性地將部分燒結(jié)煙氣返回至燒結(jié)機臺車上方再次參與燒結(jié)，具有良好的節(jié)能減排作用[4].目前比較典型的煙氣循環(huán)工藝有日本新日鐵開發(fā)的區(qū)域性廢氣循環(huán)工藝、荷蘭艾默伊登開發(fā)的EOS工藝、德國西門子奧鋼聯(lián)與奧地利林茨公司聯(lián)合開發(fā)的EPOSINT工藝、德國HKM開發(fā)的LEEP工藝以及我國寶鋼自主開發(fā)的BSFGR工藝[5-9].從工業(yè)應用情況來看，煙氣分配器各支管流量分配不均會導致密封罩內(nèi)負壓不平衡，引發(fā)煙氣密封罩煙氣外溢，造成重大安全事故.

國內(nèi)外學者通過數(shù)值模擬的方法對換熱器的管路流量分配進行了研究.Choi等[10]研究了主管形狀、主管與支管的面積比、分流主管與匯集主管的直徑比以及進口雷諾數(shù)等影響因素對管路流體分布以及管內(nèi)流體阻力的影響，結(jié)果表明：以上影響因素的改變會對流體分布與流體阻力造成一定的影響，并且進一步確定了各影響因素的最佳值；當主管與支管面積比為4時，匯集管流量分配最均勻.Tong等[11]研究了主管形狀、主管面積、主管進口形狀以及支管管徑等結(jié)構(gòu)因素對流體分布的影響，研究發(fā)現(xiàn)通過增加主管直徑、改變支管直徑以及沿流體流動方向依次減小主管直徑等改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法對配管流體分布有明顯的改善，而且在各支管中添加障礙物的方法也可以改善配管內(nèi)的流體分配.Solovitz等[12]以階梯狀結(jié)構(gòu)的方式優(yōu)化主管形狀，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)顯著改善了配管內(nèi)的流體分配，流體分布更加均勻.Huang等[13]研究了進氣口長度以及主管管徑對支管流量分配的影響，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理，結(jié)果表明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)中各支管內(nèi)流體分布逐漸趨于均勻，且沿流體流動方向，第1根支管內(nèi)有渦流現(xiàn)象出現(xiàn).段飛等[14]在分支管入口處加裝隔板，結(jié)果表明加裝隔板對支管流量分配有明顯的改善，支管直徑65 m、集管直徑143 mm時隔板分流并聯(lián)管組的各支管流量是無隔板分流的1/3，且支管間距對流量分配并無太大影響.

研究發(fā)現(xiàn)通過改變管徑大小、形狀以及添加隔板等都可以改善管路流量分配，但添加隔板會增加管路阻力，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行.本文以某鋼鐵廠360 m2燒結(jié)機煙氣循環(huán)系統(tǒng)設備-煙氣分配器為研究對象，借助Fluent模擬軟件對不同結(jié)構(gòu)的煙氣分配器進行模擬計算，從速度場、壓力場等微觀視角分析煙氣分配器各支管流量分配的影響規(guī)律，從而獲取最優(yōu)的煙氣分配器結(jié)構(gòu)，為實際煙氣分配器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論指導.

1 數(shù)學物理模型

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1為煙氣分配器物理模型，模型包括1根主管及4根支管，燒結(jié)煙氣由進氣口進入經(jīng)支管分流后進入煙氣密封罩內(nèi)重新參與燒結(jié).該模型長34060mm，寬3600mm，高9150mm，其中各支管在長度方向的位置依次為2500mm，12560mm，22860mm，32860mm.網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行劃分，網(wǎng)格總數(shù)為 300萬，圖1中左上角部分為主、支管連接處與主管變徑的網(wǎng)格劃分.

圖1 煙氣分配器物理模型Fig.1 Physical model of flue gas distributor

圖2為3種不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)的物理模型主視圖.

圖2 不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)主視圖Fig.2 Front view of the flue gas distributor with different structures

通過調(diào)整主管管徑，設計了3種煙氣分配器結(jié)構(gòu)，分別為零級變徑結(jié)構(gòu)、一級變徑結(jié)構(gòu)、多級變徑結(jié)構(gòu).3種不同結(jié)構(gòu)煙氣分配器的具體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見表 1.

表1 3種不同煙氣分配器的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Tab.1 Structural characteristics of three different flue gas distributors

1.2 數(shù)學模型

設煙氣分配器內(nèi)煙氣為不可壓縮氣體.煙氣流動屬于湍流流動，湍流模型采用標準的k-ε模型，其模型方程如下所示.

連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；ui為流動方向的速度，m/s；xi為流動方向的位移，m；Sm為源相.

動量方程為

(2)

1.3 物性參數(shù)與邊界條件

進氣口邊界條件采用速度進口，v=10 m/s，煙氣總量為34.6×104m3/h；出口邊界條件采用壓力出口，P=-20 Pa；氣流介質(zhì)選擇多組分煙氣，如表2所示；壁面采用無滑移壁面邊界條件.

表2 煙氣組成Tab.2 Flue gas composition

1.4 評價方法

引入流量比標準偏差STD定量判斷流量分配的均勻性程度，

(3)

(4)

式中：βk,i為第i根支管的流比系數(shù)；wk,i為第i根支管的質(zhì)量流量，kg/s；N為支管數(shù)量.流量比標準偏差STD越接近0，表明分配越均勻.

2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

2.1 速度場分布

圖 3～圖5分別為不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)主管中心的橫截面速度分布云圖、主管中心線速度分布曲線圖以及各支管內(nèi)速度分布云圖.從圖中可以看出，沿煙氣流動方向，由于支管的分流作用，主管流速在逐漸減小.零級變徑結(jié)構(gòu)中，各支管入口處流速由9.1 m/s逐漸降至3.6 m/s；一級變徑結(jié)構(gòu)中，由于主管在支管2與支管3之間變徑，流速在變徑處突然增大，變徑后支管3入口處的流速由7.3 m/s 增大到8.9 m/s，但整體依舊呈現(xiàn)減小趨勢；多級變徑結(jié)構(gòu)中，各支管入口處流速分別為8.9 m/s，8.9 m/s，9.1 m/s，9.0 m/s，基本趨于一致.由此可知，改變主管直徑會改善主管的流速分布，從而使各支管入口處流速保持平衡.

圖3 主管中心橫截面速度分布云圖Fig.3 Cloud diagram of velocity distribution in the cross section of the main center

圖4 主管中心線速度分布曲線圖Fig.4 Central line velocity distribution curve of main pipe

圖5 各支管速度分布云圖Fig.5 Cloud diagram of pressure distribution of each branch

2.2 壓力場分布

圖 6～圖8分別為不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)主管中心橫截面壓力分布云圖、主管中心線壓力分布曲線圖以及各支管內(nèi)壓力分布云圖.

圖6 主管中心橫截面壓力分布云圖Fig.6 Cloud diagram of pressure distribution in the cross section of the main pipe center

圖7 主管中心線壓力分布曲線圖Fig.7 Center line pressure distribution curve of main pipe

圖8 各支管壓力分布云圖Fig.8 Pressure distribution cloud diagram of each branch

從圖中可以看出：沿煙氣流動方向，在零級變徑結(jié)構(gòu)中主管壓力逐漸增大，各支管入口壓力由73 Pa逐漸升高到114 Pa，符合伯努利方程中速度與壓力的關(guān)系；一級變徑結(jié)構(gòu)中，由于發(fā)生變徑，壓力在變徑處突然減小，變徑后支管3入口處的壓力由94 Pa減小到83 Pa，但整體依舊呈現(xiàn)增大趨勢；多級變徑結(jié)構(gòu)中，各支管入口處壓力分別為91 Pa，89 Pa，90 Pa，92 Pa，基本達到相同，由此可知，變徑會改善主管的壓力分布.在各支管中壓差與流量的平方成正比關(guān)系，由于各支管出口壓力相同，變徑結(jié)構(gòu)平衡了各支管的壓差大小，使各支管的壓差基本相同，從而改善了各支管的流量分配.

2.3 支管流量

圖9為不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)的各支管流量分配圖.由圖可以看出，分配器的結(jié)構(gòu)對支管流量分配有影響.沿煙氣流動方向，零級變徑結(jié)構(gòu)中支管流量依次增加，支管1流量最小，為 7.4×104m3/h，支管4流量最大，為9.6×104m3/h；變徑結(jié)構(gòu)會改善支管的流量分配，相比而言，多級變徑結(jié)構(gòu)中各支管流量分配得到明顯的改善，各支管流量基本相差不大，分配最均勻，其中最小流量為8.6×104m3/h，最大流量為8.9×104m3/h.

圖9 不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)各支管流量Fig.9 Flow of each branch pipe of different flue gas distributor structures

2.4 管路壓降

表3為不同結(jié)構(gòu)的煙氣分配器進出口壓降.由表可知，變徑結(jié)構(gòu)中管路的壓降會增大，變徑越多，壓降越大.無變徑結(jié)構(gòu)中進出口壓降為80 Pa，一級變徑結(jié)構(gòu)中進出口壓降為85 Pa，多級變徑結(jié)構(gòu)的進出口壓降為100 Pa.由于變徑結(jié)構(gòu)增加了氣體流動過程中的阻力，變徑越多，阻力越大，壓降越大.

表3 不同煙氣分配器結(jié)構(gòu)管路進出口壓降Tab.3 Import and export pressure drop of different flue gas distributor structures

2.5 評價方法

表4為3種不同結(jié)構(gòu)的流量比標準偏差STD.從表中可以看出，相比于無變徑結(jié)構(gòu)和一級變徑結(jié)構(gòu)，多級變徑結(jié)構(gòu)流量比標準偏差STD為0.001,更接近0，表明各支管流量分配更好.

表4 不同結(jié)構(gòu)的流量比標準偏差STDTab.4 STD of flow ratio of different flue gas distributor structures

3 結(jié) 論

本文利用數(shù)值模擬的方法對燒結(jié)煙氣循環(huán)關(guān)鍵設備-煙氣分配器內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，同時結(jié)合流量評價指標進行分析，得出以下結(jié)論：

1) 由于分支管的分流作用，沿煙氣流動方向，流速逐漸減小，壓力逐漸增大，各分支管流量分配不均勻，呈依次增大趨勢.

2) 變徑結(jié)構(gòu)可以改善管路內(nèi)流速與壓力分布，從而使各支管的流量達到均配；多級變徑結(jié)構(gòu)的流量比標準偏差STD最小，各支管流量分配最均勻.

3) 變徑結(jié)構(gòu)會增加管路的進出口壓降，從而增加系統(tǒng)阻力，變徑越多，壓降越大，阻力越大.相比于零級與一級變徑結(jié)構(gòu)，多級變徑結(jié)構(gòu)管路壓降增加了20%～25%.對于大型設備在合理范圍內(nèi)，可選用多級變徑結(jié)構(gòu)的煙氣分配器.