轉爐煙道氧槍口蒸汽密封研究

供稿|李智慧，曲宗杰，張超杰，張立強 /

內容導讀

在轉爐煉鋼過程中，轉爐高溫煙氣容易從氧槍管道逸出，造成環(huán)境污染和能源浪費。本文對轉爐煙道氧槍口蒸汽密封進行了研究，分別針對轉爐煙道氧槍口無密封和轉爐煙道氧槍口蒸汽密封不同條件下的轉爐煙道氣體流動、氣體溫度、氣體濃度分布等開展了數值模擬計算。結果表明：轉爐煙道氧槍口在蒸汽密封條件下，含有CO 的轉爐煤氣不會通過氧槍管道逸出，并且轉爐煙道內氣體溫度均大于100 °C，不會發(fā)生蒸汽冷凝事故。

在轉爐煉鋼中，對煙氣的處理是環(huán)保水平的主要標志之一，煤氣和蒸汽的回收再利用也是其耗能指標的重要因素[1-3]。轉爐煙氣溫度一般為1400～1600 °C，平均噸鋼煙氣量為60～80 m3/t，煙氣是含有大量CO 和少量CO2及微量其他成分的氣體，其中還夾帶著大量氧化鐵、金屬鐵粒等，該高溫含塵氣流沖出爐口進入煙罩和凈化系統(tǒng)[4-7]。由于轉爐煙道上接有氧槍管道，因此轉爐煙氣容易從轉爐煙道氧槍口逸出，造成環(huán)境污染和能源浪費，甚至煤氣大量逸出嚴重影響安全生產。

為防止轉爐煤氣逸出現象發(fā)生，在轉爐煙道氧槍口或者下料口使用蒸汽密封可以控制轉爐煙氣逸出，并且轉爐煉鋼時產生的高溫煙氣經余熱鍋爐進行能量交換，產生大量的飽和蒸汽，將多余的轉爐蒸汽進行充分利用有利于節(jié)能減排和負能煉鋼[8-11]。本文采用數值模擬的方法針對轉爐煙道氧槍口采用和不采用蒸汽密封的氣體流場和濃度場分布進行了計算，研究發(fā)現轉爐煙道氧槍口使用蒸汽密封能有效避免轉爐煤氣從氧槍管道逸出。

轉爐煙道氧槍口氣體流動數值模擬

為研究某特鋼廠轉爐吹煉過程煙氣管道氧槍口附近的氣體流動特征，建立了轉爐煙道氧槍口氣體流動的數學模型，并開展了數值模擬計算。

轉爐煙道氧槍口氣體流動數值模擬

基本假設

為建立轉爐煙道氧槍口氣體流動、能量傳輸和組分傳輸的數學模型，進行以下基本假設：

(1) 轉爐煙氣管道底部煙氣流速和溫度分布均勻；

(2) 忽略煙氣中的固體顆粒。

控制方程

基于連續(xù)介質模型建立某廠轉爐煙道氧槍口氣體流動的數學模型，耦合動量守恒方程、能量守恒方程和組分傳輸方程。因此主要控制方程為質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，如式(1)～(3)所示。

(1) 質量守恒方程

式中，p為靜壓力，Pa；μ為黏度系數，Pa·s；g為重力加速度，m/s2。

(3) 能量守恒方程

式 中，cp為 比 熱 容，J/(kg·°C)；k為 熱 導 率，W/(m·°C)；T為溫度，°C。

物性參數

模型中氣體的主要物性參數為密度、導熱系數、比熱容和黏度，取值如表1 和圖1 所示。

表1 氣體主要物性參數

幾何模型與網格劃分

(1) 幾何模型

使用Creo 幾何建模軟件建立轉爐煙道氧槍口氣體流動三維幾何模型，考慮到模型的對稱性，為節(jié)約計算資源和時間，建立1/2 模型并進行網格劃分，如圖2 所示。

(2) 網格劃分

使用ANSYS 平臺的mesh 模塊對幾何模型進行網格劃分，四面體單元數量共21503 個，如圖3 所示。

邊界條件

根據某廠現場工藝參數計算得到轉爐煙道氧槍口數值模擬的主要邊界條件，如表2 所示，轉爐主煙道入口處的氣體主要成分的質量分數分別為CO：75%，CO2：15%和N2：10%。

表2 轉爐煙道氧槍口氣體邊界條件

轉爐煙道氧槍口氣體流動基本特征

使用ANSYS Fluent 軟件進行轉爐煙道氧槍口氣體流動的數值模擬計算，直至殘差收斂，得到轉爐煙道氧槍口氣體流速、溫度和各類氣體質量分數分布等基本特征。

轉爐煙道氣體流速分布云圖和矢量流線圖如圖4 和圖5 所示，可以看出，轉爐煙道氣體流速分布比較均勻，部分氣體流入氧槍管道，在氧槍管道入口處形成一些流速較小的旋渦，同時有一小部分空氣從氧槍管道流入煙氣主管道。

轉爐煙道氣體溫度分布如圖6 所示，可以看出轉爐煙道氣體溫度主要分布在1500～1550 °C 之間，且降溫較小。在轉爐氧槍管道內，部分區(qū)域氣體溫度在1000 °C 以下，這是由于該處氣體存在流速較低的旋渦，與主流氣體熱交換少，同時有冷空氣通過氧槍管道流入煙氣主管道所致。

轉爐煙道和氧槍管道內CO 氣體和空氣的質量分數如圖7 和圖8 所示，可以看出，CO 和空氣質量分數分布較均勻為75%，與轉爐煙氣主管道入口處的成分接近；還可以看出，進入氧槍管道的CO 濃度也較高，說明有一定量的CO 通過轉爐氧槍管道逸出，沒有經過煙氣處理和回收利用，不僅污染環(huán)境，還造成能源的浪費。

轉爐煙道氧槍口蒸汽密封研究

為解決轉爐煙道CO 等高溫煤氣從氧槍口逸出，采用蒸汽密封的方式對轉爐煙道氧槍口進行了優(yōu)化改造，在轉爐煙道氧槍口布置蒸汽密封管路，如圖9 所示。為研究轉爐煙道氧槍口蒸汽密封效果，采用數值模擬的方法對設計的方案進行了計算。

使用ANSYS 平臺的mesh 模塊對轉爐煙道氧槍口蒸汽密封幾何模型進行網格劃分，蒸汽出口區(qū)域使用尺寸為0.1 mm 的小尺寸網格劃分，四面體單元數量共276808 個，如圖10 所示。物性參數和邊界條件同上節(jié)所述，蒸汽入口的壓力為0.8 MPa，蒸汽溫度為110 °C。使用ANSYS Fluent 軟件進行轉爐煙道氧槍口蒸汽密封氣體流動的數值模擬，計算得到轉爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下的氣體流速、溫度分布和各類氣體質量分數分布等基本特征。

轉爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下煙氣管道內氣體流速分布云圖和矢量流線圖如圖11 和圖12 所示，可以看出，煙道內氣體流速主要在20～50 m/s之間，局部和蒸汽出口處氣體流速較大，甚至大于100 m/s。與圖4 所示的沒有蒸汽密封的煙氣管道內氣體流速分布對比可以發(fā)現，轉爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下氣體流速遠大于沒有蒸汽密封的氣體流速。從圖12 可以看出，在氧槍口蒸汽密封作用下，氣體從氧槍管道逆向流入煙氣主管道，沒有發(fā)生如圖5 所示的煙氣管道氣體流入氧槍管道的現象。

轉爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下煙道氣體溫度分布如圖13 所示，可以看出，轉爐煙道氣體主體溫度主要分布在300～1550 °C 之間，其中氧槍管道內煙氣溫度較低，為300～400 °C，這是由于蒸汽密封管道射出的蒸汽溫度遠小于1550 °C 的轉爐煙氣溫度所致，該低溫蒸汽通過轉爐煙道氧槍口流入轉爐煙道主管道。從圖13 中還可以看出，煙氣管道內全部氣體溫度均大于100 °C，因此蒸汽不會在煙道內冷凝。

轉爐煙道氧槍口蒸汽密封條件下煙道內氣體成分如蒸汽、空氣和CO 質量分數分布如圖14～16 所示，從圖14 可以看出，轉爐主煙道內蒸汽質量分數小于10%，僅在氧槍口蒸汽密封口通往轉爐主煙道附近區(qū)域蒸汽質量分數較高，為20%～50%。蒸汽密封條件下轉爐煙道內空氣質量分數如圖15 所示，可以看出，氧槍口蒸汽密封口通往轉爐主煙道附近區(qū)域空氣質量分數為50%～100%，說明有部分空氣從氧槍口逆向流入轉爐主煙道，結合圖16 所示的轉爐煙道氧槍口蒸汽密封CO 質量分數分布云圖可以看出，空氣質量分數高的區(qū)域CO 質量分數低，與圖7 所示的沒有氧槍口蒸汽密封條件下的CO 質量分數分布對比可知，轉爐煙道氧槍口蒸汽密封能有效避免轉爐煙氣從氧槍管道逸出，減少含有CO 的轉爐煤氣通過氧槍管道逸出。

結束語

本文針對轉爐煤氣通過氧槍管道逸出的問題，采用數值模擬的方法分別針對轉爐煙道氧槍口無密封和轉爐煙道氧槍口蒸汽密封不同條件下的轉爐煙道氣體流動、溫度和組分傳輸進行了數值模擬研究，得到如下結論：

(1) 在轉爐煙道氧槍口無密封條件下，轉爐煤氣會通過煙氣主管道的氧槍管道逸出，造成煤氣泄漏和能源浪費；

(2) 在轉爐煙道氧槍口在蒸汽密封條件下，氧槍管道內CO 質量分數為零，即轉爐煙道氧槍口蒸汽密封能有效避免轉爐煤氣從氧槍管道逸出；

(3) 在轉爐煙道氧槍口在蒸汽密封條件下，轉爐煙氣管道內全部區(qū)域氣體溫度均大于100 °C，蒸汽不會在煙道內冷凝。