150T转炉(干法除尘)汽化冷却烟道烟气流场的数值模拟

150T转炉（干法除尘）汽化冷却烟道烟气流场的数值模拟

摘要:对转炉汽化冷却烟道进行建模,然后进行了数值模拟,得到了烟道内的速度场和温度场分布,为深入了解研究汽化冷却烟道内的烟气流动与传热提供了方便。

关键词:汽化冷却烟道烟气流场数值模拟

汽化冷却烟道是转炉炼钢尾气处理的重要设备,它起着收集,输送与冷却烟气,导流等多方面的作用。目前,转炉烟道的使用寿命很不理想,上段烟道的使用寿命一般为6年,下段烟道约为2～3年。在使用寿命期内,事故率高,经常需要检修,不仅检修工作量大,而且在安全生产上也是一大隐患[1]。研究发现,热负荷过大的过热损坏,热疲劳,烟气冲刷腐蚀等问题是目前转炉汽化冷却烟道使用中所存在的主要问题,同时,蒸发冷却器内经常结垢,这与烟道的降温导流有一定关系。

汽化冷却烟道实质是余热锅炉,烟道有水冷管排列而成,烟气自转炉出来,以10m/s的速度直接进入烟道,水冷管内水吸热蒸发带走一部分热量,产生的蒸汽进入汽包可供生产生活使用,同时烟气温度降低到确保蒸发冷却器不被高温烟气损坏,到烟道尾端时大约可把烟气由1500℃左右降到800℃～1000℃,然后烟气进入蒸发冷却器进行初次除尘[2]。本文结合国内某钢厂150T转炉汽化冷却烟道结构特点,在进行了一定的简化和假设的基础上,建立了汽化冷却烟道的物理模型,应用CFD的方法对烟道内的烟气流场进行数值模拟分析。

1 物理模型的建立及方法

模拟对象按照烟气的流动方向取汽化冷却烟道的炉口固定端,可移动端,中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ段,以及末段烟道,整个流场在X方向跨度为18.5m,Y方向跨度为11.5m,Z方向跨度为35.5m,烟道直径入口处3.7m,中段及以后为恒定的3.05m,示意图如图1所示。

转炉炼钢分为前中后三期。前期为吹氧期,随着铁水的燃烧,温度逐渐升高,烟气流量逐步增大,吹炼中期烟气量烟气温度流速达到最大。我们取烟气量最大的冶炼中期为研究对象,模拟是三维稳态定常运动。在划分网格时采用分段划分,规则段采用六面体网格,不规则段采用四面体不规则网格,共划分为网格288867个网格单元。由于其运动过程压力变化较小,在选择求解器时选择非耦合求解,在湍流模型的选择上,选用标准的模型。方程的离散采用一阶迎风格式,压力场和速度场的耦合采用SIMPLE算法。在多相流模型的选择上,我们选择可用于模拟有强烈耦合的各相同性多相流和各相以相同速度运动的多相流的混和模型[3]。

2 模拟结果及分析

图2为Z方向上速度场分布图。由此我们可以看到烟气在烟道拐角处速度变化显著,内侧速度增大,致使烟道内侧冲刷严重易坏,外侧速度减小,直管段处变化不大,烟道末端经过经过两个小拐角和一个180°的大拐角后烟气紊流严重,速度大小分布不均。因此在喷嘴的布置上可以适当的调配,即在速度大的区域多布置喷头,速度小的区域反之。也可在喷水量的大小上作适当的调控,速度大的区域增大喷雾量,小的区域减小喷雾量。这样能够迅速控制蒸发冷却器内的温度,充分利用蒸发冷却器的长度,防止由于未蒸发的水滴吸附灰尘附着在壁面上形成结垢现象,影响炼钢生产。

图3为Z方向上温度场分布图。由此我们可以看到烟气进入到汽化冷却烟道时温度为1700k左右,在汽化冷却烟道内与水冷壁管发生热交换,温度逐渐降低,靠近壁面处由于对流换热和辐射换热双重作用温度下降比管道中心处快,同时在拐角处由于速度的影响,温度场也发生较大变化,靠近拐角处温度下降的快。在烟道出口处温度总体降到1200k左右,但是沿管径的截面上温度场分布不均,内侧温度低外侧较高。出口处的温度场分布基本上和速度场温和,速度大对应高温度速度小对应低温度,入口处和末端拐角内侧区域局部过热可导致烟道过热损坏,这与实际情况相符。

3 结语

通过对150T转炉汽化冷却烟道内烟气流场的数值模拟,得到汽化冷却烟道内烟气流动的温度场和速度场,发现烟道内部流场分布不均,局部速度过大,出口处烟气流速紊乱不均,这对后面蒸发冷却器内的喷雾除尘影响较大。本模拟为喷雾喷嘴的布置提供了一定的依据,为进一步研究烟道尺寸的大小,走向等参数对冷却效果的影响规律提供依据。

汽化冷却烟道内烟气流动与传热复杂,随着计算机技术的发展和CFD理论的成熟,将来对汽化冷却烟道进行更深层次和更全面的研究,对汽化冷却烟道的设计使用具有重要的意义。

参考文献

[1] 林庚,倪文,韩剑宏,等.炼钢转炉高温烟气粉尘处理研究[J].中国矿业,2007,16(5):95～100.

[2] 王艳英.钢铁厂的汽化冷却及汽化冷却设计[J].应用科学,2008(2):119～121.

[3] 江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[J].清华大学出版社,2008:184～196.