降温除尘洗涤塔流动与传热性能的数值模拟及结构优化

位置（ x，y，z） （ 单位为 m） 分别为（ 0，3． 685，0） ，（ 0， 3． 1 仿真计算方案
3． 101，0） ，（ － 0． 725，3． 101，0） ，（ － 0． 224，3． 101，
洗涤塔数值仿真算例基本参数如表 1 所示。
算例序号 烟气量 Q / m3 / h
1
38000
五层喷水层全开的洗涤塔进出口压力损失 约为 131Pa，与其相比，只开上三层喷水层的洗涤 塔进出口压力损失为 126Pa，两者相差不大。
从洗涤 塔 顶 部 往 下，气 体 温 度 逐 渐 均 匀 下 降，五层喷水层全开的洗涤塔由入口的 1000℃ 降 低至出口气体温度约 47． 38℃ ； 而只开上三层喷 水层的洗涤塔由入口的 1000℃ 降低至出口气体 温度约 446． 75℃ ，不满足降温要求。
文献标识码 A
Numerical Simulation and Structural Optimization of Fluidity and Heat Transfer of Cooling and Dedushing Washing Tower
Wang Qing Xu Yanmei Zhou Jingwei
本文通过运用流体力学、传热学和热力学原 理，在 Fluent 平台上对转炉湿法除尘系统中的核
① 作者简介： 王青，1966 出生，女，毕业于北京化工大学化工机械专业，学士，高级工程师
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王青等： 降温除尘洗涤塔流动与传热性能的数值模拟及结构优化
2012 年 2 月第 1 期
图 1 新型转炉煤气湿法除尘系统工艺流程图
摘要 通过运用流体力学、传热学和热力学原理，在 Fluent 平台上对降温洗涤塔内部的流动与传热进行
仿真，分析内部速度场、温度场、压力场、组分和液滴分布等随操作参数、设备结构等的变化规律，进而对洗涤
塔内部结构和操作参数进行优化。
关键词 转炉湿法除尘 洗涤塔 结构优化 仿真
中图分类号 TF724． 9
烟尘粒子由于重力作用在洗涤塔底部速度 达到最大 值，水 粒 子 在 喷 嘴 或 喷 枪 附 近 速 度 较 大。第二层喷水装置采用喷枪和喷嘴的洗涤塔 压降两者相差不大。 3． 2． 3 不同层数喷水装置（ 5 层和 3 层） 对洗涤 塔的工作状态的影响分析
洗涤塔常用烟气量（ 38000m3 / h） ，洗涤塔五 层喷水层全开和关闭下两层喷水层（ 算例 1 和算 例 4） ，分析比较其内部速度场、温度场、压力场、 组分和液滴分布，可知：
王青等： 降温除尘洗涤塔流动与传热性能的数值模拟及结构优化
2012 年 2 月第 1 期
同时，通过对烟气中的 H2 O、CO2 、CO、N2 、O2 体积分数进行仿真模拟分析得知，由于喷淋液滴 遇到高温 烟 气 发 生 相 变，液 态 水 相 变 成 水 蒸 气， 水蒸气分数从上至下逐渐增大。由于水蒸气占 据一定的 体 积 分 数，洗 涤 塔 内 部 从 入 口 到 出 口 CO2 、CO、N2 、O2 的体积分数呈从上至下减小的趋 势。 3． 2． 2 不同喷水装置（ 喷嘴和喷枪） 对洗涤塔的 工作状态的影响分析
续相考虑，液 相 作 为 离 散 相 考 虑，考 虑 离 散 项 和
连续相在 质 量、动 量 以 及 能 量 方 面 的 互 相 作 用，
建立离散项和连续相互相耦合的流动与传热数
学模型，在 Fluent 平 台 上 进 行 数 值 模 拟 求 解，获
得洗 涤 塔 内 部 的 流 动 和 传 热 情 况 ，研 究 不 同 工 况
下洗涤塔 的 温 度 场、压 力 场、速 度 场 等 的 变 化 情
况及降温 和 除 尘 效 果； 研 究 洗 涤 塔 喷 嘴 结 构、洗
图 2 洗涤塔的物理模型
涤塔喷 嘴 布 置 方 式 等 对 洗 涤 塔 的 温 度 场、压 力
2 数学物理模型
场、速源自文库场 及 降 温 和 除 尘 效 果 的 影 响； 同 时 研 究
对洗涤塔的结构和操作参数进行优化的目的。 2． 2 数学模型
烟 气 中 包 含 有 烟 尘 颗 粒 ，将 烟 尘 颗 粒 作 为 离
散相 考 虑 。 气 液 两 相 流 动 伴 随 着 复 杂 的 传 热 、传
质、相变及 组 分 扩 散 等 过 程，由 于 喷 射 液 滴 的 体
积分 数 远 小 于 气 相 的 体 积 分 数 ，故 将 气 相 作 为 连
因、确定正确的改造和发展方向具有重要的现实 意义［2］。
针对国内转炉湿法除尘系统存在的缺陷，吸 收国内外先进技术经验，中冶设备院研制出一种 新型转炉煤气湿法除尘系统（ 图 1） ，且该工艺技 术已申请专利。其核心设备主要包括洗涤塔、环 缝文氏管，洗 涤 塔 的 主 要 任 务 是 降 温 和 粗 除 尘， 环缝文氏管的主要任务是精除尘。
的轨迹图。可以直观的观测到烟尘粒子和水粒
子的运动状态和运行轨迹。由图可知烟尘粒子
由于重力作用在洗涤塔底部速度达到最大值，水
粒子在喷嘴或喷枪附近速度较大。采用最大烟
气量的洗涤塔烟尘粒子速度较大，水粒子的速度
相差不大。
根据现场实测的数据，在正常工作时洗涤塔 的压力损失为 100Pa ～ 200Pa，洗涤塔出口的气流 温度为 45℃ － 75℃ ，仿真计算结果与实际情况基 — 32 —
2． 1 物理模型
洗涤塔 壁 面 散 热 对 洗 涤 塔 的 降 温 效 果 的 影 响。
洗涤塔的物理模型参见图 2，它有五层喷嘴或 通过上述研究，对设计的洗涤塔结构进行优化。
喷枪，用于降温和除尘。从上往下分别是： 第一层 3 结果与讨论
为一个单向喷嘴，第二层为六个单向喷枪或喷嘴，
根据上述 数 学 物 理 模 型，对 洗 涤 塔 的 流 动 与
心设备—洗涤塔内部的流动与传热进行仿真，分 ± 0． 689） ，（ 0． 586，3． 101，± 0． 426） ，（ 0，± 0． 135，
析内部速度场、温度场、压力场、组分和液滴分布 0） ，（ 0，－ 1． 865，0） ，（ 0，－ 2． 135，0） ，（ 0，－ 3． 865，
等随操作参数、设备结构等的变化规律，从而实现 0） ，（ 0，－ 4． 135，0） 。
洗
2
涤
3
塔
4
45000 38000 38000
5
38000
表 1 洗涤塔数值仿真算例基本参数
质量流量 / kg / s 喷水装置层数 第二层喷水装置类型 是否考虑壁面热传导
1． 056
5
喷枪
否
1． 25
5
喷枪
否
1． 056
5
喷嘴
否
1． 056
上3
喷枪
否
1． 056
5
喷枪
是
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总 第 193 期
（ Beijing Metallurgical Equipment Research and Design Co． ，Ltd． of MCC Group，Beijing 100029）
ABSTRACT Based on the fluid dynamics，heat transfer and thermodynamics theory，the simulation is carried with Fluent platform of fluidity and heat transfer of cooling washing tower，and the variation regularity of velocity，temperature，pressure fields，components and the droplet distribution are analyzed，whith is acompanied with the variety operation parameters and equipment strueture． Then，the inner structure of cooling washing tower and the operation parameters can be optimized．
冶金设备
2012 年 2 月第 1 期
3． 2 模拟结果及分析 3． 2． 1 不同工况下洗涤塔工作状态分析
洗涤塔第二层喷水装置采用喷枪，比较常用 烟气量（ 38000m3 / h） 和最大烟气量（ 45000m3 / h） 对流动的影响。
从图 3 和图 4 可以看出洗涤塔内部的压力和 温度分布情况。常用烟气量的洗涤塔进出口压 力损失约为 131Pa，最大烟气量洗涤塔内部压力 损失略有增大，约为 144Pa，两者均在喷嘴（ 喷枪） 和洗涤塔出口处的压力损失较大。同时，从洗涤 塔顶部往 下，气 体 温 度 逐 渐 均 匀 下 降，常 用 烟 气 量的洗涤塔由入口的 1000℃ 降低至 100℃ 以下， 出口气体温度约 47． 38℃ ； 最大烟气量的洗涤塔 由入口的 1000℃ 降低至 128． 649℃ 以下，出口气 体温度约 77． 23℃ ，两者均满足洗涤塔降温要求。
本吻合，仿真计算结果可以用于指导实际生产。 图 5 显示的是 y = 0 截面速度矢量图，从图中
可以看出，常用烟气量和最大烟气量的洗涤塔均 在下三层喷嘴周围形成了大的漩涡，气体扰动较 显著，洗涤塔出口处速度最大。
a） 算例 1
b） 算例 2
图 5 y = 0 截面速度矢量对比图
图 6 和图 7 分别显示的是烟尘粒子和水粒子
五层喷水层全开的洗涤塔在下三层喷嘴周 围形成了大的漩涡，气体扰动较显著，温降明显； 而只开上三层喷水层的洗涤塔在第三层喷嘴周 围形成了 大 的 漩 涡，气 体 扰 动 较 显 著，从 洗 涤 塔 顶部至此温降明显； 但由于关闭了第四五层喷 嘴，由第三层喷嘴往下，气体扰动非常小，温降非 常小。
同时，烟尘粒子由于重力作用在洗涤塔底部 速度达到最大值，水粒子在喷嘴或喷枪附近速度 较大。而采取三层喷嘴时洗涤塔下部的烟尘粒 子浓度较 大，由 于 喷 水 总 量 减 少，粗 除 尘 效 果 恶 化。 3． 2． 4 洗涤塔的表面散热对洗涤塔的工作状态 的影响分析
下三层 均 为 一 个 双 向 喷 嘴。洗 涤 塔 入 口 温 度 为 传热情况进行了数值模拟仿真，获得不同工况条
1173K（ 900℃ ） ，CO、CO2 、N2 、O2 的摩尔分数分别 件下洗涤塔内部较为详细的传热传质情况，并对 为 90% 、6% 、3． 5% 、0． 5% 。13 个喷嘴或喷枪安装 仿真结果进行了机理分析。
Total No． 193 February 2012
·技术分析·
冶金设备 METALLURGICAL EQUIPMENT
总第 193 期 2012 年 2 月第 1 期
降温除尘洗涤塔流动与传热性能的 数值模拟及结构优化
王 青① 许艳梅 周景伟
（ 北京中冶设备研究设计总院有限公司冶炼工程事业部 北京 100029）
KEYWORDS Converter wet dedusting Washing tower Structural optimization Simulation
1 引言 随着氧气转炉炼钢生产的发展，炼钢工艺的
日趋完善，相应的转炉一次除尘系统技术也在不 断地发展完善。目前在用的转炉除尘方法有 OG 湿法，LT 干法两大类。目前中国绝大多数的转炉 煤气采用传统落后的湿法除尘工艺和技术，耗水 量电量大，已 经 不 能 适 应 国 家 当 前 节 能 减 排、提 高竞争力的形势要求，是钢铁工业节能减排的薄 弱环节［1］。因 此，从 中 国 转 炉 除 尘 的 实 际 出 发， 研究现有 工 艺 和 设 备、弄 清 楚 存 在 的 问 题 和 原
洗涤塔常用烟气量（ 38000m3 / h） ，第二层喷 水装置分别采用喷枪和喷嘴（ 算例 1 和算例 3） ， 分析比较其内部速度场、温度场、压力场、组分和 液滴分布，可知：
第二层喷水装置采用喷枪的洗涤塔进出口 压力损失约为 131Pa，与其相比，采用喷嘴的洗涤 塔进出口压力损失略有减少，约为 124Pa。
从洗涤 塔 顶 部 往 下，气 体 温 度 逐 渐 均 匀 下 降，采用喷枪的洗涤塔由入口的 1000℃ 降低至出 口气体温度约 47． 38℃ ； 采用喷嘴的洗涤塔由入
口的 1000℃ 降低至出口气体温度约 75． 37℃ 。因 此两者均满足降温要求，但是喷枪的冷却效果比 喷嘴好。两者的速度场类似，差别不大； 在下三 层喷嘴周 围 形 成 了 大 的 漩 涡，气 体 扰 动 较 显 著， 洗涤塔出口处速度最大。