余热回收沉降室的CFD数值模拟优化及沉降效果分析.pdf

余热回收沉降室的 CFD 数值模拟优化及沉降效果分析 * 张海茹1杨宏旻2 1. 南京圣诺热管有限公司， 南京 210009; 2. 南京师范大学 能源与机械工程学院， 南京 210042 摘要 以电炉余热回收中重力沉降室为研究对象， 利用计算流体力学 CFD 模拟技术， 通过三维稳态、 k- ε 紊流模型获得 了沉降室各方案的系统变量分布情况。研究表明 沉降室温度分布均匀; 方案 A、 B、 C 系统速度最大值分别是 54. 2， 39. 7， 47 m/s， 不同方案的沉降室内速度场分布具有相似性， 系统速度最大值均位于出口区域; 方案 A、 B、 C 中系统烟气颗 粒的沉降量分别为2. 609， 1. 776， 2. 300 t/d， 实际工程可根据输灰方式、 沉降室建设费用等因素综合考虑具体方案。 关键词 计算流体力学 CFD ; 电炉余热回收; 沉降室; 数值模拟 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408015 OPTIMIZATION AND NUMEＲICAL ANALYSIS OF A CHAMBEＲ STＲUCTUＲE BY USING CFD SIMULATION TECHNIQUE IN HEAT ＲECOVEＲY Zhang Hairu1Yang Hongmin2 1. Nanjing Shengnuo Heat Pipe Co． ，Ltd，Nanjing 210009，China; 2. School of Energy and Mechanical Engineering，Nanjing Normal University，Nanjing 210042，China AbstractBased on the heat recovery system of the EAF，the numerical simulation for the gravity settling chamber was discussed by employing the computational fluid dynamics CFDsimulation technique． The distribution of velocity and density in the chamber were obtained through the three- dimensional steady model， and k- ε turbulent model． The results show that the chamber had good heat preservation perances． The velocity maximum of scheme A was 54. 2 m/s and the values of scheme B and C were 39. 7 m/s and 47 m/s． The distributions of velocity in 3 schemes were similar and the maximum occurred near the outlet of the system． The accumulated total quantity of schemes A，B and C were 2. 609， 1. 776 and 2. 300 t per day． Keywordscomputational fluid dynamics CFD ;heat recovery system of EAF;settling chamber; numerical simulation * 国家自然科学基金 50976049 ; 江苏省自然科学基金 BK2011788 。 收稿日期 2013 －09 －28 0引言 钢铁厂以其生产规模大、 资源密集、 能耗多一直 被公认为是粉尘和烟尘排放量最大的行业， 特别是电 炉炼钢是造成烟尘污染的主要来源 。“短流程” 炼钢 工艺的发展更使电炉炼钢的产量迅速增加， 电炉烟气 的产尘量可达 12 ～18 kg/t［1 ］。 目前， 电炉炼钢工艺广泛采用“第四孔 屋顶 罩” 的方式除尘， 烟气经过汽化冷却烟道及燃烧沉降 室后， 仍然含有较高的含尘量， 这给后续余热回收工 程带来较多困难。 传统冶金研究方法周期长、 耗费大且往往无法达 到理想目标， 很多过程具有“黑匣子” 特性， 不利于对 内部过程的认识 ［2 ］。CFD 软件被广泛用于工业通 风、 锅炉模拟等研究 ［3- 4 ］， 便于构建高温环境以及难以 测得的痕量元素分析， 更适用于模拟实际生产中难以 检测和控制的过程， 通过分析研究对象各参数的流场 分布， 以达到优化相关设备的目的［5 ］。 目前， 数值模拟技术已经开始应用于钢铁冶金行 业 ［2 ］， 而用该方法模拟钢铁行业烟气处理过程的报 道较少， 本文通过 FLUENT 软件对电炉炼钢的烟气含 尘处理进行模拟， 探讨烟气除尘设备的结构， 并对实 际应用提供技术支撑。 1数学模型 1. 1模拟对象 某公称容量为 110 t 的电炉配套余热锅炉回收系 统， 如图1 所示。烟气从燃烧沉降室出口进入地下烟 道， 自地下烟道出口从右侧分两路进入余热锅炉。余 46 环境工程 Environmental Engineering 热锅炉呈 “倒 U 型” 布置， 地下烟道出口的烟气分别从 下向上进入两列垂直烟道， 在顶部的水平烟道混合， 一 同进入左侧的下行烟道， 经尾部灰斗进入后续除尘设 备， 达到回收高温烟气余热的目的。在高温烟气进入 余热锅炉时的转角处设置重力沉降室， 收集因余热锅 炉换热设备的阻碍及激波吹灰器吹灰而下落的颗粒物 质， 减少余热锅炉积灰量和后续除尘设备的负荷。 图 1工艺流程 Fig．1Flow chart of production process 本文根据工艺流程及设备的安装布置， 分别构建 了不同尺寸的重力沉降室， A 方案以最大允许空间尺 寸为基准， 其几何结构如图 2a 所示， 沉降室在 x、 y、 z 方向尺寸分别为 9 360， 5 890， 2 400 mm。烟气自右 侧水平垂直进入沉降室， 两个出口分别与第一级换热 器壳体相连接， B、 C 方案在 A 方案基础上进行改动， 分别见图 2b、 图 2c。 图 2几何模型 Fig． 2Geometry model 1. 2计算模型 电炉烟气由混合气体及粉尘颗粒组成， 将气相作 为连续介质， 采用两相耦合的 Navier- Stokes 湍流模 型， 对流场进行数值模拟; 将固相作为离散体系， 采用 颗粒轨迹法计算其运动轨迹， 本文将烟气颗粒物质分 成 10 份， 在计算域内进行追踪分析。同时， 考虑了电 炉烟气颗粒所受到的重力、 曳力、 布朗力、 萨卡曼升 力、 热泳力。 1. 3边界条件 电炉烟气中粉尘含量较高， 如表 1 所示。其中熔 化期 30的粉尘平均粒度在 5 ～20 μm， 70 的粉尘 平均粒度小于 5 μm， 烟气颗粒粒径分布采用 Ｒosin- Ｒammler 分布， 颗粒直径最大为20 μm， 最小为0.1 μm。 电炉烟气流量为120 000 Nm3/h， 温度为850 ℃， 根据 工程建设地大气压对流量进行温度和压力修正。 表 1粉尘的成分 体积分数 Tabel 1Components and volume fraction of flue gases of EAF 成分 Fe2O3、 FeOCaO 体积分数40 ～700 ～35 系统入口水力直径为 0. 65 m， Q2质量分数为 0. 13， CO2质量分数为 0. 08， CO 质量分数为 0. 05， N2 质量分数为 0. 74。出口边界条件为自由发展流动， 流量比重为 0. 5。沉降室墙体由黏土质耐火砖、 隔热 浇注料、 混凝土构成， 墙体厚度为 0. 66 m， 各种材料 的厚度分别为 0. 23， 0. 23， 0. 2m， 相应的导热系数分 别为 1. 01， 0. 35， 0. 077 W/ mK 。墙体固定无滑 动， 粗糙度为 0. 5。烟气颗粒在固体壁面为反射条 件， 进出口颗粒为逃逸条件。 2结果与讨论 2. 1方案 A 中沉降室内各变量的分布情况 图 3 为方案 A 的系统温度分布图， 系统主要区 域温度为1 090 ～1 120 K， 烟气高速进入沉降室， 在 X 方向运行时间小于 0. 4 s， 且沉降室具有保温层， 烟气 在沉降室内的温度分布均匀。图 4 为方案 A 系统在 x、 y、 z 方向三个剖面的速度分布情况。由图 4可知， 系统速度分布为 0 ～54. 2 m/s， 高速区主要在出入口 附近的右上方区域， 速度的最大值出现在沉降室的两 个出口， 且均靠近进口侧; 其他区域速度较低， 最小值 出现在入口的下方。 图 3方案 A 的系统温度分布 Fig．3Temperature distribution of scheme A 图 5 为方案 A 系统的颗粒物质速度分布图， 入 口处的烟气分成 10 股同时进入重力沉降室， 颗粒物 质速度分布为 0. 14 ～ 75 m/s， 系统出口附近区域烟 56 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 4方案 A 速度分布 Fig．4Velocity distribution of scheme A 气中颗粒物质速度高达 75 m/s。烟气中的颗粒物质 受到前述多种力的作用， 使其速度范围分布较广。大 部分烟气颗粒物质与气体一同经出口进入余热锅炉， 部分颗粒与出口附近的围护结构碰撞， 发生轨迹方向 变化， 逐渐向下运动， 速度逐渐降低， 一部分直接降落 至沉降室底部， 其余则受到主流烟气的巻吸作用， 进 行无停止的运动。 图 5方案 A 颗粒物质轨迹分布 Fig． 5Particle trace of scheme A 2. 2方案 B 中沉降室内各参数的分布情况 为了使烟气中的颗粒随气体进入余热锅炉尾部 的灰斗， 减少在转向处的积存量， 应减少低速空间。 根据方案 A 的系统速度分布情况， 对沉降室结构进 行优化， 即在 x 方向减少1. 4 m， 在 y 方向减少 2 m， 沉 降室在 x、 y、 z 方向尺寸分别为7 960， 3 890， 2 400 mm， 形 成方案 B， 几何模型如图 2b 所示。 图 6 是方案 B 的速度分布图， 比较图 4、 图 6 可 知， 方案 B 中沉降室速度缩小至 0 ～ 39. 7 m/s; 两个 出口靠近入口的一侧仍然是系统速度的最高区域， 速 度由方案 A 的 54 m/s 降至 36 m/s， 这是因为烟气的 运动受到沉降室结构尺寸的影响， x 方向尺寸的减小 限制了烟气的运动， 使系统速度降低; 低速区的范围 大幅度减小， 范围主要在系统左下部分、 距烟气进口 较远 的 区 域; 在 沉 降 室 的 底 层， 烟 气 速 度 仅 为 1. 98 m/s。烟尘中占 0. 1 mm 粒径以上的粉尘在沉 降速度小于 8 m/s 时， 基本上靠自身重量能较好地沉 降至底部 ［1 ］， 图 7 也显示沉降室烟气密度最大值出现 在系统底部。 图 6方案 B 速度分布 Fig．6Velocity distribution of scheme B 图 7方案 B 沉降室中烟气的密度分布 Fig．7Density distribution of flue gas in chamber of scheme B 2. 3方案 C 中沉降室内各参数的分布情况 为了使降落在沉降室底部的烟气颗粒能够通过埋 刮板等机械设备排出， 对沉降室的结构进行再次优化， 即在方案 B 的基础上增加了下部灰斗， 几何图形如 图2c所示。图 8 显示方案 C 中系统速度最大值为 47 m/s， 说明结构空间的变化增加了烟气运动的空间， 烟气速度进一步增加; 同时图 9 显示颗粒沉降至灰斗 壁面， 且灰斗及周围区域的密度值明显高于入口处的 数值， 说明烟气中颗粒物已运行并沉降至灰斗下端。 图 8方案 C 系统烟气速度分布 Fig．8Velocity distribution of flue gas of scheme C 3边界条件修正及各方案沉降效果对比 电炉烟气的燃烧沉降室、 余热回收利用系统和除 尘系统一般都是参照氧化期的第 4 孔烟气量设计 ［1 ］。 Michio Nakayama 等 ［6 ］在 1 台 100 t 的电炉上实测了 66 环境工程 Environmental Engineering 图 9方案 C 沉降室中烟气的密度分布 Fig．9Density distribution of flue gas in chamber of scheme C 熔化期和氧化期电炉烟气的成分和温度， 分析得出电 炉烟气中的 CO、 CO2、 O23 种组分的浓度随电炉冶炼 呈周期性变化。电炉炼钢的烟气量主要受电炉炉料 装入量、 铁水比、 吹氧强度、 炉内压强等因素影响。其 烟气量与 CO 浓度和工艺过程中吸入的空气有关［7 ］， 因此， 烟气量、 烟气温度均随生产工艺呈现周期性 波动。 由于电炉烟气量存在周期性变化特点， 进入沉降 室且未从出口排出的烟气颗粒则会在周期波动的最 低点逐渐降落至沉降室底部。在方案 A 中， 系统沉 降的颗粒数目占进入量的 5. 033，方案 B、 C 的沉 降额分别为 3. 42、 4. 31， 根据电炉参数可得吨钢 产灰量分别为 0. 79， 0. 5388， 0. 697 kg/t， 相应的每天 产灰量为 2. 609， 1. 776， 2. 3 t， 可大大减少工艺流程 中余热回收换热器的积灰量和换热器后灰斗的容量。 4结论 本文根据电炉冶炼工艺烟气排放的的特点， 从实 际工程建设用空间出发， 用 FLUENT 软件对拟建的重 力沉降室进行结构优化， 得到不同方案各变量的分 布， 得出以下结论 1 方案 A、 B、 C 系统速度最大值分别为 54. 2， 39. 7， 47 m/s， 系统速度的最大值始终位于出口附近， 沉降室的结构尺寸影响系统速度大小， 继而影响烟气 颗粒的沉降效果。 2 由于烟气中的颗粒在运行中因受到多种作用 力的影响及入口边界条件的周期性波动， 部分颗粒会 在边界条件在最低点附近沉降至底部。 3 方案 A、 B、 C 沉降量分别为 2. 609， 1. 776， 2. 3 t/d， 实际工程可考虑输灰方式、 灰斗费用等因素 选择具体的方案。 参考文献 ［1］王永忠， 电炉炼钢除尘［M］． 北京 冶金工业出版社， 2003. ［2］李林波，曾文斌． CFD 数值模拟技术在冶金中的应用［J］． 钢 铁研究学报， 2011， 23 12 1- 4. ［3］鲍敬云， 张海茹， 范红途， 等． 高架仓库火灾烟气流动及易燃物 质赋存方式转变的数值分析［J］． 南京师范大学学报． 工程技 术版， 2013， 13 1 30- 34. ［4］张海茹，王萌，吴昊， 等． 410 t/h 燃煤锅炉汞释放及赋存方式 转变数值模拟［J］． 中国电机工程学报， 2012， 32 14 65- 70. ［5］朱苗勇， 萧泽强． 钢的精炼过程数学物理模拟［M］． 北京 冶金 工业出版社， 1998. ［6］Michio Nakayama，Hirotsugu Kubo． Progress of emission control system in electric arc furnace melt- shops［J］．NKK Technical Ｒeview， 2001 84 16- 23. ［7］侯祥松． 电炉炼钢冶炼周期中烟气热力学特性的变化规律 ［J］． 冶金能源， 2010， 29 1 28- 31. 第一作者 张海茹 1982 － ， 女， 硕士， 主要从事余热回收及燃烧污染 物控制方面的设计及研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 zhr616126． com 上接第 47 页 ［ 19］Burke David M， OByrne Justin P， Fleming Peter G， et al． Carbon nanocages as heavy metal ion adsorbents［ J］ ． Desalination， 2011， 280 1/3 87- 94. ［ 20］Farooq Umar，Kozinski Janusz A，Khan Misbahul Ain，et al． Biosorption of heavy metal ions using wheat based biosorbents- A review of the recent literature［ J］ ． Bioresource Technology， 2010， 101 14 5043- 5053. ［ 21］Googerdchian Fahimeh， Moheb Ahmad， Emadi Ｒahmatollah． Lead sorptionpropertiesofnanohydroxyapatite- alginatecomposite adsorbents［J］． Chemical Engineering Journal，2012，200- 202 471- 479. ［ 22］Ibrahim M N Mohamad，Ngah W S Wan，Norliyana M S，et al． A novel agricultural waste adsorbent for the removal of lead IIions from aqueous solutions［ J］ ． Journal of Hazardous Materials， 2010， 182 1/3 377- 385. ［ 23］Pant Deepak，Singh Pooja． Chemical modification of waste glass from cathode ray tubes CＲTsas low cost adsorbent［J］． Journal of Environmental Chemical Engineering， 2013， 1 3 226- 232. ［ 24］Tavakoli Hamed， Sepehrian Hamid， Cheraghali Ｒamin． Encapsulation of nanoporous MCM- 41 in biopolymeric matrix of calcium alginate and its use as effective adsorbent for lead ionsEquilibrium， kinetic and thermodynamic studies［J］．Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers， 2013， 44 3 343- 348. ［ 25］Al- Zboon Kamel，Al- Harahsheh Mohammad S，Hani Falah Bani． Fly ash- based geopolymer for Pb removal from aqueous solution ［J］． Journal of Hazardous Materials， 2011， 188 1/3 414- 421． 第一作者 李青彬 1976 － ， 男， 副教授， 主要从事环境重金属处理及 新材料研究。lqbUSTB163． com 76 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control