转炉环缝洗涤器防磨改造数值模拟

夏江涛++刘洋++钟毅++李华

摘 要：转炉环缝洗涤器在使用时常发生磨损严重的问题。本文对环缝洗涤器磨损问题进行了分析，并提出了一种防磨洗涤器，通过CFD软件与传统结构的气固两相流场进行了数值模拟，研究结果表明：文章提出的新型防磨环缝洗涤器结构是合理有效的，具有较好的耐磨性。

关键词：环缝洗涤器 流场 磨损

中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0102-02

转炉烟气净化和煤气回收系统流程中，使用比较广泛的为OG系统，到今天，已经发展到第四代OG系统。新一代OG系统具有设备简单、便于布置、易于维护；节水省电、流量调节性能好；除尘效率高等优点，应用越来越广泛。经过现场调研，发现武钢某炼钢厂新一代OG系统在运行中存在环缝洗涤器磨损严重的问题，如图1所示。

1 环缝洗涤器磨损原因分析

1.1 环缝洗涤器工作原理及问题

环缝洗涤器是新一代OG系统的精除尘设备，如图2所示。转炉烟气经过饱和喷淋塔的降温和粗除尘以后，以100 m/s左右的速度进入环缝可调文氏管（即环缝洗涤器）进行精除尘[1]。洗涤器内锥由液压杆控制可上下移动从而控制环缝间隙，进而起到调节和稳定炉顶压力的作用。内锥和液压套管使用耐磨材料制造，以避免环缝里高速的烟气引起的磨损和腐蚀。

实际生产期间，在一个炉役检修期之内，内锥体常被磨薄磨穿，环缝外壳也磨损严重，文氏管下部直管段也经常被磨穿，不仅降低了除尘效果，还带来极大的安全隐患。

1.2 原因分析

环缝洗涤器磨损与很多因素有关，一般是气流夹带的固体颗粒对材料的喷砂型冲蚀和气流夹带的液滴喷射型冲蚀二者综合作用的结果。

由于环缝洗涤器喉口处的速度很大，并且喉口处设计得比较窄，因此，在喷砂型冲蚀和喷射型冲蚀作用下很容易对该处造成磨损。图1所示的内锥体前端被磨穿可能是由于该部位长期处于喉口处，受到两种冲蚀造成严重损坏。

针对新一代OG系统中环缝洗涤器磨损的问题，本文根据“料磨料”的原理，提出了一种防磨环缝洗涤器结构，并对其流场进行数值模拟，同时与传统结构的流场比较，对其合理化改进进行验证。

2 防磨环缝洗涤器的结构及原理

针对内锥磨损严重的情况，在原有结构的基础上，给内锥体加上一层“井字形”荆条（见图3），以求达到减小磨损的效果。颗粒在冲击到内锥体的时候，先对荆条产生磨损，而且荆条的“井字形”结构使得部分固体粉尘被截留在内锥体外壁，经过一段时间的积累，可以对内锥体形成一层保护层，对内锥体起到进一步保护作用。粉尘在冲击荆条时，与截留的粉尘相互摩擦，形成一种“料磨料效应”。

此外带荆条的外层结构亦可以设计成“套筒”式可更换的形制，若检修时发现外层，即荆条层磨损严重需要更换，可移除荆条层，换上新的外层备件，而不必更换整个环缝洗涤器内锥调节阀，从而减轻工作量，降低成本。

3 物理模型建立及计算方法

由于问题主要存在于环缝文氏管部分，所以只对该部分进行局部模拟。在ICEM CFD中对其进行非结构网格划分，对进口、出口等对流动影响大的位置进行局部网格加密。得到网格数为2307202个，网格如图4所示。

炉气中包含有烟尘颗粒和烟气，在精除尘时需要喷水，实际上是一个气、液、固三相流动。由于只需要初步了解该物理模型内部的流动情况，故只考虑气固两相流，本模拟中用理想空气代替烟气并忽略液相，固体颗粒粒径固定，为50 μm。气相湍流模型选择k-ε湍流模型，固体颗粒选择离散相（Dispersed Solid）模型。磨损模型选择Tabakoff模型，参数为默认值。

域内参考压力设置为1atm。进口为速度进口，速度为14 m/s，固相入口速度与气相相同，其质量流量为50 kg/s。壁面设置为无滑移边界条件，固相碰壁反弹设为刚性反弹，系数均设置为1。采取高阶格式对其进行求解，求解步数为400，求解精度要求达到10-3。

4 模拟结果与分析

模拟结果如图5、图6所示，磨损率如图7、图8所示。

由两图可看出，对于内锥的磨损，传统的环缝洗涤器磨损严重的地方主要在内锥体中上部，此处刚好可以看做是气固两相速度最大的位置，从图5中可看出，此处流场有垂直内锥体的速度分量，颗粒在此处最易冲击内锥体，造成磨损，这也与实际情况相符。

增加荆条层之后，其内锥的磨损，主要都发生在荆条上，因此荆条尺寸间隔设计不能太大，否则内锥受保护的面积就越小，气流在荆条与荆条之间的区域内形成的涡尺度越大，与内锥接触时间越长，易使内锥受到磨损。

通过对比分析可知，由于磨损与速度的三次方成正比[2]，经过喉口处的烟气，在荆条结构的阻挡下，可以有效减少粉尘对内锥的磨损，对内锥起到保护作用，锥体上半部的气流速度变得比较均匀。上述模拟结果表明，防磨环缝洗涤器的原理及结构是合理的，不仅对内锥体，还是对下半部直管段都有较好的防磨效果。与传统的环缝洗涤器相比，防磨洗涤器具有防磨损，制造简单、更换方便等优点，可以在冶金除尘系统中发挥良好的效果。

参考文献

[1] 李隆键.转炉环缝洗涤器两相流动阻力特性数值模拟[J].天津理工大学学报，2008，24（3）：58-62.

[2] 胡兴才.R形文丘里管洗涤器、环缝洗涤器的耐磨性能分析[J].钢铁技术，2006（5）.endprint