除尘管道流量分配模拟研究

代洪浪

【摘要】在暖通工程的設计中，管网系统作为系统的流体输配环节，起着至关重要的作用，但往往设计人员过多的把精力放在系统的动力设备，和末端设备上，忽视管网系统。笔者通过流体仿真的方法对高炉出铁厂除尘管道进行模拟分析，指导设计工作和现场调试工作。

【关键词】CFD 高炉出铁厂除尘系统 管网平衡

一、引言

随着社会的进步，生产力高度发达的同时，随之而来的就是人类的生存环境日益破坏，钢铁行业又是污染物排放大户，炼铁厂、炼钢厂及轧钢厂又是钢铁企业的主要污染源，冶炼每吨钢水大约产生2.5kg烟尘。污染物主要是金属和非金属氧化物固体粉尘、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体有害物。对钢铁生产过程中产生的粉尘进行有效的捕集及处理，是钢铁企业节能环保研究的重要课题。捕集的关键又在如何控制好除尘管道的流量分配问题，但传统的水力计算设计方法已经不能满足现有设计的要求。

本文采用方法主要是利用计算流体力学方法（CAE）对高炉出铁场除尘系统的管网系统进行分析，力求找到一套适合指导现有除尘系统设计的方式。

二、研究方法简介

CFD（Computational Fluid Dynamics）即计算流体力学，是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门新学科，具有适应性强、应用面广的优点。基本思想是用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替将空间域上连续的物理量的场，如速度场和温度场；然后，按照流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过这种数值计算，得到复杂问题基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）在流场内各个位置的分布，以及这些物理量随时间变化情况。

1） 分析计算原理

钢铁车间除尘的CAE仿真中，必须考虑的一个重要物理现象是热气流的浮升，即气流在铁水表面受热膨胀，密度减小，在浮升力的作用下形成上升的热气流。湍流模型中Gb为考虑热气流浮升力对湍流的影响，具体表达式如下：

粉尘是CAE仿真模型中另一个重要方面，粉尘颗粒直径小，具有良好的跟随性，随气体运动而运动，因此可以认为粉尘颗粒与气流具有相同的速度，粉尘的运动速度不必再行仿真计算。但是粉尘对铁水与气流之间的辐射换热过程有重要影响，气流中粉尘浓度越高，气流的辐射吸收系数越大，相反，纯净的空气对辐射的吸收系数接近于零。含尘气流的辐射吸收系数用下式计算得到：

2） 数值分析模型

钢铁车间除尘的CAE仿真几何模型包含了较多复杂结构，且CAE模型求解对网格质量要求不是很高，因此网格划分可完全采用非结构化网格，否则将大大延长CAE仿真的时间周期。考虑到目前的计算机能力，百万量级的网格数量是合适的。

CAE仿真模型的求解采用SIMPLE算法，具体求解过程可在Fluent软件中实现。

3） 材料参数

本CAE分析所涉及的流体主要为空气和铁水，空气密度按照理想气体定律进行计算，以考虑温度变化对空气密度的影响。

4）边界条件

对除尘管道的流量分配仿真，进口采用压力进口边界条件，在除尘点处设置足够大的自由空间以使得进口边界处压力为大气压；出口给定空气流量，数值为相应除尘点的设计风量。

仿真模型的输入与输出

输入条件

1. 几何模型，包括除尘区域设备、捕集罩和除尘管道等（附图所示）

2. 铁水温度及黑度

3. 环境温度及气压

4. 各除尘支管风量

输出结果

1. 各除尘支管烟气温度（可现场测试）

2. 除尘效率

三、除尘管道仿真

通过CAE的方式对高炉出铁场除尘管道的风量分配进行建模仿真。下图是对某高炉的3#出铁口的管道进行的仿真建模，包括铁口侧吸、顶吸、撇渣器以及摆动流嘴的除尘罩以及除尘支管、除尘总管，在除尘总管末端施加压力出口边界条件，各除尘罩给定足够大的自由空间，同时施加压力入口边界条件，且入口压力和温度为当地大气压和车间环境温度。

由于现场条件的限制，除尘风量的测量仅在顶吸、两个侧吸以及烟囱的风量测定孔处进行。下表为3#出铁口在测试、设计和CAE计算下的除尘风量分配及温度。表中风量单位为（m3/h），温度单位为（℃）。

四、小结

高炉出铁场除尘系统的除尘管道均可以通过相同的CAE模型进行仿真分析，仿真得到除尘管道的风量分配且结果可靠，用于指导除尘管道的优化设计。

参考文献

[1]王福军，计算流体动力学分析，北京：清华大学出版社，2006：13～16

[2]钢铁企业采暖通风设计手册，中国冶金建设协会

[3]中华人民共和国标准，采暖通风与空气调节设计规范GB50019

[4]中华人民共和国标准，通风与空调工程施工质量验收规范 GB50243

[5]陶文铨，数值传热学，西安：西安交通大学出版社，2001：484

[6]Cesta T， Fugitive emissions control systems for oxygen furnace steelmaking， CSEA Seminar， September 1987， Toronton， Ont.， Canada， pp. 1-40.