基于CFD的非对称喷雾蒸发冷却器的工艺设计

刘伟忠

(攀钢集团攀枝花钢钒有限公司提钒炼钢厂，四川 攀枝花 617023)

0 前言

攀枝花钢钒公司炼钢厂有7座120 t转炉，具备600万吨钢和25万吨精钒渣的生产能力，其中3座120吨顶底复吹老转炉原设计产能150万吨/年，实际产能达300万吨/年，该转炉采用半钢炼钢，即碳含量约3.65%，入炉C含量比普通铁水低0.5%以上，吹炼时供氧强度低。由于主要原料铁水比高、废钢比低，提钒后半钢Si、Mn含量低，主要热量来源是C的氧化放热，容易形成粘结的烟气。

2006年该转炉采用双文全湿烟气净化系统(OG法)对一次除尘系统和煤气回收(或放散)进行技术改造，外排烟气粉尘含量达100 mg/Nm3，不满足《炼钢工业大气污染物排放标准》(GB28664-2012)≤50 mg/Nm3的排放要求；同时，该转炉存在炉口冒烟频繁、系统能耗高、二文易结垢堵塞和串级供水系统维护量大等。因此，随着钢铁产业淘汰产能和日趋严格的环保法规双重影响，必须对该转炉实施减排节能改造。

1 蒸发冷却器的工艺技术和生产条件

1.1 工艺技术路线

为了转炉炼钢一次除尘烟气净化效果能够达到50 mg/Nm3,经过多项技术经济指标对比，选择了半干法除尘工艺流程：转炉炉罩 → 汽化冷却烟道 → 蒸发冷却器→ 喷雾洗涤除尘器 → 环缝文氏管→脱水器→煤气引风机→煤气回收，或点火放散。即预判拟采用蒸发冷却器+喷雾洗涤除尘器+环缝文氏管半干法工艺，整体替换现有溢流内喷文氏管+灰泥捕集器+RD文氏管湿法工艺，实现粉尘达标排放。

1.2 工厂实际生产条件

三座转炉并列布置，中心距24 m，转炉炉体与炉体之间真实有效空间距离不足3 m，一次除尘系统穿越+15.6 m、+22.5 m、+37.5 m、+45 m、+9 m、+0 m等多层平台，紧凑布置。测算蒸发冷器外形几何尺寸为Ф4500×13200。

(1)

式中，D为蒸发冷却器直径，m；Q为蒸发冷却器烟气量，m3/h；V为蒸发冷却器烟气断面流速，m/s；H=Vt，H为蒸发冷却器烟气高度，m；t为水雾完全水汽化时间，s。

1.3 烟气原始状态参数

(1)烟气量与浓度。平均烟气量76 427 Nm3/h，初始粉尘浓度120～150 g/Nm3。其它参数见表1。

表1 半钢炼钢转炉一次除尘系统全流程工艺 技术参数现状

(2)半钢炼钢一次除尘烟气粉尘主要成分及粒度分布见表2、表3。

表2 半钢炼钢一次除尘烟气粉尘主要成分

表3 半钢炼钢一次除尘烟气粉尘粒度分布 %

1.4 介质条件

(1)供水能力。浊环水、净环水和新水补充能力满足现有三座转炉同时生产，其中浊环水采用串级供水。

(2)氮气能力。厂房内有DN200中压氮气管道，压力1.0～1.1 MPa，供气能力约10 000 Nm3/h，供1#～3#转炉溅渣护炉使用，可同时供两座炉生产。

1.5 参数条件与功能目标值

所采用的接入式蒸发冷却器参数见表4。

表4 蒸发冷却器的参数条件与功能目标值

2 非对称喷雾蒸发冷却器的CFD方案设计

结合蒸发冷却器的边界条件，针对半钢炼钢工艺的烟气特征，配置三级雾化的高效双介质喷枪，利用流体工程控制原理，采取CFD方案设计。

2.1 半钢炼钢的工艺特性

(1)半钢里不含硅锰等元素，提前进入C-O反应剧烈期，迅速生成大量CO与空气O接触易燃爆；

(2)半钢成渣元素含量低，需加酸性渣料等造渣原料，造渣工艺复杂，炉渣易返干，使得冶炼过程粉尘量产生大大增加；

(3)半钢炼钢碳氧化时间大大提前，使得前期烟气CO含量高，烟气冷却制度与铁水炼钢不同，蒸发冷却控制难度增大，氧枪枪位控制与降碳速度控制难度增大[2]。

由于从转炉出来的烟气温度较高，CO浓度高，控制不好，CO容易在炉口燃烧，而CO燃烧会让进入除尘系统烟气体积迅速变大，其燃烧产生的热量需要更多的水冷却，进一步增大蒸发出口的烟气体积。另外，CO燃烧还会使得烟气里的粉尘颗粒变得更细小，从而增加除尘系统的负荷。CO燃烧与烟气体积及成分变化见表5。

表5 CO燃烧与烟气体积及成分影响

2.2 喷枪选型

2.2.1 蒸发冷却器的原理

蒸发冷却器的原理是利用水相变时的汽化潜热对烟气进行冷却，水在100 ℃汽化时吸收的热量是水从0 ℃上升到100 ℃吸收热量的5倍多，非常适合蒸发冷却器用来迅速降低烟气温度(表6)。同时，考虑蒸发器通常空间有限，为了提高水的蒸发效率，将水雾化成细小的颗粒，增加与烟气接触的表面积是最为有效的途径[3]。

表6 常压下水在不同温度的汽化热

2.2.2 喷枪原理及选型

目前转炉一次除尘蒸发冷却器主要是采用蒸汽喷枪。干法工艺就是采用蒸汽雾化喷枪将水雾化后喷入蒸发冷却塔对烟气进行初步降温，半干法则采用氮气雾化双流体喷枪对水进行超低雾化。

气体雾化喷枪分为外混和内混两种。外混是气液两路在喷枪内是分开的，到喷枪出口外开始混合。外混喷枪的优点是气液在喷出前相互独立、干扰小。对于转炉干法除尘除了降温还需要对烟气进行调质，所以主要是采用蒸汽雾化，而外混形式也可以防止雾化蒸汽提前冷凝影响雾化效果。当然，外混的蒸汽喷枪也可以采用氮气雾化，但耗气量大，属于非常不节能的用法。

内混喷枪的气体和液体是在空气帽内混合，完全雾化后再出喷枪。由于雾化效率高、需要的雾化气量小、喷雾颗粒度更细，更加适用于蒸发冷却器，因为半干法只需要对烟气进行降温，没有调质要求，其雾化采用三级雾化原理，如图1所示。

图1 内混喷枪三级雾化原理图

第一级气液压差雾化,压力气体和液体进入喷嘴后迅速减压后，相互混合，完成第一级压力雾化；第二级压力液体进入喷嘴后，首先打击到靶钉上产生机械破碎；第三级膨胀雾化,气液在混合室充分混合后喷雾，因压力降低而产生急剧膨胀雾化。

2.2.3 “湿壁”问题

转炉吹炼过程中，烟气量与烟气温度波动较大，烟气含尘量大，含有氧化钙、氧化镁等易粘结物质，再加上烟气从汽化冷却烟道到蒸发冷却塔本身存在烟气流场不均的问题，容易将雾化后的喷雾卷携、夹带而撞击蒸发器壁，造成“湿壁”，从而造成粉尘粘结在蒸发器壁的现象。如处理不当，塔壁结露粘灰严重时，会对一次除尘系统造成影响。比如干法的蒸发冷却器塔壁结露粘灰造成输灰设备故障率高、触发自动控制连锁、蒸发冷却器运行不稳定引起电除尘器卸爆几率加大或除尘效率低等问题。

2.3 计算流体动力学控制方程

蒸发器内烟气发生是一个伴随着气、液两相变化的复杂的传热传质过程，描述高温烟气传热传质的方程有质量方程、动量方程、离散项受力方程、蒸发触发条件方程、蒸发能量、蒸发质量、R-K-ε模型方程等[4]。

2.4 CFD数值模拟设计

可视化蒸发器内烟气流向，对蒸发器内烟气流场情况和喷雾进行研究分析,以设计喷枪布置方案降低塔壁积灰的风险，需要考虑的影响因素有很多，包括设备外形、入口烟气流场、入口烟气量、烟气温度、喷雾颗粒、喷枪长度与布置等，如果纯粹通过实验的方法对影响蒸发器内烟气流场与喷雾分布的各种因素一一进行研究，将耗费巨大的人力、物力和财力。因此，借助于计算流体动力学软件——CFD来进行多种工况的数值模拟实验，以此来研究各种因素对除尘器内烟气流场与喷雾分布影响规律。通过 CFD软件来模拟进入蒸发冷却塔内烟气流动速度场分布、流线分布、塔内回流区，喷雾颗粒运行轨迹等。

2.4.1 模型建立

由现有工艺技术路线的实物几何尺寸结构，建立模型，如图2所示。

图2 模型示意图

2.4.2 基础流场

基础流场是指热烟气的单相流数值分析可以获得系统内不设喷雾系统时的基础流场分布，包括流线分布、回流区和安全区的分析，以了解系统内烟气的偏流、回流情况，为喷枪的初步布置方案提供参考。

(1)蒸发器内流线分布。蒸发器内流线分布如图3所示。

图3 蒸发器内流线分布

(2)蒸发器内回流区域图。图4进入除尘器的烟气回流区域图。通过对烟气回流区域的模拟分析喷枪喷雾后的流场及分布是否合理。回流区域具有向上的分速度，流线分布比较紊乱。喷雾液滴进入该区域会引起湿壁风险，当入口烟气含尘或者烟气含酸性气体时，易于引起壁面结渣或腐蚀等相关工程问题。

图4 烟气回流区域图

(3)安全区。安全区具有向下的线速度，流线分布比较整齐。如图5所示。

图5 烟气安全区域图

2.4.3 喷嘴选型

图6为按照烟气温度900 ℃，烟气量90 000 Nm3/h，蒸发器直径4.5 m，模拟该工况下需要的具体颗粒大小与数量。以此选择系统需要的喷枪数量与型号，以及雾化介质压力与流量。模拟时可以反复试验最佳工艺参数，为系统设计提供可靠依据，也避免在实际项目中试验，浪费投资与项目时间。

图6 雾化颗粒分布图

2.4.4 方案设计

半干法除了采用颗粒更细的氮气内混喷枪，还引进CFD计算流体动力学仿真用于确定喷枪的布置，根据不同的烟气流场来布置喷枪，减少或解决蒸发器容易出现的湿壁问题。即通过计算确定喷枪布置位置及长度，尽量避开蒸发器内烟气回流或涡旋区，有效避免了因烟气本身流场不均导致的喷雾被烟气携带而“撞壁”的现象。本文对拟定方案从分塔内温度分布、液滴运动轨迹跟踪、喷雾羽流和塔壁积灰风险进行模拟。其主要特点是设备本体是偏心结构，10支喷枪布置为非均匀布置，喷枪选型为某专业公司的FM25A。

(1)塔内温度分布(图7)。

图7 塔内温度分布特征

(2)液滴运动轨迹跟踪模拟。喷雾以后，按氮气与水压均为0.3～0.5 MPa时候的液体颗粒参数，模拟液滴运动轨迹如图8所示，当前喷嘴布置形式及喷雾水量下，喷雾的液滴轨迹显示能在塔直段内完成喷雾蒸发过程。

图8 液滴运动轨迹图

(3)喷雾羽流。如图9所示，此模拟参数条件下喷雾羽流比较集中，基本集中在设备中央，避开了回流区域。表明在当前布置形式及喷雾条件下，能很好的避免湿壁现象。羽流正好处于塔中央，喷雾与烟气作用良好。

图9 喷雾羽流图

(4)塔壁积灰风险。此种喷嘴布置形式对塔周向形成的喷雾撞壁极高值为0.000 67 kg/m3,根据实际工程经验，积灰风险极小。塔壁积灰风险解析结果如图10所示。

图10 塔壁积灰风险

2.5 方案确定

通过蒸发器含尘烟气的模拟效果预测，蒸发与降温一致，烟气的运动轨迹与回流等基本一致，但偶有烟气波动较大，烟气量与温度频繁剧烈变化，模拟效果运行数据有小的偏差，如图11所示，但效果总方向一致，可以用于指导实践项目，并通过调整优化布置或喷枪伸入长度来缓解或解决此问题，因此本文选择方案1。其特点如下：

图11 温度分布与蒸发效率

(1)喷雾颗粒与蒸发降温显示该喷雾系统设计合理；

(2)模拟喷雾颗粒运动轨迹与喷雾羽流说明，蒸发器设计比较合理；

(3)在蒸发器的局部区域，会形成回流与紊流，会影响喷雾颗粒撞壁，但总体可控；

(4)在蒸发器靠近烟道内侧回流区域较大，喷雾应尽量避开此区域，但由于设备本身外形原因，喷雾下方存在局部死角，长时间运行后会形成一定粘灰，但区域不大，只需定期检查处理。

3 工程应用

3.1 非对称蒸发冷却器的几何结构

如图12 所示，非对称蒸发冷却器圆壁直径D4500 mm,喷枪数量10支，型号FM25A(专业公司提供)，喷枪呈半圆形非对称-非均匀布置。

图12 蒸发器结构简图

3.2 运行参数优化

在工程化试运行后，通过分析系统运行的优化条件，确定出系统的运行参数，试运行理论与修正值见表7。

表7 系统试运行参数

4 改进效果

开发了核心装置非对称喷雾蒸发冷却器，再配备二次蒸发和文氏管组成系统用于工程实践，从能源介质消耗、排放粉尘含量、阻损、一次除尘风机效果和煤气回收等方面，该转炉技术升级前后后效果对比见表8～11。升级后转炉排放烟尘含量降低，回收了除尘灰，风机系统阻损降低，但氮气消耗有增量，综合效果优于预期的目标。

表8 能源介质对比(三座转炉)

表9 排放烟尘含量对比 (三座转炉)

表10 阻损降低量对比(单炉座)

表11 一次风机效果对比

5 结束语

通过工艺与设备技术综合研究，有针对性开发了非对称喷雾蒸发冷却器，适用于攀钢钒老转炉这类现场空间较小、而浊环水供水能力不足的一次除尘系统，可以将放散烟囱烟气粉尘浓度稳定控制在30 mg/Nm3以内。对于蒸发冷却器塔壁易粘结问题，合理选择喷枪与设计喷枪布置，引进CFD流体仿真可以有效解决或缓解蒸发冷却器“湿壁”问题，彻底解决了这个行业难题。此工艺还将蒸发冷却技术与环缝技术有效结合，吸收了蒸发冷却的优势的同时兼顾了湿法洗涤的安全、易操作性，既能满足目前国标要求的转炉除尘环保指标，也具有一定节水降低成本的经济效益，非常符合我国转炉炼钢操作需求，是我国转炉除尘一次除尘技术技术升级较为合理、经济的一种方式。