高温雾化降尘效率关键影响参数研究及优化

沈凡 赵刚 陈燕才 熊雯

摘要：为稳定提高高温环境中的雾化降尘效率，引入蒸发率构造的液滴蒸发因子，利用数值仿真模拟高温环境下的雾化过程，探索喷嘴结构、雾化性能和高温降尘效率之间的交互影响规律；采用L25田口方法设计试验，选取X旋流压力喷嘴的出口直径、进口压力、轴向距离作为关键参数，探究各参数对雾化性能的影响，获得最优参数组合。研究结果表明：雾化区受温度的影响，液滴质量浓度是提高高温雾化降尘效率的关键指标；3个关键参数的重要性由高到低依次为轴向距离、进口压力、出口直径；在HIB钢热轧工艺中，最优关键参数组合为喷嘴出口直径2 mm、进口压力8 MPa、轴向距离90 cm。高温降尘效率提高到80%以上。

关键词：高温雾化；降尘效率；蒸发因子；喷嘴口径；田口试验

中图分类号：X948

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2023.07.004

Research and Optimization of Key Parameters of High Temperature

Atomization Dust Removal Efficiency

SHEN Fan1 ZHAO Gang2 CHEN Yancai3 XIONG Wen3

1.Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology of Ministry of Education，

Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，430081

2.Hubei Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering，Wuhan

University of Science and Technology，Wuhan，430081

3.R&D Center of Wuhan Iron & Steel Co.，Ltd.，Baosteel Central Research Institute，Wuhan，430080

Abstract： In order to stably improve the efficiency of atomization and dust removal in high temperature environment， the droplet evaporation factor with evaporation rate structure was introduced. The atomization processes in high temperature environment were simulated by numerical simulation， and the interactions of nozzle structure， atomization performance and high temperature dust removal efficiency were explored. The L25 Taguchi method was used to design the test， and the outlet diameter， inlet pressure and axial distance of the X swirl pressure nozzle were selected as key parameters， and the influences of each parameter on atomization performance were explored to obtain the optimal parameter combination. Results show that the atomization zone is affected by temperature， and the mass concentration of droplets is a key indicator to improve the efficiency of high temperature atomization and dust removal. The importance of the three key parameters from high to low is as follows：axial distance， inlet pressure and outlet diameter. In the hot rolling processes of HIB steel， the optimal working parameters of the nozzle are as 2 mm nozzle outlet diameter， 8 MPa inlet pressure and 90 cm axial distance. The dust removal efficiency at high temperature is increased to more than 80%.

Key words： high temperature atomization; dust removal efficiency; evaporation factor; nozzle caliber; Taguchi test

0 引言

近年来热轧产能增加导致粉尘污染问题严重，且对热轧板带表面质量造成一定影响。国内外多家钢铁企业开始采用成本相对低廉的水雾降尘技术，以期改善热轧生产环境和产品质量，但效果并不稳定。实踐表明，不同企业不同产线不同轧制钢种，热轧降尘效率差异较大，尤其是轧制硅钢和不锈钢产品时，降尘效率仅为20%～30%［1］。

水雾降尘的基本原理是水雾在高压作用下破碎，液滴边界层受到高速气流的黏性剪切作用，形成大量细小液滴。粉尘与雾化的液滴发生了大量的惯性碰撞后，液滴以粉尘颗粒为凝聚核心而凝结沉降，粉尘的沉降量主要受到喷雾的雾化性能的影响［2］。国内外学者对常温下雾化特性与降尘效率进行了大量研究，发现喷雾射流速度、流量、液滴粒径等都会影响液滴与粉尘的碰撞概率［3-4］，其中液滴粒径是影响雾化效果最重要的指标，粒径越小的液滴与粉尘碰撞概率越大，降尘效率越高［5］。为提高喷嘴的雾化性能，有学者对雾化喷嘴的结构、类型和工况进行研究，发现喷嘴的结构会对雾化粒径造成影响，例如喷嘴的阀芯结构、喉口直径和出口直径等［6］；聂文等［7］比较了4种常见的压力喷嘴，发现X型旋流压力喷嘴适合大面积使用，且在相同的工作条件下，可以得到最小的液滴尺寸；YANG等［8］利用数值模拟结合现场实测对煤矿中雾化喷嘴安装位置和喷嘴直径进行分析，优化后的参数组合使降尘效率提高至90%以上。

关于高温环境中雾化性能的研究，仅见于蒸发过程、燃料燃烧等领域的文献。ZHANG等［9］为了提高烟气脱硫效率，用数值模拟的方法对液滴的运动和蒸发过程进行分析，发现液滴质量加权寿命随液滴平均直径的增大呈线性增加。LI等［10］通过研究高速喷射出的燃料液滴的传热和蒸发，发现液滴的蒸发速率与液滴质量浓度和直径成反比。为了探索雾化性能对闪蒸效率的影响，柯炳正等［11］通过研究不同条件下的喷雾液滴，发现液滴的粒径与喷嘴直径和进口压力存在关系；CAI等［12］从能量分析角度研究了射流闪蒸过程，发现随着射流速度的增大蒸发率明显增大。

现有雾化降尘和高温雾化理论均未建立完备的高温环境下雾化性能对降尘效率影响的数学模型，同时缺乏对高温雾化降尘工艺参数和喷嘴结构参数的优化研究。由此导致热轧水雾降尘技术在工艺和装备设计过程中缺乏有效的理论指导，更多借鉴煤矿等的常温降尘设计经验来确定气水压力、流速等工艺参数和喷嘴结构参数。这是造成目前热轧雾化降尘效果不稳定的重要原因。

为了解决上述问题，进一步稳定提高高温环境中的降尘效率，本文探究喷嘴结构、雾化性能和高温降尘效率之间的交互影响规律。在降尘效率数学模型中引入温度造成的液滴蒸发因子，得到影响高温降尘效果的主要雾化性能参数；将数值模拟和田口试验法相结合，运用离散相模型（DPM）对试验喷嘴进行数值模拟，分析各关键参数对高温雾化性能的影响；根据数值模拟结果建立正交表，得到各关键参数对高温降尘效率的影响程度和最优组合，从而提高高温降尘效率。

1 基于雾化原理的高温降尘模型

依据粒子碰撞原理得到雾尘碰撞数学模型，并推导出降尘效率公式［13］：

式中，η为液滴捕尘效率；v为液滴与粉尘的相对速度，m/s；vg为粉尘速度，m/s；q为空间体积含水量，kg/m3；x为喷嘴距离产尘点的有效喷雾距离，m；Dc为液滴粒径，m；B0为实验确定的包含截流和扩散的实验常数；B为坎宁汉滑动修正系数；dp为粉尘粒径，m；ρp为粉尘颗粒密度，kg/m3；μg为气体黏度，Pa·s。

热轧机间的温度一般是200～900 ℃，在高温环境下喷雾蒸发现象明显，蒸发量随雾化条件而改变，空间体积含水量会因此发生变化：

式中，γ为单位体积内液滴蒸发率；qm，ev为蒸汽质量流量，kg/s；qm，in为供水质量流量，kg/s;A为捕集区域横截面积，m2；Q为出口流量，kg/s；vd为液滴速度，m/s。

喷嘴流量与进口压力关系为

式中，Q0为单个喷嘴流量，kg/s；d为喷嘴出口直径，mm；p为供水压力，MPa；k为实验系数，通常取1～2。

根据现场试验，热轧厂产生的氧化粉尘的粒径为21～27 μm，在粉尘捕获假设中仅考虑惯性碰撞，则B0= 1，B = 1，根据现场测得的粉尘颗粒密度为ρp= 840 kg/m3。粉尘流的速度近似等于热轧带在其表面运动的气流速度，由轧辊的轧制速度决定，取vg=1 m/s；空气的动态黏度为μg=1.8×10-5 Pa·s。将式（3）、式（4）代入式（1），并将热轧环境的基本数据代入可写成如下形式：

根据降尘效率的数学模型可知，影响降尘效果的主要雾化性能参数是液滴粒径、液滴速度、空间体积含水量。

2 关键参数对雾化性能的影响分析

利用FLUENT对雾化区进行数值模拟，选取X旋流喷嘴作为雾化器模型，将喷嘴外部的雾化区作为计算区域。采用追踪液滴包（parcels）的思想，得到相同温度、时间、位置的液体的质量流量、速度、粒径等。模型采用湍流模型的Realizable k-ε方程模型，打开能量方程（Energy）和组分输运模型（Species），压力与速度耦合采用PISO算法。在原点处设置喷射源，将喷雾区域左边设置为速度进口边界（inlet），顶端和右端出口设置为自由出口（outflow）。为了验证该数值方法的正确性，选择与文献［14］的实验进行相同的参数设置，采用出口直径为0.8 mm的喷嘴，进口压力为4 MPa，结果如图1所示。由图1可看出本文结果与文献［14］的结果能较好地吻合，证明本文的数值方法合理，计算结果具有可靠性。

2.1 轴向距离对雾化性能的影响

热轧区的高温环境主要是轧制板材时轧制区的工作温度较高造成的，因此越靠近轧制区温度就越高，喷嘴安装位置与轧机之间轴向距离不同，喷嘴雾化效果受温度影响程度也就不同。为了直观对比不同位置上的雾化效果，取口径为1.2 mm的喷嘴在6 MPa压力下距离轧机3 m、0.5 m处进行模拟比较，现场测得轴向距离3 m和0.5 m处的温度分别为30 ℃、400 ℃。利用数值模拟得到不同轴向位置上的液滴粒径分布图见图2，不同轴向位置液滴蒸发速率见图3。

受到不同位置的温度影响，当轴向距离由3 m减小到0.5 m时，雾化区的最大液滴粒徑由2.24×10－4 m减小到1.39×10－4 m，液滴最大蒸发率由0.254 mg/s增加到1.03 mg/s。

由图3a可知，喷嘴处在3 m位置时，最大蒸发速率出现在喷嘴附近，越远离喷嘴位置蒸发速率越低，这是由于喷嘴附近的流体受到高压后与周围气体产生了较大的速度差，造成流动不稳定性，气动力使液体破碎成各种尺寸的液滴，此时蒸发最剧烈，由于此时消耗了大部分的过热能，中后期的蒸发强度明显减弱。在图3b中，喷嘴放置在0.5 m位置时，喷雾中后段的蒸发率和蒸发范围明显大于图3a，这是由于该位置靠近轧制区，有较大的过热度，提供了较多的过热能量，液体的汽化潜热减小，使雾化中后区发生大量汽化。喷嘴距离轧机的轴向距离越小，环境温度越高，液滴粒径越小，液滴的蒸发量越大，因此太小的轴向距离不利于获得较高液滴质量浓度喷雾。

随着轴向距离的增大，雾化区流体的速度随之减小，液滴粒径逐渐增大，雾化区液体蒸发速率减小且液滴质量浓度增大。受空气阻力的影响，射流速度随之减小，液滴韦伯数减小，气动力对液滴的破碎影响减小；另一方面，液滴之间会发生碰撞使小尺寸液滴凝聚成较大尺寸的液滴，因此液滴粒径随轴向距离的增大呈增大趋势。

2.2 喷嘴出口直径对雾化性能的影响

利用单因素实验法仿真分析喷嘴出口直径对雾化性能的影响。选取轴向距离为1 m，环境温度为280 ℃，进口压力为6 MPa，喷嘴直径依次选取1，1.2，1.5，2，2.4 mm。

随着出口直径的增大液滴质量浓度升高，液滴粒径呈增大的趋势。当出口直径由1 mm增至2.4 mm时，最大粒径由1.02×10-4m增至1.21×10-4m。喷嘴直径的增大意味着喷射面积的增大，射流流体体积随之增大，雾化区液滴质量浓度升高，雾化区与环境的换热因此发生好转，雾化区内汽化核心密度相应减小，液滴蒸发速率相对减小，液滴平均粒径呈增大趋势。

随着出口直径的增大液滴速度减小，蒸发率有所增大且在出口处较为明显，随着轴向距离的增大，不同喷嘴下的蒸发率区别并不显著。当出口直径由1 mm增大到2.4 mm时，喷嘴最大速度由59.1 m/s降低到50.8 m/s，这是由于当喷嘴出口直径逐渐增大时，喷嘴出口向内压力减小，雾化角随之增大，导致了液滴轴向速度的弥散。由图4可知，在喷嘴出口处可明显看出口径较大的喷嘴液体蒸发率更高，这是由于在喷嘴出口处口径越大的喷嘴喷射角越大，增加了液滴与空气的接触，雾化区边缘的液滴质量浓度较低，因此大量蒸发；随着轴向距离的增大，越大的口径的喷嘴射流核心处的液滴质量浓度越高，受环境温度的影响更小，因此减缓了其蒸发速率。

增大喷嘴的出口直径能够让雾化区液滴质量浓度更高，但是却不利于获得粒径更小速度更高的液滴。过低的液滴速度并不利于捕尘，然而更大的雾化角也意味着有效捕尘面积更大，且较高的液滴质量浓度能够有效地提高液滴与粉尘的碰撞概率。

2.3 进口压力对雾化性能的影响

利用单因素实验法对进口压力对雾化性能的影响进行仿真分析，如图5所示。选取轴向距离为1 m，环境温度为280 ℃，喷嘴直径为1.2 mm，进口压力依次选取2，4，6，8，10 MPa。

随着进口压力的增大，液滴粒径会变小且液滴的速度变大，液体蒸发速率明显增大，雾化区液滴质量浓度先增大后减小。

当进口压力由2 MPa增至10 MPa时，最大粒径由1.56×10-4m降低到8.71×10-5m，最大蒸发速率由0.498 mg/s增加到2.61 mg/s。随着进口压力的增大，喷嘴处的流体质量流量增大，破碎的液滴大量蒸发相变使蒸汽与液滴混合，射流因此加剧，液滴的破碎也更加剧烈，液滴粒径随之减小。同时过高的水压使流体具有较高的射流速度，韦伯数较大，气动力加剧了液滴的破碎，从而获得了粒径更小的液滴。增高压力会增加喷嘴处的流量，液滴质量浓度也随之增大，但是当压力增加至10 MPa时，液滴速度过大和粒径过小加快了液滴的蒸发，液滴质量浓度因此减小。

增大进口压力虽然能够使液滴破碎得更小从而增加粒子间的碰撞概率，但是却让液滴蒸发得更快，且压力增大到6 MPa后，液滴速度不再随之显著增大。因此进口压力在增大到一定值后无法再提高降尘效率，反而会因为液滴蒸发率过高而使降尘效率下降。

3 田口试验设计

3.1 试验方案

选取影响降尘效率的3个主要因素，表1中参数1、2、3分别为喷嘴出口直径d、进口压力p、轴向距离x，每个因素选取5个水平。参考单因素试验结果选取水平值，其中进口压力过高不利于获得高质量浓度液滴的喷雾，压力过低不易于获得较小粒径的液滴，因此选择4～8 MPa;轴向距离过小受到温度影响较大，因此选取距离70～110 cm。对于数值模拟结果，液滴尺寸选取截面索尔特平均粒径，液滴速度为截面平均速度，液滴蒸发率为截面液体平均蒸发率。

为了研究这3个关键参数对降尘效率的影响程度，本文采用田口試验方法，共25组试验，具体试验方案和试验结果见表2。本文选择望大特性的信噪比（SNR）计算模型，其计算方法为

3.2 试验结果分析

定义各参数对降尘效率影响程度为Ei，E值越大表示影响越显著，其计算公式为

Ei=max{Yi1，Yi2，Yi3，Yi4，Yi5}－

min{Yi1，Yi2，Yi3，Yi4，Yi5}（7）

式中，Yij为每个参数在不同水平值下的平均信噪比，其中i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，例如Y12表示出口直径d在2水平值下的平均信噪比。

通过计算得出各参数的影响程度如图6所示。结果表明，在本文研究范围内，各参数影响程度由高到低依次为x、p、d，轴向距离x是对降尘效率影响最显著的参数。这是由于在高温降尘中雾化性能易受环境温度的影响，而轴向安装距离的选取决定着雾化降尘的环境温度。

图7所示为各参数在不同水平值下的平均信噪比。由图7可知，平均信噪比随d的取值增大而先增大后减小，随着p的取值增大而增大，这说

明高温降尘中喷嘴使用大口径高压力更利于提高降尘效果。而煤矿降尘中的喷嘴往往使用较小的口径较高的压力，这是由于较小口径的喷嘴有利于获得更小粒径的液滴，煤矿的环境温度对小粒径液滴的存活影响并不大；而在热轧厂中，小粒径的液滴不易存活，蒸发率过高导致了降尘效果差，喷嘴的大口径高压力能够获得液滴质量浓度较高的喷雾，使雾化区的液滴保持足够的数量参与捕尘。这反映出在高温环境中，要提高降尘效率，应首先提高雾化区液滴质量浓度。

4 工程验证

为了验证优化后的组合是否能够提高雾化降尘效率，将优化后的组合参数d=2.0 mm、p=8 MPa、x=90 cm应用于热轧厂进行验证。粉尘浓度测试设备选用CEL-712 Microdust Pro实时粉尘监测仪，测量范围1 μg/m3～250 g/m3。

在离精轧机架1.5 m高处安装粉尘浓度测试仪1，在轧机进口和出口集管处分别安装粉尘浓度测试仪2和3。选择在轧制HIB钢时，保持轧制速度为1.5 m/s和压下量为38 mm不變，将粉尘浓度测试仪开启，30 s后关闭，可得到测量时间30 s内粉尘浓度的最大值和平均值，取最大值作为实验值，重复3次测量取平均值作为初始粉尘浓度值。开启雾化降尘装置，待稳定工作10 min后，将测试仪开启，30 s后关闭，将测量时间内粉尘浓度的最大值作为实验值，重复3次测量取平均值作为降尘结束粉尘浓度值。利用测试结果粉尘浓度计算降尘效率，见表3。优化后的3个测试点的粉尘浓度达到国家标准的要求，降尘效率可以达到80%以上。

5 结论

（1）喷嘴出口直径的增大会增大液滴粒径和雾化区液滴质量浓度，但是会减小液滴速度；进口压力的增大会减小液滴粒径并增大液滴速度，同时明显增大了液滴蒸发速率；轴向距离越大则有效捕尘区域越大，且受到轧制区温度的影响越小，但是距离太大会导致液滴捕尘速度过小。

（2）在高温环境中，轴向距离对降尘效率的影响最大，3个参数的显著程度由大到小依次为轴向距离、进口压力、出口直径。

（3）利用田口试验法对喷嘴的3个关键参数进行优化分析，得出当出口直径为2 mm、进口压力为8 MPa、轴向距离为90 cm时，高温下喷嘴雾化性能最好。优化后的喷嘴参数组合使降尘效率提高至80%以上。

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