基于CFD的转炉冶炼过程二次烟气除尘优化研究

摘要：提出基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的转炉冶炼过程二次烟气除尘优化设计方案，即通过优化排烟罩、除尘器、管道系统及风机，引入轻量化材料与智能监控技术，对除尘结构进行精细化设计。同时，构建包含几何模型、湍流模型、两相流模型及精确边界条件的数值模拟体系，全面模拟除尘系统性能。结果表明，优化设计方案能显著提升除尘效率，具有应用价值。

关键词：计算流体动力学；转炉冶炼；二次烟气；除尘

中图分类号：TK229 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-00-03

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Optimization Research of Secondary Flue Gas Dust Removal in Converter Smelting Process Based on CFD

ZHONG Liping

（Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science & Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

Abstract： The optimal design of secondary flue gas dust removal in converter smelting process based on computational fluid dynamics is proposed. By optimizing the exhaust hood， dust collector， filter bag， pipeline system and fan， introducing lightweight materials and intelligent monitoring technology， the dust removal structure is finely designed. At the same time， a numerical simulation system including geometric models， turbulence models， two-phase flow models， and precise boundary conditions is constructed to comprehensively simulate the performance of dust removal systems. The result showes that the optimized design scheme can significantly improve the dust removal efficiency， which has practical value.

Keywords： computational fluid dynamics; converter smelting; secondary smoke; dust removal

转炉冶炼是钢铁生产中的核心环节之一，其高效、稳定运行对于提升整体生产效率和产品质量至关重要。然而，转炉冶炼过程中会产生大量含有高浓度粉尘颗粒以及一氧化碳、二氧化硫等有害气体的二次烟气，这些有害物质对生态环境和人类健康构成不可忽视的潜在危害[1]。如何高效地管理和净化烟气，成为当前钢铁行业面临的关键挑战与重要任务。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）作为先进的数值模拟工具，已广泛应用于冶金、化工等领域。该技术能够模拟复杂流体流动，可为工程设计和优化提供可靠的数据支持[2]。尽管CFD在转炉冶炼中的应用日益增多，但在二次烟气除尘系统优化设计中的应用较少。鉴于此，针对基于CFD的转炉冶炼过程二次烟气除尘优化设计展开研究，以达到提高除尘效率、降低运行成本、促进钢铁行业绿色发展的目标。

1 转炉冶炼过程二次烟气除尘结构优化设计

转炉冶炼过程二次烟气除尘结构的优化设计方案如下。首先，排烟罩作为捕集烟气的第一道防线，其优化设计对于提高除尘效率至关重要。借助CFD设计流线型排烟罩，尺寸精确至宽度为5 m、高度为3 m、深度为2 m，并采用316L不锈钢材质，确保其在高温、腐蚀环境中稳定运行。经过细致计算，排烟罩的安装位置应位于炉前1.0 m和炉后1.5 m处，以确保捕集效率最大化，同时减少气流阻力，避免产生涡流，提升捕集效果。其次，针对转炉冶炼过程二次烟气的特性，选用布袋除尘器作为核心过滤设备，设置过滤面积为1 000 m2，风速为1.0 m/s，滤袋直径为

130 mm、长度为6 000 mm，同时引入脉冲喷吹清灰方式，确保清灰过程彻底与高效，延长滤袋的使用寿命。其中，滤袋布局采用方形排列、交错排列及环形排列等多样化配置方式（见图1），并精细设计净气室，配备压型板结构和经优化的脉冲阀布局，确保滤袋高效清灰，保障气体净化质量。最后，在管道系统方面，主管道直径为500 mm，分支管道直径为400 mm，均采用耐磨耐腐蚀合金钢材质，并将弯头优化设计为圆角过渡，减少涡流和阻力。风机选型为离心式，流量达50 000 m3/h，压头为3 000 Pa，配备变频调速器以实现灵活调速，同时采用铝合金、复合材料等轻质材料，减轻其质量。

在除尘结构优化设计中，通过CFD模拟优化管道布局、直径及弯头，降低阻力，保障烟气顺畅。选用耐磨耐腐蚀合金钢，提升除尘设备耐用性。风机选型离心式配变频调速，根据烟气量自动调节，运行稳定且节能。同时，引入智能监控，实现实时监测与智能化管理，提高除尘的效率与稳定性[3]。

2 转炉冶炼过程二次烟气除尘优化结构模型构建

2.1 几何模型

根据转炉冶炼系统的实际布局与尺寸，构建除尘器的几何模型，如图2所示。烟气自烟气进口进入除尘器系统，经过预除尘区域的初步净化处理，可去除较大颗粒物。而后，烟气通过花板被分配至滤袋组中。滤袋组作为除尘系统的核心部分，其内部密布的高效滤袋能拦截并捕获细微烟尘颗粒，确保排放气体达到环保标准。清洁后的气体则进入滤袋室，并通过烟气出口排出系统，完成除尘流程[4]。

2.2 湍流模型

针对转炉烟气所特有的高雷诺数及流动特性，采用标准k-ε模型作为分析工具。该模型凭借湍流动能k与耗散率ε的核心方程，模拟湍流能量的生成、传播、耗散及转化过程，为除尘系统优化提供理论基础。

具体而言，湍流动能k方程描述湍流能量的产生与耗散机制，公式为

（1）

式中：ρ为流体的质量；ui为流体在i方向上的运动快慢；t为时间；xi、xj分别为在三维空间的i和j方向上的坐标；u为速度分量的矢量；ut为湍流黏度；σk为k方程的湍流普朗特数；Gk为湍流动能；Gb为湍流动能的耗散量；ρε为分子黏性转化为热能并耗散的过程；YM为湍流动能的额外贡献，对于不可压缩流体，流体密度保持不变，因此YM=0。

湍流耗散率ε方程揭示湍流能量耗散的过程，公式为

（2）

式中：σε为ε方程的湍流普朗特数；C1ε、C2ε、C3ε均为常数。

基于k-ε湍流模型，分析转炉冶炼中二次烟气的湍流特性，为除尘系统的优化设计提供数据支持。

2.3 两相流模型

基于物理原理，构建3个关键的控制方程，用于描述并模拟气相流动特性。

根据质量守恒定律，在一个封闭系统中，气体的质量在流动过程中是恒定的，这意味着沿着速度向量方向的气体质量的空间变化率之和为0。质量守恒方程为

（3）

式中：为单位时间内通过单位面积的流体质量。

动量守恒方程揭示气体流动时动量的变化规律，公式为

（4）

式中：ueff为有效黏度；p为压力梯度；·（ueffu）

为黏性力项；Fp-g为颗粒相对气相的作用力。

对于颗粒相，采用拉格朗日方法描述其运动轨迹。颗粒运动方程和位置更新方程为

（5）

式中：vp为颗粒的速度向量；g为重力加速度；mp为颗粒动能；Fd为曳力；Fo为其他颗粒上的力；xp为颗粒的位置向量。

2.4 边界条件设置

边界条件对数值模拟结果至关重要，需要重视气相参数界定、进出口及壁面边界条件的合理设置，以优化除尘系统性能。边界条件设置情况如表1所示。

气相物理参数包括烟气温度100 ℃、气相密度0.946 kg/m3、动力黏度2.43×10-5 Pa·s及烟气密度0.967 kg/m3，反映实际工况。进口边界设定为速度入口，速度为5.03 m/s，湍流强度为5%，当量直径为3.5 m，模拟复杂入流。出口边界上，除尘器出口为-800 Pa，压力出口模拟负压，烟道出口0 Pa并附加外流条件确保排出。壁面处理光滑、无滑移且绝热，减少流动与热传递干扰。

3 数值模拟结果分析

以某钢铁厂为案例，采用计算流体动力学软件，结合标准k-ε湍流模型和两相流模型，在不同工况下对优化后的转炉冶炼过程二次烟气除尘系统进行模拟，优化前后除尘效率的对比结果如表2所示。

由表2可知，优化后除尘系统的除尘效率显著提高，充分验证了优化设计的有效性。优化后的排烟罩设计可显著减少涡流损耗和阻力损失，提高烟气捕集效率。

4 结论

文章提出转炉冶炼过程二次烟气除尘系统的优化设计方案，并对优化方案的高效性与可行性进行验证。结果表明，优化后系统的除尘效率得到了大大提升。未来，该除尘系统有望在自动化控制、材料轻量化等方面实现创新与优化，为推动钢铁行业的绿色可持续发展贡献力量。

参考文献

1 黄荣杰，宋广法，王昊琪，等.CFD与公理化设计集成的反击破除尘节能优化创新设计[J].机械设计，2024（增刊1）：70-77.

2 任 轩，尹 成，任 凯，等.基于CFD的脱硫除尘系统烟道阻力控制[J].中国环保产业，2023（12）：54-56.

3 王 洋，刘毅梁，王 磊，等.基于非线性规划模型的旋风除尘器设计优化[J].粉末冶金工业，2023（2）：109-115.

4 张珈旗，董忠红.基于流场特性数值模拟的袋式除尘器关键结构设计研究综述[J].中国环境科学，2022（6）：2530-2540.