转炉OG系统调径文氏管结构的优化

桂瞬丰,幸福堂,李群燕

(武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉430081)



转炉OG系统调径文氏管结构的优化

桂瞬丰,幸福堂,李群燕

(武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉430081)

为提高转炉OG系统烟气除尘效率，依据湿法回收工艺除尘机理，对现代湿法除尘工艺进行了研究.针对系统烟气净化环节，着重对RD文氏管以及第四代环缝文氏管除尘器结构分析，指出两种文氏管线性可调性还有待提高.在此基础之上，提出了一种新的重砣设计方法，结果表明改进后的流量控制结构的线性相关系得到很大提高，对转炉OG系统烟气湿法除尘具有重要意义.

转炉；OG；调径文氏管；除尘

转炉炼钢过程中产生的转炉煤气浓度可达60%～80%，是一种有毒且回收价值很高的中热值煤气.在冶炼过程中，高温转炉煤气会将铁水里面的尘渣卷入，如不进行净化处理，逸散出的煤气不仅会给环境带来污染而且还可能产生爆炸事故，严重威胁职工的生命安全.如何保证转炉安全高效地回收转炉煤气，是冶金行业节能减排工作的重要课题.

自1962年发明了OG法以来，转炉烟气回收技术得到了长足发展[1,2].湿法除尘技术(OG法)因其自身优点，具有广泛的应用前景，目前国内钢铁企业使用该种方法较多[3].然而随着环保要求的提高，最初的湿法回收工艺已不能满足日益增长的节能减排需要[4]，改进落后的工艺或者生产方式势在必行.Nobuhiro Maruoka等人[5]则对炼钢烟气潜热回收，改进了生产工艺，效果显著.Wang Aihua等人[6]根据影响烟气净化回收的因素，从管理层面提出了改善措施.目前RD型文氏管和环缝文氏管由于线性度好、除尘效率高等优点被应用在改进的OG工艺中，使用较为普遍，然而其线性度还有待提高[7,8].基于此，提出了一种新的重砣设计方法，不仅提高了线性操控性，还提高了除尘效率.

1　转炉OG烟气净化回收机理及存在的问题

1.1烟气净化机理

根据转炉烟尘粒径的分布(0.5～50 μm)情况可知，转炉湿法除尘设备的除尘机理主要是惯性碰撞和拦截的作用[9].其中惯性碰撞作用用斯托克斯准数(St)表示，其计算式如下：

(1)

其中:dp为粉尘粒径，μm；ρp为粉尘真密度；μr为粉尘与液滴之间的相对速度，m/s；C为肯宁汉修正因子，无量纲；μg为气体黏度，Pa·s;DL为液滴直径,μm.

由式(1)可知除尘器除尘效果与液滴和粉尘的直径、气体黏度和相对速度有关，通过合理设计除尘器结构，增大相对速度，优化喷嘴喷雾效果等可提高除尘效果.这是现代除尘器设计成文氏管渐缩段—喉口段—渐扩段三段结构的理论依据.

1.2文氏管除尘器结构存在的主要问题

为了降低文氏管结构造成的压损，用喷淋塔代替了最初OG法中的一文和脱水结构，二文采用可调文氏管.此改进工艺除尘部位的压损大大降低，同时将节省下来的压损用在二文RD喉口精除尘上，工艺流程如图1所示.采用RD文氏管的好处是，根据转炉吹炼不同阶段的烟气量变化，可通过调节RD阀开度，控制喉口流速达到式(1)除尘所需的颗粒物粉尘与雾化水滴较高的相对流速，以达到除尘作用.但与此同时，引进的RD阀无法实现线性可调，且容易堵塞、磨损等[10]，除尘效率仍然不高，RD阀工作原理见图2.

图1　塔文湿法除尘工艺流程

图2　RD阀工作原理

图2中，S′为RD阀投影面积，S为RD阀上表面面积.根据投影公式知，面积关系有：

S′=Scosθ

(2)

由式(2)可知，当RD阀在原θ基础上转过Δθ，将导致投影面积由S′增加ΔS′，依然遵循投影公式，有以下结论.

S′+ΔS′=Scos(θ+Δθ)

(3)

由式(3)可知Δθ与ΔS′之间联系关系为三角函数，二者并不是呈线性变化的，这加大了精确调控喉口面积的难度.而且这种形式容易造成RD阀堵塞卡死，磨损严重，需要在喉口两侧用高压氮气吹除.

为了克服RD阀的问题，用环缝文氏管代替了RD文氏管，提高了线性可调性，降低了磨损.环缝文氏管控制流量的装置中，通过驱动重砣上下行进来控制喉口开度，进而改变流速，环缝文氏管见图3.

图3　环缝文氏管示意图

图4　环缝文氏管工作原理

但环缝文氏管的重砣一般是在标准锥体上对棱角倒角，其行程与环缝面积只近似呈线性关系.环缝文氏管工作原理见图4.当重砣下降ΔL距离时，喉口面积减小

(4)

对于特定的重砣夹角α为定值.从(4)式可以看出，ΔS与重砣下降距离ΔL呈二次函数关系，因此线性可调性还有待提高.

2　文氏管除尘结构优化

航空领域内火箭推进器结构中汽蚀文氏管渐缩段采用了锥形重砣控制流量，线性化程度较高[11,12].根据锥形重砣控制流量的特点，设计了一种线性可调的重砣结构以应用在转炉OG系统上，其设计原理见图5.

图5　线性可调重砣结构原理

图6　旋转后的重砣曲面图

当重砣向左前进ΔL=Xn-Xn-1时，喉口段重砣所覆盖面积减小，减小值见式(5).

(5)

根据此原理，在二维平面内，过ri作水平线，过Xi作垂线，水平线与垂线在Di点相交.将所有点连接就得到一半重砣的轮廓线，从图5可以看出，重砣轮廓线呈抛物线形状，不是标准锥形轮廓线.在空间上将一半轮廓线沿文氏管轴向旋转360°就得到立体的重砣曲面，用数学软件MATLAB作图见图6.通过这种方法可以将重砣形状设计并加工出来.

3　结构优化验证

在流量一定的条件下，截面积与流速成反比，并有以下关系.

(6)

其中:Q为体积流量，n为零件设计时所需要的离散点，对于一个特定的设计零件可认为是定值.m为重砣下降mΔL距离的mΔL之前系数.

据式(6)可知，最终条件可归结为每下降ΔL，不同高度环缝面流速相应增大ΔV，行程与流速成双曲线函数关系.速度牵扯到流场变化，因此可通过CFD数值方法去验证.

分别给结构没有改进的环缝文氏管、重砣部件以及改进后的装配零件划分结构网格，其中渐缩段进口直径3 m，渐缩段长度为3 m，喉口直径2 m，喉口长度为2 m，渐扩段出口直径4.6 m，长度为4 m，重坨高度2 m.有关网格信息见表1.设置时间步步长为0.001 s，计算 1 0000 步，进口流量350 kg/s，气体密度为1.185 kg/m3，壁面绝热，出口相对压力为0 Pa.采用浸入实体模型模拟重砣运动，重砣起始位置为锥尖刚好在渐缩段与喉口连接的位置，其向下行进速度为0.15 m/s，见图7.使用k-ε模型，数值离散格式采用二阶高精度格式，每个时间步内计算循环10次，设置收敛标准为1E-05.最后数值计算结果以及按照式(6)的理论计算结果见表2.

表1　网格信息

图7　重砣行程图

时间 s 重砣下降距离 m理论计算速度CFD模拟速度(m·s-1) 误差 %0094.061006.3110.1594.7795.971.2620.396.9799.913.0330.45100.87104.263.3640.6106.891081.0450.75115.771171.0660.9128.86130.140.9971.05148.72148.210.3581.2180.90179.051.0291.35239.67231.893.25101.5376.32338.3810.08

从表2可以看出采用CFD数值方法与理论计算方法比较，除却0 s和10 s时刻误差偏大外，其余时刻误差在3%以内.根据夏江涛等人[3]研究的结论，重砣两端会引起诱导湍流，导致在0 s、10 s时，靠近重砣两端区域产生回流，因此CFD按面积积分平均求解的速度平均值与理论计算的几何平均值在这两个时刻差异较大，但并不影响数值求解的准确性.因此可以看出采用CFD方法验证是可行的.

图8　RD文氏管喉口开口面积与转角关系

图9　喉口开口面积随重砣行进时间关系

将文献[6]中RD阀转角与流量关系数据用式(6)变换得到图8，图9是数值计算结果.从图8可以看出，RD文氏管在45～70°范围内，喉口开度面积与角度线性相关系很好，在70°以上时，线性关系较差.从图9可以看出，标准锥体状重砣文氏管线性相关性随着重砣下降距离增大而逐渐变好，然而在初始几秒内，线性关系较差.工业实践中，将重砣倒圆角处理，一定程度生可提高线性相关度.改进后的重砣锥体，将倒圆角处理由定性设计进一步变为定量分析，从图9可以看出，从0～10 s 整个重砣下降距离范围内，时间(或行程)与喉口开口面积近似成直线关系，相对于RD文氏管以及改进前的环缝文氏管，其线性相关性得到大大提升.

4　结　论

根据文氏管除尘机理，针对RD文氏管以及环缝文氏管的不足，提出了一种新的设计方法，得到以下结论：

(1)采用CFD数值方法去验证改进前的文氏管流场，计算结果与理论值一致，验证了CFD方法的准确性，表明采用CFD手段是可行的.

(2)通过分别分析RD文氏管、改进前和改进后的喉口速度随转角和重砣行进时间的线性关系，得到改进后的重砣能够有效控制喉口开口面积.相对 RD文氏管以及环缝式文氏管，其线性度大大提升，提高了转炉流量调节的操控性.

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Structure optimization of the adjustable venture tube for converter OG system

Gui Shunfeng，Xing Futang，Li Qunyan

(College of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China )

In order to improve the efficiency of the flue gas dust removal for the converter OG system,a modern wet dust removal technology was studied based on dusting mechanism of wet recovery process.An analysis was made focused on the structure and the girth of RD ventur tube.It was showed that the two kinds of linear adjustable venture tube need to be improved.A new design method of heavy mound was proposed.The results indicated that the linearity of the flow control structure is greatly increased after the optimization.It is believed that the authors’research has a great significance for the flue gas wet dusting process of the converter OG system.

converter; OG system; venturi tube with diameter adjustable; dusting

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.02.004

TE 88

A

1671-6620(2016)02-0097-05