除尘装置对三偏心蝶阀区域粉尘沉降抑制效能的仿真分析

王立新,王 斌

(河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 050018)



除尘装置对三偏心蝶阀区域粉尘沉降抑制效能的仿真分析

王立新,王 斌

(河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 050018)

高炉煤气含大量粉尘,易在管道内三偏心蝶阀阀座密封面底部板结,影响阀板转动或损坏密封面,影响高炉生产并造成经济损失.为阻止粉尘在蝶阀阀座密封面底部板结,采用Pro/E设计了蝶阀区域的粉尘自动清除装置.基于ANSYS Workbench的FLUENT模块,选择标准k-ε模型和DPM模型,对不同阀板开度(15°,30°,45°,60°,75°和90°)时蝶阀区域粉尘沉降轨迹进行了仿真模拟,分析了除尘装置对粉尘沉降特性的影响规律.结果显示:阀板开度30°,45°,60°,75°和90°时,除尘装置均能使三偏心蝶阀阀座密封面底部粉尘板结质量显著降低; 阀板开度90°时板结粉尘清除率可高达80.7%; 而阀板开度15°时,除尘装置未体现明显除尘效果.

流场数值模拟; 除尘装置; 阀板开度; 粉尘沉降抑制; 三偏心蝶阀

高炉煤气(Blast Furnace Gas,BFG)含有大量粉尘.这些粉尘与BFG中水分混合,易板结于BFG管道中蝶阀阀座密封面底部,导致阀板运动受阻或密封面损坏,失去调节作用进而影响高炉生产.针对此问题,传统解决方法为人工刮板刮削,效率低下且自动化程度低.针对上述板结粉尘清除方法存在的问题,设计了BFG管道蝶阀阀座密封面粉尘自动清除装置,在保证高炉正常生产的同时,能够实现对BFG粉尘在蝶阀阀座密封面底部区域沉降的实时抑制.设计过程中,需对装置效能进行仿真分析.

目前主要通过仿真分析方式进行流场中颗粒运动特性研究,而关于BFG管道粉尘清除的研究主要集中于除尘工艺的分析与改进[1-4].此外,关于BFG管道蝶阀区域粉尘沉降规律与沉降抑制的模拟分析研究较少.本文使用Pro/E建立了BFG管道蝶阀区域流场与粉尘自动清除装置模型,使用ANSYS Workbench的FLUENT模块,对比模拟分析了无除尘装置与含除尘装置条件下不同阀板开度时蝶阀区域粉尘沉降特性并验证了所设计除尘装置的除尘效能.研究结果可为适合实际高炉生产工况的BFG管道蝶阀阀座密封面底部粉尘自动清除系统研制提供理论支持.

1 模型建立

1.1 流场三维模型建立

选择DN600三偏心金属硬密封蝶阀作为研究对象.使用Pro/E分别建立蝶阀与蝶阀阀座密封面底部粉尘自动清除装置模型,如图1、图2所示.其中,除尘装置使用不锈钢管作为材料穿过并焊接于蝶阀阀体,通过持续向管道蝶阀区域BFG流场通入工作介质(N2)达到改变流场特性,影响粉尘颗粒运动进而阻止其向沉积面沉降的效果; 装置位于蝶阀上游,距阀座密封中心面106.7 mm; 装置包含弧形风管(圆弧中心半径290 mm,内、外径分别为20 mm和26 mm)、直风管(内、外径分别为18 mm和24 mm)、风孔(直径8 mm,共8个,间隔15°,均匀分布于弧形风管径向圆弧对称面两侧)和端盖等4种特征.使用Pro/E分别建立无除尘装置和含除尘装置条件下的蝶阀区域流场模型,含蝶阀、除尘装置等主要特征的蝶阀区域流场局部示意图如图3所示.拟选取6种阀板开度条件(15°,30°,45°,60°,75°和90°)分别进行除尘效能对比分析.为减小BFG管道蝶阀区域入口与出口边界对流场的影响,拟以阀座密封径向中心面为基准截取约5倍(3 000 mm)和10倍(6 000 mm)管道直径(610 mm)长度作为蝶阀上、下游流场计算域[5].

1.2 网格划分

为提高计算精度同时减少计算量,忽略几何尺寸较小或对蝶阀性能影响较小的阀板密封圈、筋板与阀杆间隙、阀板正面销钉、阀板背面凹坑和螺栓等蝶阀模型特征; 同时选择混合网格划分方式:对结构复杂部分或关键部位如蝶阀、除尘装置等采用非结构四面体网格,对流场入口段(2 500 mm)和出口段(4 000 mm)采用结构化六面体网格.设定流场中间段(2 500 mm)内阀板的面网格尺寸0.015 mm,除尘装置与阀座密封面的网格尺寸0.005 mm,其他特征的面网格尺寸0.03 mm,如图4所示.

图1 含除尘装置的蝶阀几何模型

图2 除尘装置几何模型

图3 含除尘装置的蝶阀区域流场几何模型(局部)

图4 含除尘装置的蝶阀区域流场网格(局部)

1.3 理论模型选择

控制方程采用Navier-Stokes方程,采用Launder和Spalding提出的标准k-ε湍流模型对气相湍流进行描述; BFG入口粉尘质量浓度为10 g·m-3[6],经计算其在蝶阀区域体积浓度远小于10%,故粉尘颗粒采用拉格朗日离散相(Discrete Phase Model,DPM)模型; 数学方程详见文献[7-8].

2 基本设置

2.1 假设条件

为便于仿真分析,对实际工况复杂的蝶阀区域流场进行如下简化性假设:

① 管道与蝶阀为刚体,即流体介质冲击产生的轻微振动可忽略;

② 气相为不可压缩流体[9],即密度为常数;

③ 流场温度恒为773 K,与外界无热交换; 同时因只与温度有关而与压力无关,气相参数恒定;

2.2 边界条件设置

设定流场的气相入口(inlet)使用速度入口,10 m·s-1; 流场的除尘装置工作介质入口(inlet2)使用压力入口,0.25 MPa; 流场的出口(outlet)使用压力出口,0.25 MPa; 设定蝶阀阀座密封底部(y方向)半个曲面作为粉尘沉积面.

2.3 参数设置

2.3.1 气相参数设置

使用CO2、CO和N2模拟BFG进行仿真分析[10].293K、1标准大气压下,体积分数分别为:CO2(20%),CO(25%)和N2(55%)[10-11].基于以上BFG成分及体积分数,并依据NIST-REFPROP数据库,气相成分在BFG管道蝶阀区域773 K,0.25 MPa工况下的其他参数如表1所示.

2.3.2 离散相参数设置

设定BFG粉尘颗粒初速度与气相入口流速相同,在入口管道平面沿z+方向朝流场中均匀喷射30 s;依据管道直径、气相入口流速和BFG粉尘含量,设定管道入口粉尘总质量流率(单位时间内经气相入口管道平面进入流场的粉尘质量)为0.029 2 kg·s-1.查得某钢厂BFG粉尘粒径分布[12]如表2所示.为符合生产工况且使计算结果更准确,使用Rosin-Rammler分布函数进行粉尘颗粒粒径分布细化,所得参数如表3所示.

表1 气相参数

表2 BFG粉尘粒径分布

3 结果与分析

3.1 结果

分别获得了无除尘装置与含除尘装置、工作介质入口压力0.25 MPa条件下不同阀板开度时蝶阀区域沉积面上BFG粉尘沉积质量m1，m2以及粉尘清除率r(r=(m1-m2)/m1×100%),如表4所示:阀板开度30°，45°，60°，75°和90°时,除尘装置均能使沉积面粉尘板结质量显著降低; 阀板开度90°时粉尘清除率可达80.7%; 而阀板开度15°时,含除尘装置条件下沉积面上粉尘沉积质量增大,除尘装置无明显除尘效果.

3.2 分析

颗粒的运动分布与流场的发展变化有关,速度与涡结构是影响气相流场中颗粒运动的主要因素[13].由于颗粒对流场质点的跟随性,流场速度影响颗粒速度,或者动量(惯性),即影响颗粒保持自身运动状态的能力; 流场中涡结构呈现卷吸颗粒的趋势,涡结构强弱与流场速度有关.

表3 BFG粉尘颗粒粒径Rosin-Rammler分布参数

表4 BFG粉尘沉积质量与清除率

由于0.5 s时流场已趋于稳定,为分析除尘装置对蝶阀区域粉尘沉降特性影响规律,选择第5 s时流场计算域中蝶阀阀座密封径向中心面(径向截面)以及计算域被yz坐标平面所截平面(轴向截面)对流场进行分析,所得流场速度矢量分布分别如图5,6所示.图5，6标尺的物理量为高炉煤气速度，单位为m·s-1.

(1) 阀板开度30°,60°,75°和90°时,含除尘装置条件下径向截面上沉积面附近流场速度矢量大部分呈现沿沉积面弧线切向分布趋势,部分位置流场速度矢量背离沉积面且流场中存在涡结构卷吸粉尘颗粒,能够抑制粉尘朝向沉积面的沉降运动,使沉积质量显著减少; 其中阀板开度90°时,由于沉积面附近流场速度矢量背离沉积面位置由30°，60°和75°时的2处大幅增多至8处,沉积质量减少最为显著,粉尘清除率高达80.7%.

图5 径向截面上沉积面附近流场速度矢量分布

图6 轴向截面上沉积面附近流场速度矢量分布

(2) 阀板开度15°时,无除尘装置与含除尘装置条件下径向截面上沉积面附近流场速度矢量分布均匀且相近,但含除尘装置条件下轴向截面上沉积面附近流场速度矢量向沉积面倾斜,有利于粉尘朝向沉积面的沉降运动而造成沉积质量增大,粉尘清除率为-37.2%,即不具有明显除尘效果.

(3) 阀板开度45°时,含除尘装置条件下径向截面上沉积面附近流场速度矢量大部分呈现沿沉积面弧线切向分布趋势且类似90°时有多处位置流场速度矢量背离沉积面,不利于粉尘朝向沉积面的沉降运动而使沉积质量减少,粉尘清除率可达37.6%;但因除尘装置内部出现逆流(BFG流向除尘装置内部)而不具备实际应用潜能.

4 结论

为抑制BFG粉尘在管道蝶阀阀座密封面底部沉积,设计了粉尘自动清除装置并对其除尘效能进行了仿真分析.获取以下结论:

(1) 阀板开度为30°，60°，75°和90°时,径向截面上沉积面附近流场速度矢量大部分呈现沿沉积面弧线切向分布趋势,部分位置流场速度矢量背离沉积面且流场中存在卷吸粉尘颗粒的涡结构,能够抑制粉尘朝向沉积面的沉降运动,具有显著除尘效能; 其中阀板开度为90°时粉尘清除率高达80.7%;

(2) 阀板开度为45°时,粉尘清除率可达37.6%,但因BFG流向除尘装置内部而不具备实际应用潜能;

(3) 阀板开度为15°时,轴向截面上沉积面附近流场速度矢量向沉积面倾斜,有利于粉尘向沉积面运动而造成沉积质量增大,故不具有明显除尘效果.

[1] 乐庸亮,程树森.布袋除尘系统内煤气流运动的数值模拟[J].武汉科技大学学报,2014,37(6):444-449.

LE Yongliang,CHENG Shusen.Numerical Simulation of Gas Flow in Bag Dust Removal System[J].Journal of Wuhan University of Science and Technology,2014,37(6):444-449.

[2] 廉继尧,夏凤毅,沈洲.新型复合除尘器的设计及数值模拟[J].中国计量学院学报,2015,26(1):70-74+86.

LIAN Jiyao,XIA Fengyi,SHEN Zhou.Design and numerical simulation of a new precipitator[J].Journal of China University of Metrology,2015,26(1):70-74+86.

[3] WINFIELD D,PADDISON D,CROSS M,et al.Performance comparison of a blast furnace gravity dust-catcher vs.tangential triple inlet gas separation cyclone using computational fluid dynamics[J].Separation and Purification Technology,2013,115:205-215.

[4] WINFIELD D,CROSS M,CROFT N,et al.Performance comparison of a single and triple tangential inlet gas separation cyclone:A CFD Study[J].Powder Technology,2013,235:520-531.

[5] XUE Guansong,LIN Wang,BAEK S H,et al.Multidisciplinary optimization of a butterfly valae[J].ISA Transactions,2009,48(3):370-377.

[6] 邹永安.高炉煤气布袋除尘技术的发展与展望[J].四川冶金,2008,30(5):55-64.

ZOU Yongan.Development and prospect of the bag-type dust removing technology for blast furnace gas[J].Sichuan Metallurgy,2008,30(5):55-64.

[7] 张海红.旋风分离器流场与分离性能的数值模拟研究[D].郑州:郑州大学,2004.

ZHANG Haihong.Numerical Simulation of Cyclone Separator Flow Field and Separation Performance[D].Zhengzhou:Zhengzhou University,2004.

[8] CHUAH T,GIMBUN J,CHOONG T S,et al.A CFD study on the effect of cone dimensions on sampling aero-cyclones performance and hydrodynamics[J].Powder Technology,2006,162(2):126-132.

[9] 罗惕乾,程兆雪,谢永曜.流体力学[M].第3版.北京:机械工业出版社,2007:1-385.

LUO Tiqian,CHENG Zhaoxue,XIE Yongyao.Fluid Mechanics[M].3rd ed.Beijing:China Machine Press,2007.

[10] Winfield D,Croft N,Cross M,et al.Incorporating dust lift-off into a CFD model of a blast furnace gravity dust-catcher[J].Applied Mathematical Modelling,2013,37(16-17):7891-7904.

[11] 王洪宾.高炉炉顶煤气分析系统的研究与应用[D].沈阳:东北大学,2012.

WANG Hongbin.Research on gas analysis system of blast furnace top and its application[D].Shenyang:Northeastern University,2012.

[12] 古王胜,邓茂忠.高炉瓦斯灰的无害化处理及综合利用[J].粉煤灰综合利用,1997,(3):54-56.

GU Wangsheng,DENG Maozhong.The innocuitifing treatment for the dust furnace gas and its utilization[J].Fly Ash Comprehensive Utlization,1997,(3):54-56.

[13] 李相鹏,周昊,岑可法.涡结构对小颗粒在圆管背风面碰撞分布的影响[J].浙江大学学报:工学版,2006,40(4):605-609.

LI Xiangpeng,ZHOU Hao,CEN Kefa.Influences of vortices on impaction and distribution of small ash particles on rear side surface of boiler tube[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2006,40(4):605-609.

Simulation and analysis on dust deposition suppression efficacy in tri-eccentric butterfly valve region of dust removal system

WANG Li-xin,WANG Bin

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Due that the blast furnace gas in the pipeline contains a large amount of dusts, the seat sealing bottom of tri-eccentric butterfly valve is easily deposited and hardened.By producing stuck or sealing surface damage of valve plate, the blast furnace product is impacted on economic loss.To stop the dust deposition, a specific automatic dust removal system is designed via Pro/ETM.Based on the FLUENTTM module of ANSYSTM Workbench, along with standard and DPM models, the simulations on dust deposition tracks in the butterfly valve region under different valve plate jaw openings, such as 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°, are conducted.Meanwhile, the influence mechanism of dust removal system on dust deposition properties is analyzed.Therefore, it is indicated that the dust removal system reduces the dust deposition on the seat sealing bottom of tri-eccentric butterfly valve, excluding the valve plate jaw opening of 15°, whereas a better efficacy can be obtained with a dust removal rate of 80.7% under the valve plate jaw opening of 90°.

flow field numerical simulation; dust removal system; valve plate jaw opening; dust deposition suppression; tri-eccentric butterfly valve

河北省高等学校科学技术研究青年基金(Q2012073)

王立新(1981-),男,博士,硕士生导师.E-mail:ck_021@tom.com

TP 319; TF 547.2

A

1672-5581(2016)03-0271-06