转炉湿式电除尘器气流仿真研究

2023-10-10刘国华

冶金能源 2023年5期

刘国华陶迎陈兵

(1.重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，2. 中冶赛迪信息技术(重庆)有限公司)

转炉煤气净化及回收系统是转炉冶炼单元的重要组成部分，对转炉稳定生产和环境保护有重要作用。转炉一次除尘有两条工艺路线，即以OG法为代表的湿法净化回收工艺和以LT法为代表的干法净化回收工艺。OG法采用水洗的方式进行烟气除尘，其烟气排放浓度可降低到50 mg/m3以内。LT法利用蒸发冷却器与静电除尘相结合的方式进行粉尘捕集，除尘效率高，烟气排放浓度可稳定在10～20 mg/m3，能耗低，无污水处理，回收煤气量大且热值高，是目前冶金行业鼓励使用的技术。随着国家对重点区域内钢铁企业排放改造工作的推进，为实现环保绩效A类企业的目标，企业迫切需要不停炉的前提下对现有除尘系统进行改造，满足转炉一次烟气超低排放要求。湿式电除尘技术不仅高效，而且湿法净化回收工艺和干法净化回收工艺改造里均可使用，同时考虑改造项目可用场地面积普遍偏小，湿式电除尘器采用立式蜂窝结构。

跨境人民币业务范围不断扩大。建成了以云南为枢纽，辐射东南亚、南亚，延伸至欧洲、美洲、大洋洲及非洲的跨境人民币清算、结算网络，促进了人民币区域化、国际化。截至6月末，全省银行与境外84个国家（地区）建立了跨境结算渠道，其中涉及参与“一带一路”国家（地区）达34个，境外银行在云南省银行开立人民币同业往来账户87户，境外机构在全省银行开立非居民人民币账户1759户。

立式蜂窝结构的湿式电除尘器内部烟气流速分布的均匀性对除尘效率影响很大[1]。影响气流均布的参数很多，包括导流板的数量、位置，多孔板的开孔率、孔型、孔径，以及均布板的间距。为了提高烟气流速分布的均匀性，一般需在气流进口处设置导流板、均布板，通过工程设计不断摸索，获得较为合理的均流设计方案。

传统的电除尘器厂家为了取得较好的除尘效率，根据相似原理[2]，按一定比例(通常选取1/8～1/16)进行电除尘器气流分布模型试验。这种做法虽然有效，但却不高效，耗费大量精力的同时，又提高了产品的设计成本。随着仿真技术的成熟发展，计算机硬件能力的提高，通过仿真模型可快速计算出不同设计方案下电除尘器内部流场的均布情况并寻求最优解。

1 仿真计算模型

1.1 模型建立

文章研究了湿式电除尘器气流均匀性的处理技术，参考目前工程中常用的卧式电除尘器气流均布板的设计方案，结合气流仿真的目标值和合理成本等因素，设计了导流板+2层多孔板结构的新方案，用于处理湿式电除尘器内部气流的均匀性问题。该设计方案中，多孔板是影响电除尘器内部气流均匀性的关键部件。湿式电除尘器的外轮廓直径为7.6 m，多孔板的开孔直径为0.06 m，多孔板的厚度为0.006 m，因此按照多孔板的实际结构进行全尺寸的三维建模，整个计算域网格数量过大。考虑到实际模型的可操作性和合理性，在建立仿真模型时，采用多孔阶跃模型(Porous Jump)对多孔板结构进行简化处理，用来模拟烟气通过多孔板前后所形成的压力降。

具体方法为，在湿式电除尘器内部多孔板实际位置处建立无厚度的面，并将其设置为多孔阶跃模型。多孔阶跃本质上是多孔介质(Porous Media)模型的一维形式，而多孔介质模型就是在动量方程中添加一个代表动量消耗的源项来模拟多孔介质的作用，源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成。对于简单均匀的多孔介质，如多孔板、筛子等，其源项方程可以简化为：

(1)

式中：Δp为压力变化值；Δx为多孔板厚度；右侧第一项为粘性损失项；右侧第二项为惯性损失项；α为孔板的面渗透性系数(face pemeability)；μ为流体的动力粘度；C2为孔板的压力阶跃系数(Pressure-Jump Coefficient)；ρ为流体密度；v为流体速度大小；vi为流体速度在x、y、z方向上的矢量值。

新辅助放化疗具体方案为：术前行三维适形放射治疗，范围包括肿瘤部位及可能转移或已转移的淋巴结区域，放疗剂量2 Gy/次，每周5次，总共46 Gy。同时给予化疗，本研究中患者选择的化疗方案为MAYO方案，具体：第1～5天，每天给予患者亚叶酸钙(CF)200 mg/m2、5-氟嘧啶(5-Fu)425 mg/m2，每4周重复1次，为1个疗程，整个治疗过程共6个疗程。对于放化疗过程中出现的不良反应均积极对症处理。治疗结束后4周，重新评估患者的临床分期，并制定手术计划。

首先，对违法行为严肃追究。严肃查处超剂量使用兽药和饲料添加剂的违法行为。进一步加强联合执法，畜牧行政部门应该与司法部门加强沟通联系，强化案件处理力度，通过严肃处理违法行为，提高违法成本，震慑违法分子。同时，还应该严格按照国家法律法规，落实好畜产品质量安全监管职责，构建完善的绩效考核制度和责任追究制度[3]；其次，畅通投诉举报渠道。设立投诉举报电话，构建畜产品质量安全投诉举报信息平台，及时处理和反馈公众投诉举报。全面推行有奖举报制度，扩大社会监督。推进诚信体系建设，建立违法违规“黑名单”制度，对不法生产经营者依法公开其违法信息，营造良好信用环境。

多孔阶跃模型适用于面区域，具有更强的计算稳定性和收敛性，模拟时需要对孔板的面渗透性系数、压力阶跃系数和孔板厚度三个参数进行设置。

1.2 多孔板阻力特性求解

多孔板作为一种常用的流量计量装置，广泛应用于化工、民用、冶金等领域。在多孔板的研究中，面渗透性系数和压力阶跃系数是计算多孔板简化模型阻力特性的两个重要参数。这两个系数的准确求解对于多孔板的阻力特性计算结果具有显著的影响。因此，研究孔板的面渗透性系数和压力阶跃系数的求解方法，对于提高采用多孔板简化模型的湿式电除尘器流场仿真模型的准确性有非常重要的意义。目前常用的求解方法包括：经验公式求解法，压降—流速拟合求解法。

(1)经验公式求解

对于多孔板结构，Fluent软件提供了经验公式(2)进行求解。

(2)

根据前文所得两组系数C2和α，采用多孔阶跃模型对多孔板进行简化处理。验证模型的入口速度选取流速设计中间值和极大值，以便观察不同流速下拟合验证效果的差异。这里对进口速度为2和5 m/s两种工况进行仿真计算，计算结果见表2和表3。

在多孔板中，流体质量流量计算公式为：

(3)

由图1可见，随着酸醚比的增大，水泥净浆流动度呈先增大后减小的趋势，这是由于当酸醚比较低时，随着酸醚比的增加，羧酸基团比例增加，有效吸附量增大，分散性能提高，但当酸醚比增大到一定程度后，过多的羧酸基团可能导致吸附过快，减水剂的的减水率却降低。因此选择酸醚比为3:1较为适宜。

作为一枚职业家庭斜杠女性，我也有我的英雄梦想啊！我的梦想就是永远不用开会，再也不要跟脑残同事们扯皮，爱听啥听啥，喜欢谁跟谁聊天……可一转念，有了这些大屏小屏，这一切明明都实现了呀！

(4)

相比于局部阻力损失，多孔板沿程阻力损失可以忽略不计，即压降主要为局部阻力损失，因此由公式(1)可以简化得到：

(5)

联合求解公式(4)和(5)，可以得到孔板压力阶跃系数：

(6)

在Hypermesh软件中对该几何模型进行网格划分，采用结构化网格，对计算域进、出口以及多孔板附近网格进行加密处理，网格总数约700万，网格最低质量为0.61、最大偏斜度为0.55、最大长宽比为5.2。

该设计方案中多孔板开孔率设计为50%，厚度t=6 mm，代入公式(6)求得C2=520.6，对于厚度极小的薄板，其粘性阻力损失相对于惯性阻力损失非常小，基本可以忽略不计，粘性阻力损失项接近为零，故利用fluent软件仿真计算时，面渗透性系数α可以取一个较大的数值，取α=1010。

12月10日，联合国教科文组织政府间海洋学委员会西太平洋分委会，向国际社会正式发布“‘21世纪海上丝绸之路’海洋环境预报系统”。该系统由自然资源部第一海洋研究所研发。

该设计方案中，湿式电除尘器多孔板设计厚度t=6 mm，圆孔开孔直径D=60 mm，此时t/D=0.1，不满足上述经验公式t/D>1.6的要求，因此，这里采用压降—流速拟合求解的方式进行求解。有实验数据时，直接用实验数据中的压降、流速测试结果进行拟合；没有实验数据时，新建一个仿真模型，通过仿真的压降、流速数据进行拟合。

参照湿式电除尘器内多孔板设计参数，建立一个直径为300 mm、厚度为6 mm、开孔率为50%、孔径为60 mm的几何模型。多孔板前端和后端均为直筒，前端长度为1.5 m，后端长度为1.8 m。传统立式蜂窝管结构的湿式电除尘器内部烟气流速设计范围一般为0～5 m/s，模型入口速度应与之匹配，入口空气温度参照实际工况设定为70 ℃。

当t/D>1.6且Re>4 000时，系数C可以取值0.98。

联合求解公式(2)和公式(3)，同时Δx=t，则有：

一位还没有恋爱对象的被访者说：“我到单位后，很多热心的前辈为我介绍对象，但是我现在还不想考虑这个问题，因为如果有可选择的工作，也许我会换工作。而他们大部分想给我介绍的是同行。所以，我暂时不能考虑这个问题。”

利用上述多孔板模型进行多个工况的计算时，具体模型选取及边界设置如下：

一是农民认识不高，环保意识不强。秸秆焚烧的主体是农民，由于农民的文化教育水平不高，对秸秆焚烧的危害认识比较肤浅。以沅江市南嘴镇的部分村民为例，在多年的耕种中，秸秆主要是焚烧为主，稻谷秋收之后，选择天气较好的时段直接焚烧，部分农民没有认识到焚烧秸秆不但会影响天气质量，而且还有可能带来巨大的安全隐患，甚至引发大面积的火灾，危害人们群众的财产安全。因此，农民环保意识不足，认识不到焚烧秸秆会给环境污染带来严重的危害，是秸秆禁烧难的主要原因。

湍流模型：Realizablek-ε湍流模型；

流体：空气，密度为1.02 kg/m3；

进口边界：速度进口，速度为20.7 m/s；

出口边界：压力出口，压力值为大气压。

(2)压降—流速拟合求解

模型中的多孔板具有节流作用，烟气在多孔板附近的流向、速度将发生改变，会产生较大的压降。同时，在多孔板附近会产生较多的涡流，影响正常的压力测量。因此多孔板前端和后端位置的确定原则是选择压力基本稳定的平面，文章选取的多孔板前端位置距多孔板0.5 m，多孔板后端位置距多孔板0.7 m。

应用多孔板模型，在不同进口速度的条件下，计算得到多孔板前端和后端的压降，具体数据汇总见表1。根据汇总的数据，结合多项式拟合方法，完成压降—流速二次多项式拟合，二次拟合函数为y=0.546x2+0.027x。

表1 多孔板前端和后端的压降以及具体拟合数据

根据式(1)中介绍的多孔介质原理可知：

0.546=C2×0.5×ρ×t

(7)

0.027=μ/α×t

(8)

式中：ρ为气体密度，取1.02 kg/m3；t为多孔板厚度，取6 mm；70 ℃的空气动力粘度μ取2.04×10-5Pa·s；根据公式(7)可以求解得出压力阶跃系数C2=178.43；根据公式(8)可以求解得出面渗透性系数α=4.53×10-6。

(3)拟合参数验证

表2 进口速度为2 m/s时不同计算方法的速度标准差

表3 进口速度为5 m/s时不同计算方法的速度标准差

由表2和表3可知，在相同的计算方法及边界条件下，速度标准差与气流速度、目标平面的位置密切相关。对于多孔板模型，出口0.4 m处的速度标准差较大，这是因为该处气流未完全稳定，可不做比较。不同进口速度下的速度标准差值不同。在同一速度下，随着目标平面与多孔板距离的增大，多孔板模型与压降—流速拟合求解模型的速度标准差的差值减少。该设计方案中开发的湿式电除尘器烟气设计速度在2 m/s左右，电除尘器内收尘管底部与多孔板距离约1.8 m，整个电除尘器计算模型网格数量在900万左右。结合湿式电除尘器的具体情况，重点关注表3中出口1.6 m处的速度标准差值，采用压降—流速拟合求解模型计算的速度标准差与实际多孔板模型计算速度标准差的相对差值在15%以内，说明仿真结果具有较好的参考价值。

2 流场仿真设计

2.1 初始方案

在设计过程中，需要根据仿真结果找出导致湿式电除尘器收尘区域气流不均匀的原因，调整导流板的数量、位置等参数，对流场进行优化。根据电除尘器仿真结果进行多次优化，以满足湿式电除尘器内气流均匀性要求。设计方案以120 t转炉用直径7.6 m湿式电除尘器为例进行流场仿真，工艺流程为烟气从设备底部的入口处水平进入到湿式电除尘器内部，沿设备筒体向上流入收尘区域，实现烟气和粉尘的分离。收尘区域的收尘蜂窝管需要利用喷淋水定时冲洗实现清灰，带有粉尘的冲洗水落入排水槽经排水管进入水循环系统。收尘区域由280根正六边形的蜂窝状收尘板组成。

Bivariate copula: t (par = -0.2, par2 = 15.76, tau = -0.13)

湿式电除尘器数值仿真模型边界设置如下：

1990年，德国数学家Stefan Hilger在他的博士论文中建立了时标理论，即一种连续和离散计算的统一方法.考虑到概周期现象较周期现象更为常见、自然界会受到人类的开采等因素的影响以及非自治系统更能精确地描述实际情况，本文研究时标上具反馈项和Holling-type Ⅱ类功能性反应的修正Leslie-Gower捕食模型

湍流模型：Realizablek-ε湍流模型；

流体：烟气，密度为1.02 kg/m3；

山水画的笔墨总是在概括一山一水的自然物象，一时一地的风土人情，正如宋代郭熙对不同地方的山的描写也不同：“嵩山多好溪，华山多好峰，衡山多好别岫，常山多好列岫，泰山特好主峰。天台、武夷、庐霍、雁荡、岷峨、巫峡、天坛、王屋、林虑、武当皆天下名山巨镇，天地宝藏所出，仙圣窟宅所隐，奇绝神秀，莫可穷其要妙。欲夺其造化，则莫神于好，莫精于勤，莫大于饱游饫看，历历罗列于胸中。”

进口边界：速度进口，速度分别为0、0.6、0.8、1.2、1.6、2.5、3.5、4.5、5 m/s；

出口边界：压力出口，压力值为大气压；

多孔板简化：采用多孔阶跃模型，面渗透性系数α设置为4.53×10-6，压力阶跃系数C2设置为178.43。

采用相对均方根差对电除尘流场进行评判[2]。

(9)

湿式电除尘器电场横截面气流分布均匀性要求为σr≤0.25。

初始方案下，280根蜂窝管进口端0.5 m处气流速度分布计算结果表明，280根蜂窝管内气流速度分布明显不均匀，中间区域存在局部高速，远端存在局部低速。为了更好地分析蜂窝管筒体内气流均匀性，对每根蜂窝管内烟气流速进行了统计。

由统计结果可知，280根蜂窝管中单根蜂窝管内烟气最小流速为0.853 m/s，最大流速为1.933 m/s，而理想分布时平均流速应该为1.376 m/s；蜂窝管内烟气速度标准差为0.293 m/s，相对均方根差值为0.213。单根管内烟气流速过大不仅影响该收尘管捕集烟气粉尘的效率，还会降低设备的整体收尘效率，因此，文章重点关注的是蜂窝管内烟气流速偏离上限值的蜂窝管的数量。280根蜂窝管中单根蜂窝管内烟气流速大于1.65 m/s(偏离理想分布的平均流速1.376 m/s约20%，后文称之为偏离上限值)的蜂窝管数量为72根，占收尘管总数的25.7%。

2018年4月23日，海口市美兰区法院以李向国犯受贿罪，判处有期徒刑四年六个月，并处罚金50万元。2008年3月至2015年9月间，李向国先后收受165万，用于个人消费和家庭开销。

2.2 优化后方案

根据初始方案的仿真结果，保持模型的边界条件不变，利用田口正交试验法确定试验方案，对湿式电除尘器设备筒体底部导流板位置、尺寸、长度、个数以及两层多孔板间距等影响仿真结果的参数进行优化仿真分析。经过数十次的仿真计算后，从仿真结果里取出最优值，优化后蜂窝管进口端0.5 m处烟气流速分布结果显示烟气流速分布虽然仍存在一定的局部高速区和局部低速区，但与初始方案相比，流速相对更加均匀。

对每根蜂窝管内烟气流速进行了统计，结果显示：单根蜂窝管内烟气最小流速为0.72 m/s，最大流速为1.855 m/s；理想分布时平均流速为1.376 m/s，标准差为0.233 m/s，烟气流速相对均方根差值为0.169；280根蜂窝管中，单根蜂窝管烟气流速大于1.65 m/s(偏离上限值)的蜂窝管数量为16根。优化后，烟气流速相对均方根差值和单根蜂窝管烟气流速大于偏离上限值的数量均有所降低，气流均匀性得到改善，具体对比见表4。

表4 湿式电除尘器蜂窝管内烟气流速

3 工程应用情况

基于上述流场仿真研究的成果，开发了适用于80～300 t转炉的多个规格的防爆节能型湿式电除尘器，安装在原湿/干式除尘系统后，并成功应用于多家钢铁企业转炉一次除尘系统超低排放改造工程项目。经检测，现场设备运行情况良好，排放出口粉尘质量浓度满足超低排放要求，具体参数见表5。需要说明的是，由于原转炉一次除尘系统已经使用多年，除尘效率相比新建成的系统已有所下降，无论是湿法除尘系统还是干法除尘系统，其处理后的烟气粉尘质量浓度均大于设计值。