基于CFD的非對(duì)稱噴霧蒸發(fā)冷卻器的工藝設(shè)計(jì)

劉偉忠

(攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司提釩煉鋼廠，四川 攀枝花 617023)

0 前言

攀枝花鋼釩公司煉鋼廠有7座120 t轉(zhuǎn)爐，具備600萬噸鋼和25萬噸精釩渣的生產(chǎn)能力，其中3座120噸頂?shù)讖?fù)吹老轉(zhuǎn)爐原設(shè)計(jì)產(chǎn)能150萬噸/年，實(shí)際產(chǎn)能達(dá)300萬噸/年，該轉(zhuǎn)爐采用半鋼煉鋼，即碳含量約3.65%，入爐C含量比普通鐵水低0.5%以上，吹煉時(shí)供氧強(qiáng)度低。由于主要原料鐵水比高、廢鋼比低，提釩后半鋼Si、Mn含量低，主要熱量來源是C的氧化放熱，容易形成粘結(jié)的煙氣。

2006年該轉(zhuǎn)爐采用雙文全濕煙氣凈化系統(tǒng)(OG法)對(duì)一次除塵系統(tǒng)和煤氣回收(或放散)進(jìn)行技術(shù)改造，外排煙氣粉塵含量達(dá)100 mg/Nm3，不滿足《煉鋼工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB28664-2012)≤50 mg/Nm3的排放要求；同時(shí)，該轉(zhuǎn)爐存在爐口冒煙頻繁、系統(tǒng)能耗高、二文易結(jié)垢堵塞和串級(jí)供水系統(tǒng)維護(hù)量大等。因此，隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)淘汰產(chǎn)能和日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)雙重影響，必須對(duì)該轉(zhuǎn)爐實(shí)施減排節(jié)能改造。

1 蒸發(fā)冷卻器的工藝技術(shù)和生產(chǎn)條件

1.1 工藝技術(shù)路線

為了轉(zhuǎn)爐煉鋼一次除塵煙氣凈化效果能夠達(dá)到50 mg/Nm3,經(jīng)過多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，選擇了半干法除塵工藝流程：轉(zhuǎn)爐爐罩 → 汽化冷卻煙道 → 蒸發(fā)冷卻器→ 噴霧洗滌除塵器 → 環(huán)縫文氏管→脫水器→煤氣引風(fēng)機(jī)→煤氣回收，或點(diǎn)火放散。即預(yù)判擬采用蒸發(fā)冷卻器+噴霧洗滌除塵器+環(huán)縫文氏管半干法工藝，整體替換現(xiàn)有溢流內(nèi)噴文氏管+灰泥捕集器+RD文氏管濕法工藝，實(shí)現(xiàn)粉塵達(dá)標(biāo)排放。

1.2 工廠實(shí)際生產(chǎn)條件

三座轉(zhuǎn)爐并列布置，中心距24 m，轉(zhuǎn)爐爐體與爐體之間真實(shí)有效空間距離不足3 m，一次除塵系統(tǒng)穿越+15.6 m、+22.5 m、+37.5 m、+45 m、+9 m、+0 m等多層平臺(tái)，緊湊布置。測算蒸發(fā)冷器外形幾何尺寸為Ф4500×13200。

(1)

式中，D為蒸發(fā)冷卻器直徑，m；Q為蒸發(fā)冷卻器煙氣量，m3/h；V為蒸發(fā)冷卻器煙氣斷面流速，m/s；H=Vt，H為蒸發(fā)冷卻器煙氣高度，m；t為水霧完全水汽化時(shí)間，s。

1.3 煙氣原始狀態(tài)參數(shù)

(1)煙氣量與濃度。平均煙氣量76 427 Nm3/h，初始粉塵濃度120～150 g/Nm3。其它參數(shù)見表1。

表1 半鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐一次除塵系統(tǒng)全流程工藝 技術(shù)參數(shù)現(xiàn)狀

(2)半鋼煉鋼一次除塵煙氣粉塵主要成分及粒度分布見表2、表3。

表2 半鋼煉鋼一次除塵煙氣粉塵主要成分

表3 半鋼煉鋼一次除塵煙氣粉塵粒度分布 %

1.4 介質(zhì)條件

(1)供水能力。濁環(huán)水、凈環(huán)水和新水補(bǔ)充能力滿足現(xiàn)有三座轉(zhuǎn)爐同時(shí)生產(chǎn)，其中濁環(huán)水采用串級(jí)供水。

(2)氮?dú)饽芰ΑS房內(nèi)有DN200中壓氮?dú)夤艿?，壓?.0～1.1 MPa，供氣能力約10 000 Nm3/h，供1#～3#轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐使用，可同時(shí)供兩座爐生產(chǎn)。

1.5 參數(shù)條件與功能目標(biāo)值

所采用的接入式蒸發(fā)冷卻器參數(shù)見表4。

表4 蒸發(fā)冷卻器的參數(shù)條件與功能目標(biāo)值

2 非對(duì)稱噴霧蒸發(fā)冷卻器的CFD方案設(shè)計(jì)

結(jié)合蒸發(fā)冷卻器的邊界條件，針對(duì)半鋼煉鋼工藝的煙氣特征，配置三級(jí)霧化的高效雙介質(zhì)噴槍，利用流體工程控制原理，采取CFD方案設(shè)計(jì)。

2.1 半鋼煉鋼的工藝特性

(1)半鋼里不含硅錳等元素，提前進(jìn)入C-O反應(yīng)劇烈期，迅速生成大量CO與空氣O接觸易燃爆；

(2)半鋼成渣元素含量低，需加酸性渣料等造渣原料，造渣工藝復(fù)雜，爐渣易返干，使得冶煉過程粉塵量產(chǎn)生大大增加；

(3)半鋼煉鋼碳氧化時(shí)間大大提前，使得前期煙氣CO含量高，煙氣冷卻制度與鐵水煉鋼不同，蒸發(fā)冷卻控制難度增大，氧槍槍位控制與降碳速度控制難度增大[2]。

由于從轉(zhuǎn)爐出來的煙氣溫度較高，CO濃度高，控制不好，CO容易在爐口燃燒，而CO燃燒會(huì)讓進(jìn)入除塵系統(tǒng)煙氣體積迅速變大，其燃燒產(chǎn)生的熱量需要更多的水冷卻，進(jìn)一步增大蒸發(fā)出口的煙氣體積。另外，CO燃燒還會(huì)使得煙氣里的粉塵顆粒變得更細(xì)小，從而增加除塵系統(tǒng)的負(fù)荷。CO燃燒與煙氣體積及成分變化見表5。

表5 CO燃燒與煙氣體積及成分影響

2.2 噴槍選型

2.2.1 蒸發(fā)冷卻器的原理

蒸發(fā)冷卻器的原理是利用水相變時(shí)的汽化潛熱對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻，水在100 ℃汽化時(shí)吸收的熱量是水從0 ℃上升到100 ℃吸收熱量的5倍多，非常適合蒸發(fā)冷卻器用來迅速降低煙氣溫度(表6)。同時(shí)，考慮蒸發(fā)器通?？臻g有限，為了提高水的蒸發(fā)效率，將水霧化成細(xì)小的顆粒，增加與煙氣接觸的表面積是最為有效的途徑[3]。

表6 常壓下水在不同溫度的汽化熱

2.2.2 噴槍原理及選型

目前轉(zhuǎn)爐一次除塵蒸發(fā)冷卻器主要是采用蒸汽噴槍。干法工藝就是采用蒸汽霧化噴槍將水霧化后噴入蒸發(fā)冷卻塔對(duì)煙氣進(jìn)行初步降溫，半干法則采用氮?dú)忪F化雙流體噴槍對(duì)水進(jìn)行超低霧化。

氣體霧化噴槍分為外混和內(nèi)混兩種。外混是氣液兩路在噴槍內(nèi)是分開的，到噴槍出口外開始混合。外混噴槍的優(yōu)點(diǎn)是氣液在噴出前相互獨(dú)立、干擾小。對(duì)于轉(zhuǎn)爐干法除塵除了降溫還需要對(duì)煙氣進(jìn)行調(diào)質(zhì)，所以主要是采用蒸汽霧化，而外混形式也可以防止霧化蒸汽提前冷凝影響霧化效果。當(dāng)然，外混的蒸汽噴槍也可以采用氮?dú)忪F化，但耗氣量大，屬于非常不節(jié)能的用法。

內(nèi)混噴槍的氣體和液體是在空氣帽內(nèi)混合，完全霧化后再出噴槍。由于霧化效率高、需要的霧化氣量小、噴霧顆粒度更細(xì)，更加適用于蒸發(fā)冷卻器，因?yàn)榘敫煞ㄖ恍枰獙?duì)煙氣進(jìn)行降溫，沒有調(diào)質(zhì)要求，其霧化采用三級(jí)霧化原理，如圖1所示。

圖1 內(nèi)混噴槍三級(jí)霧化原理圖

第一級(jí)氣液壓差霧化,壓力氣體和液體進(jìn)入噴嘴后迅速減壓后，相互混合，完成第一級(jí)壓力霧化；第二級(jí)壓力液體進(jìn)入噴嘴后，首先打擊到靶釘上產(chǎn)生機(jī)械破碎；第三級(jí)膨脹霧化,氣液在混合室充分混合后噴霧，因壓力降低而產(chǎn)生急劇膨脹霧化。

2.2.3 “濕壁”問題

轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，煙氣量與煙氣溫度波動(dòng)較大，煙氣含塵量大，含有氧化鈣、氧化鎂等易粘結(jié)物質(zhì)，再加上煙氣從汽化冷卻煙道到蒸發(fā)冷卻塔本身存在煙氣流場不均的問題，容易將霧化后的噴霧卷攜、夾帶而撞擊蒸發(fā)器壁，造成“濕壁”，從而造成粉塵粘結(jié)在蒸發(fā)器壁的現(xiàn)象。如處理不當(dāng)，塔壁結(jié)露粘灰嚴(yán)重時(shí)，會(huì)對(duì)一次除塵系統(tǒng)造成影響。比如干法的蒸發(fā)冷卻器塔壁結(jié)露粘灰造成輸灰設(shè)備故障率高、觸發(fā)自動(dòng)控制連鎖、蒸發(fā)冷卻器運(yùn)行不穩(wěn)定引起電除塵器卸爆幾率加大或除塵效率低等問題。

2.3 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)控制方程

蒸發(fā)器內(nèi)煙氣發(fā)生是一個(gè)伴隨著氣、液兩相變化的復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，描述高溫?zé)煔鈧鳠醾髻|(zhì)的方程有質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、離散項(xiàng)受力方程、蒸發(fā)觸發(fā)條件方程、蒸發(fā)能量、蒸發(fā)質(zhì)量、R-K-ε模型方程等[4]。

2.4 CFD數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

可視化蒸發(fā)器內(nèi)煙氣流向，對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)煙氣流場情況和噴霧進(jìn)行研究分析,以設(shè)計(jì)噴槍布置方案降低塔壁積灰的風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮的影響因素有很多，包括設(shè)備外形、入口煙氣流場、入口煙氣量、煙氣溫度、噴霧顆粒、噴槍長度與布置等，如果純粹通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)影響蒸發(fā)器內(nèi)煙氣流場與噴霧分布的各種因素一一進(jìn)行研究，將耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力。因此，借助于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件——CFD來進(jìn)行多種工況的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以此來研究各種因素對(duì)除塵器內(nèi)煙氣流場與噴霧分布影響規(guī)律。通過 CFD軟件來模擬進(jìn)入蒸發(fā)冷卻塔內(nèi)煙氣流動(dòng)速度場分布、流線分布、塔內(nèi)回流區(qū)，噴霧顆粒運(yùn)行軌跡等。

2.4.1 模型建立

由現(xiàn)有工藝技術(shù)路線的實(shí)物幾何尺寸結(jié)構(gòu)，建立模型，如圖2所示。

圖2 模型示意圖

2.4.2 基礎(chǔ)流場

基礎(chǔ)流場是指熱煙氣的單相流數(shù)值分析可以獲得系統(tǒng)內(nèi)不設(shè)噴霧系統(tǒng)時(shí)的基礎(chǔ)流場分布，包括流線分布、回流區(qū)和安全區(qū)的分析，以了解系統(tǒng)內(nèi)煙氣的偏流、回流情況，為噴槍的初步布置方案提供參考。

(1)蒸發(fā)器內(nèi)流線分布。蒸發(fā)器內(nèi)流線分布如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)器內(nèi)流線分布

(2)蒸發(fā)器內(nèi)回流區(qū)域圖。圖4進(jìn)入除塵器的煙氣回流區(qū)域圖。通過對(duì)煙氣回流區(qū)域的模擬分析噴槍噴霧后的流場及分布是否合理?；亓鲄^(qū)域具有向上的分速度，流線分布比較紊亂。噴霧液滴進(jìn)入該區(qū)域會(huì)引起濕壁風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)入口煙氣含塵或者煙氣含酸性氣體時(shí)，易于引起壁面結(jié)渣或腐蝕等相關(guān)工程問題。

圖4 煙氣回流區(qū)域圖

(3)安全區(qū)。安全區(qū)具有向下的線速度，流線分布比較整齊。如圖5所示。

圖5 煙氣安全區(qū)域圖

2.4.3 噴嘴選型

圖6為按照煙氣溫度900 ℃，煙氣量90 000 Nm3/h，蒸發(fā)器直徑4.5 m，模擬該工況下需要的具體顆粒大小與數(shù)量。以此選擇系統(tǒng)需要的噴槍數(shù)量與型號(hào)，以及霧化介質(zhì)壓力與流量。模擬時(shí)可以反復(fù)試驗(yàn)最佳工藝參數(shù)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，也避免在實(shí)際項(xiàng)目中試驗(yàn)，浪費(fèi)投資與項(xiàng)目時(shí)間。

圖6 霧化顆粒分布圖

2.4.4 方案設(shè)計(jì)

半干法除了采用顆粒更細(xì)的氮?dú)鈨?nèi)混噴槍，還引進(jìn)CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真用于確定噴槍的布置，根據(jù)不同的煙氣流場來布置噴槍，減少或解決蒸發(fā)器容易出現(xiàn)的濕壁問題。即通過計(jì)算確定噴槍布置位置及長度，盡量避開蒸發(fā)器內(nèi)煙氣回流或渦旋區(qū)，有效避免了因煙氣本身流場不均導(dǎo)致的噴霧被煙氣攜帶而“撞壁”的現(xiàn)象。本文對(duì)擬定方案從分塔內(nèi)溫度分布、液滴運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、噴霧羽流和塔壁積灰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬。其主要特點(diǎn)是設(shè)備本體是偏心結(jié)構(gòu)，10支噴槍布置為非均勻布置，噴槍選型為某專業(yè)公司的FM25A。

(1)塔內(nèi)溫度分布(圖7)。

圖7 塔內(nèi)溫度分布特征

(2)液滴運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模擬。噴霧以后，按氮?dú)馀c水壓均為0.3～0.5 MPa時(shí)候的液體顆粒參數(shù)，模擬液滴運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示，當(dāng)前噴嘴布置形式及噴霧水量下，噴霧的液滴軌跡顯示能在塔直段內(nèi)完成噴霧蒸發(fā)過程。

圖8 液滴運(yùn)動(dòng)軌跡圖

(3)噴霧羽流。如圖9所示，此模擬參數(shù)條件下噴霧羽流比較集中，基本集中在設(shè)備中央，避開了回流區(qū)域。表明在當(dāng)前布置形式及噴霧條件下，能很好的避免濕壁現(xiàn)象。羽流正好處于塔中央，噴霧與煙氣作用良好。

圖9 噴霧羽流圖

(4)塔壁積灰風(fēng)險(xiǎn)。此種噴嘴布置形式對(duì)塔周向形成的噴霧撞壁極高值為0.000 67 kg/m3,根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，積灰風(fēng)險(xiǎn)極小。塔壁積灰風(fēng)險(xiǎn)解析結(jié)果如圖10所示。

圖10 塔壁積灰風(fēng)險(xiǎn)

2.5 方案確定

通過蒸發(fā)器含塵煙氣的模擬效果預(yù)測，蒸發(fā)與降溫一致，煙氣的運(yùn)動(dòng)軌跡與回流等基本一致，但偶有煙氣波動(dòng)較大，煙氣量與溫度頻繁劇烈變化，模擬效果運(yùn)行數(shù)據(jù)有小的偏差，如圖11所示，但效果總方向一致，可以用于指導(dǎo)實(shí)踐項(xiàng)目，并通過調(diào)整優(yōu)化布置或噴槍伸入長度來緩解或解決此問題，因此本文選擇方案1。其特點(diǎn)如下：

圖11 溫度分布與蒸發(fā)效率

(1)噴霧顆粒與蒸發(fā)降溫顯示該噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理；

(2)模擬噴霧顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與噴霧羽流說明，蒸發(fā)器設(shè)計(jì)比較合理；

(3)在蒸發(fā)器的局部區(qū)域，會(huì)形成回流與紊流，會(huì)影響噴霧顆粒撞壁，但總體可控；

(4)在蒸發(fā)器靠近煙道內(nèi)側(cè)回流區(qū)域較大，噴霧應(yīng)盡量避開此區(qū)域，但由于設(shè)備本身外形原因，噴霧下方存在局部死角，長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)形成一定粘灰，但區(qū)域不大，只需定期檢查處理。

3 工程應(yīng)用

3.1 非對(duì)稱蒸發(fā)冷卻器的幾何結(jié)構(gòu)

如圖12 所示，非對(duì)稱蒸發(fā)冷卻器圓壁直徑D4500 mm,噴槍數(shù)量10支，型號(hào)FM25A(專業(yè)公司提供)，噴槍呈半圓形非對(duì)稱-非均勻布置。

圖12 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

在工程化試運(yùn)行后，通過分析系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)化條件，確定出系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，試運(yùn)行理論與修正值見表7。

表7 系統(tǒng)試運(yùn)行參數(shù)

4 改進(jìn)效果

開發(fā)了核心裝置非對(duì)稱噴霧蒸發(fā)冷卻器，再配備二次蒸發(fā)和文氏管組成系統(tǒng)用于工程實(shí)踐，從能源介質(zhì)消耗、排放粉塵含量、阻損、一次除塵風(fēng)機(jī)效果和煤氣回收等方面，該轉(zhuǎn)爐技術(shù)升級(jí)前后后效果對(duì)比見表8～11。升級(jí)后轉(zhuǎn)爐排放煙塵含量降低，回收了除塵灰，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)阻損降低，但氮?dú)庀挠性隽浚C合效果優(yōu)于預(yù)期的目標(biāo)。

表8 能源介質(zhì)對(duì)比(三座轉(zhuǎn)爐)

表9 排放煙塵含量對(duì)比 (三座轉(zhuǎn)爐)

表10 阻損降低量對(duì)比(單爐座)

表11 一次風(fēng)機(jī)效果對(duì)比

5 結(jié)束語

通過工藝與設(shè)備技術(shù)綜合研究，有針對(duì)性開發(fā)了非對(duì)稱噴霧蒸發(fā)冷卻器，適用于攀鋼釩老轉(zhuǎn)爐這類現(xiàn)場空間較小、而濁環(huán)水供水能力不足的一次除塵系統(tǒng)，可以將放散煙囪煙氣粉塵濃度穩(wěn)定控制在30 mg/Nm3以內(nèi)。對(duì)于蒸發(fā)冷卻器塔壁易粘結(jié)問題，合理選擇噴槍與設(shè)計(jì)噴槍布置，引進(jìn)CFD流體仿真可以有效解決或緩解蒸發(fā)冷卻器“濕壁”問題，徹底解決了這個(gè)行業(yè)難題。此工藝還將蒸發(fā)冷卻技術(shù)與環(huán)縫技術(shù)有效結(jié)合，吸收了蒸發(fā)冷卻的優(yōu)勢的同時(shí)兼顧了濕法洗滌的安全、易操作性，既能滿足目前國標(biāo)要求的轉(zhuǎn)爐除塵環(huán)保指標(biāo)，也具有一定節(jié)水降低成本的經(jīng)濟(jì)效益，非常符合我國轉(zhuǎn)爐煉鋼操作需求，是我國轉(zhuǎn)爐除塵一次除塵技術(shù)技術(shù)升級(jí)較為合理、經(jīng)濟(jì)的一種方式。