兑铁水过程转炉除尘仿真模拟

薄凤华 梁文玉

(1：北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京 100029；2:北京市钢铁冶金节能减排工程技术研究中心 北京 100029)

1 前言

转炉炼钢过程中，由于炉内温度较高，且所用的原料有铁水、氧气和其他物质，在转炉吹氧炼钢时，铁水的蒸发和气流的活动以及炉气等多重作用下，会喷出大量的烟尘，烟尘中的粒子粒径有的小于1μm，有的大于10μm。而烟尘中含有的铁的氧化物，以及硫、氮等氧化物，不经过过滤，直接排放到大气中，会给生态环境造成极大的破坏。

转炉烟尘处理可以分为一次除尘和二次除尘甚至三次除尘。一次除尘主要针对在转炉吹氧冶炼中所生成的炉气。二次除尘是处理转炉吹氧期从烟罩口溢出的烟气以及在兑钢、出钢等活动中所产生的烟气。二次除尘需要根据转炉炼钢过程中烟气量的变化，调节风机的位置和排烟管道上的阀门，让烟气通过袋式除尘器进行过滤，从而降低废气的含尘浓度，实现达标排放。

目前，国内外炼钢普遍采用常规的二次除尘罩，本文以某厂120t转炉二次除尘系统为研究对象，其转炉二次除尘系统存在着运行成本高、突发烟气仍然大量外溢等情况，除尘效果较差，已经无法达到国家最新环保要求(出口烟气浓度<20mg/Nm3)，系统功能优化改造势在必行。应用商业软件模拟转炉车间内兑铁水过程并进行讨论，为改进除尘效果提供依据与指导。

2 模型的建立

2.1 管道压力模型

转炉二次除尘管道系统是由不同管径的直管、弯头、变径管开度阀等一系列元件组成。要确定各个转炉位置的引风负压，必须对从引风机到转炉前抽风口建立压力损失模型进行压力分布计算。考虑转炉二次除尘管道系统复杂布局特点，拟应用伯努利方程进行系统压力模拟计算。

对二次除尘这样的湍流系统，管道摩擦阻力损失可以简化成：

(其中hL是长度L、管当量直径d的管道在气体标准流速为W0下的阻力损失，Re是气体流动的雷诺数，γ0是气体标准重度，β气体热膨胀率，T气体的实际温度，g气体的重力加速度)

局部阻力损失(弯头阻力损失、扩张、收缩、障碍)通式：

其中K是局部阻力系数

逐渐扩张管(由截面积A1变到截面积A2变化，夹角α)

弯头阻力损失(由截面积A不变，弯头曲率半径R)

其中K是曲率半径的函数。

2.2 转炉操作空间内流场模型

流动场采用湍流流动模型描述，在兑铁水、加废钢阶段从转炉口会有大量的烟气喷出，在浮力和惯性力作用下向上运动，烟气在转炉厂房内受到二次除尘系统引风口的抽吸进入二次除尘系统中，同时由于转炉厂房不完全封闭，会有部分空气从炉前门、转炉与平台的间隙中漏入一并被吸入二次除尘系统；在出钢过程中烟气会从钢包口及转炉口逸出，同样在二次除尘系统的抽吸作用下连同空气被吸入二次除尘系统。这一运动有浮力和惯性力的推动和二次除尘系统的引风作用，同时由于模拟空间点不封闭特点，使得模拟计算较为困难。拟采用浮力和压差推动下的湍流流动模型对除尘过程进行描述。其运动过程的控制方程有：连续方程、三个坐标方向的动量方程、湍流流动的湍流动能方程和湍流耗散方程。

2.2.1 烟气流动模型

(1)基本假设

①烟气流动为稳态过程。

②计算仅考虑单相流动，忽略了粉尘对烟气流动影响。

③烟气按理想气体考虑。

(2)数学模型

化成通用形式如下：

k-ε双方程模型仅适用于离开壁面一定距离的湍流区，是根据湍流流动的各向同性理论推导出来的，对壁面附近区域，由于固体壁面粘滞力的作用，使湍流流动失去了各向同性的特点，必须进行单独处理，本文对贴近壁面的部分采用壁面函数法来处理。

2.2.2 边界条件确定

抽风口、转炉口按速度入口边界条件处理。

转炉车间侧壁、底部平台、顶部厂房都是固体边界uj=0，对固体边界应用壁面函数对近壁面进行修正。

转炉本体按固体处理。

开口部分按压力入口边界考虑。

2.3 对转炉二次除尘系统开度建议

根据建立的管道阻力损失模型，结合实际生产过程中二次除尘管道布置情况对二次除尘系统的压力分布作出相应计算。通过计算确定目前转炉二次除尘系统管道布置基本合理，建议主管道采用宽4500×高3000的管断面尺寸，在转炉车间高度采用2000为宜(因为目前二次除尘管道内流速太高，无形中增加了引风机助力损失)。

3 兑铁水过程模拟结果与讨论

3.1 改造前兑铁水过程模拟

改造前兑铁水时转炉跨内压力场分布如图1。从图中可以看到转炉跨内压力降落主要集中在二次引风罩入口处，其它区间的压力差较小。从压力场分布来看，这种突缩型抽气会造成较大的压力损失。即此引风罩引风效果不是很好。

图1 改造前兑铁水过程气流压力场分布图

从改造前兑铁水时转炉跨气流速度云图2和流场矢量图3可以看到，转炉跨在二次除尘引风罩的抽力和转炉内热气流共同作用下形成两个卷吸区，一个是在转炉周边，围绕转炉向引风口运动，另一个是在铁水包上方，把环境中的气体卷入，这两个卷吸区的强弱决定了二次除尘效率和二次引风机的功率。有效的方法是：第一减少引风口的阻力，同等条件下最大限度地提高二次除尘引风机的工作效率，如本项目中，通过增加引风口扩张角，提高引风能力，降低引风阻力；第二减少和抑制以上提及的两个卷吸流的形成，一个方法是尽量加长引风罩，使卷吸区减少，其二方法是破坏卷吸区，增加一些导流板。

另外在铁水包下部与转炉炉口间隙形成一个向外的喷射流区，这是造成烟气向环境泄漏的原因之一，这部分烟气初步估算占总烟气量的3%。

从改造前兑铁水过程转炉跨温度场图4，可看到高温区域集中在转炉口到二次除尘引风罩，其它区域由于卷吸作用使得温度整体较低。转炉跨内温度高于环境温度，这是由于转炉散热和没有吸入二次除尘罩烟气在转炉跨内循环造成的。从转炉跨x-y平面图可看到以转炉中心线为对称在转炉左右形成了对称温度分布。从转炉操作平台下间隙抽吸上的气体其温度较低，见x-y平面图转炉跨两个低温核心。由图4得到，该二次除尘系统具有足够的引风能力。但实际生产中由于二次除尘系统中流速过高，造成在管道系统中的阻力损失过大，而使实际引风口引风能力不足。

图2 改造前兑铁水过程气流速度标量场分布图

图3 改造前兑铁水过程气流速度矢量场分布图

图4 改造前兑铁水过程温度场分布图

3.2 改造后兑铁水过程模拟

改造后兑铁水时由于二次除尘引风口呈扩张型，使烟气流动阻力减小，从提高了二次除尘系统引风能力，从图5可看到在转炉内大部分区域形成了负压区，特别是在转炉上部，引风口区域较大的范围内有均匀的负压区，利于烟气的抽吸。

改造后兑铁水过程转炉跨速度云图见图6，可以看到兑铁水过程转炉跨内主流区是从转炉口到二次除尘引风口，说明该二次除尘系统处于良好的运行状态。转炉炉后有一定的环流这是由于转炉跨内均匀的负压场造成的从转炉和平台间隙漏入的空气流。铁水包下部如前分析有大约3%的烟气从铁水包下缘与转炉炉口间隙漏入环境中。要解决这部分漏烟气要在转炉炉口加阻流板抑制烟气的漏出。

图7是改造后兑铁水时转炉跨内烟气流动矢量图，可以看到该工况下，二次除尘系统除尘效果良好，除了从铁水包下缘与转炉炉口间隙漏入环境的约3%烟气外，其它区域都有环境空气的不同程度卷入。说明目前引风系统具备二次除尘能力。

图8是改造后兑铁水过程转炉跨内温度分布图，可以看到改造后除了从铁水包下缘与转炉炉口间隙漏入环境的那些烟气外，铁水包上部到二次引风口形成了一个卷吸区，没有烟气向环境漏出，在转炉上部到二次除尘引风口同样形成一个卷吸区，没有烟气流入转炉跨内。这也证明该工况下完全具备二次除尘能力。

图5 改造后兑铁水过程气流压力场分布图

图6 改造后兑铁水过程气流速度标量场分布图

图7 改造后兑铁水过程气流速度矢量场分布图

图8 改造后兑铁水过程温度场分布图

4 结论

模拟研究了转炉烟罩改造前后二次除尘系统在兑铁水过程中烟气流场、压力场和温度场；结果表明：1)改造后兑铁水时由于二次除尘引风口呈扩张型，使得转炉跨内大部分区域特别是转炉上部、引风口区域较大范围内形成了负压，使烟气流动阻力减小，提高了二次除尘系统引风能力，有利于烟气抽吸。2)改造后，转炉跨内主流区由转炉口扩展到二次除尘引风口，说明二次除尘系统处于良好运行状态。