張 旭 王華軍 吳少非 劉 霄

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029）

1 引言

調(diào)徑文氏管是轉(zhuǎn)爐煙氣凈化與回收系統(tǒng)中兼顧了除塵與煤氣回收雙重作用的關(guān)鍵部件［1］。它通過(guò)喉口的閥芯調(diào)節(jié)使經(jīng)過(guò)粗除塵后的煙氣在其喉口部保持一定的流速與噴入的液滴耦合，通過(guò)塵粒的碰撞與攔截將粒徑很小的塵粒從煙氣中分離出來(lái)，達(dá)到煙氣凈化目的［2］。

2 調(diào)徑文士管結(jié)構(gòu)與原理

轉(zhuǎn)爐煙氣凈化與煤氣回收的調(diào)徑文氏管為米粒型閥芯的矩形文氏管，可調(diào)喉口文氏管結(jié)構(gòu)分為：入口收縮段、可調(diào)喉口閥芯、出口擴(kuò)張段、供水裝置。它是通過(guò)調(diào)節(jié)喉口處的閥芯來(lái)調(diào)節(jié)煙氣流速。本設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)生產(chǎn)的側(cè)噴水可調(diào)文氏管喉口如圖1所示。

圖1 喉口設(shè)計(jì)與實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

3 調(diào)徑文士管Pro／E三維建模

對(duì)于調(diào)徑文氏管的三維建模，選取的是美國(guó)PTC公司的產(chǎn)品Pro／E。三維軟件的建模對(duì)于其后仿真分析計(jì)算流場(chǎng)具有很重要的影響。Pro／E軟件與CFD軟件的兼容性好［3］。同時(shí)，最大的特點(diǎn)在于模型建立的全參數(shù)化，有利于后期對(duì)模型參數(shù)的修改。三維圖如圖2所示。

圖2 三維總裝圖

4 液氣耦合數(shù)值模擬原理分析

當(dāng)含塵煙氣進(jìn)入收縮管后，氣流速度隨著截面的減小而聚增，高速氣流使從噴水嘴噴出的水霧化，沫化成無(wú)數(shù)大小水滴［4］（粒徑在100μm左右）。煙氣密度為ρ＝4410kg／m3、煙塵濃度為C＝109g／m3可知煙塵顆粒體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煙氣體積，故忽略煙塵顆粒對(duì)流動(dòng)的影響。

氣液混合的水氣比為L(zhǎng)＝1～1.3L／m3，噴射液滴體積對(duì)氣體的體積率為10%左右，故用歐拉—拉格朗日方法建立煙氣與液滴的數(shù)學(xué)模型，把煙氣作為連續(xù)介質(zhì)，從雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型封閉［5］。把霧滴顆粒群作為離散體系，通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆粒的軌道。為了精確的描述噴淋的過(guò)程，在模擬計(jì)算中采用非穩(wěn)態(tài)的離散相模型跟蹤液滴［6］。圖3示意了兩相之間的動(dòng)量、質(zhì)量與熱量間的交換［7］。

圖3 離散相與連續(xù)相之間的質(zhì)量、熱量與動(dòng)量交換示意圖

顆粒的作用力動(dòng)量交換平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式（x方向）為：

式中FD（u-up）—顆粒的單位質(zhì)量曳力

u—流體相對(duì)速度（m／s）；

up—顆粒速度（m／s）；

μ—流體動(dòng)力粘度（Pa·s）；

ρ—流體密度（kg／m3）；

ρp—顆粒密度（kg／m3）；

dp—顆粒直徑（μm）；

Re—相對(duì)雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)）其定義為Re＝，曳力系數(shù)，對(duì)于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，上式中的a1、a2、a3為常數(shù)。

5 液氣耦合仿真數(shù)值模擬

創(chuàng)建噴射源進(jìn)行耦合模擬，設(shè)定6個(gè)軸向順噴的噴嘴，安裝位置為（x，y，z）分別為（0.53，0.22，0.9），（0，0.22，0.9），（-0.53，0.22，0.9），（0.53，-0.22，0.9），（0，-0.22，0.9），（-0.53，-0.22，0.9），噴水溫度為313K，噴水壓力為0.3MPa，噴嘴噴水角度為120°，文氏管溫度恒定與外界溫度同為300K，煙氣與液滴之間的熱交換可以忽略不計(jì)，并假設(shè)文氏管內(nèi)外無(wú)傳熱。

5.1 軸向噴水氣液耦合數(shù)值模擬分析

模擬煙氣量為Q＝135000m3／h，噴水量為37.5kg／s，擋板開度為80°時(shí)文氏管內(nèi)部全壓云圖。為清晰說(shuō)明霧化液滴對(duì)氣流的影響，垂直氣流方向沿Z軸方向依次截取9個(gè)斷面，斷面坐標(biāo)依次為Z＝1.24m（入口平面），Z＝0.9m（噴嘴安裝平面），Z＝0.16m（左側(cè)喉口平面），Z＝0m，Z＝-0.16m（右側(cè)喉口平面），Z＝-1m，Z＝-2m，Z＝-3m，Z＝-4m（出口平面），進(jìn)行壓力損失分析。如圖4所示。

圖4 不同Z平面壓力云圖

依次對(duì)比各平面壓力云圖可知噴入液滴對(duì)煙氣壓力損失的影響是顯著的，在喉管部分壓力損失最大，主要是有氣體與液滴動(dòng)量相互耦合，氣體對(duì)霧化的液滴加速導(dǎo)致。

5.2 離散相霧化液滴速度跟蹤分析

跟蹤 “離散相霧化液滴速度跟蹤圖”如圖5所示。

圖5 離散相霧化液滴速度

可以看出液滴從噴射平面射入以后速度逐漸增加，在喉口位置液滴被加速到110m／s左右，在喉口處氣、液、固相互之間高速耦合，塵粒表面附著的氣膜被沖破，使塵粒被濕潤(rùn)［8］。在塵粒與液滴或塵粒之間發(fā)生著激流的碰撞、凝聚。在擴(kuò)散管中，氣體和液滴的速度減小、壓力回升，使這種以塵粒為凝聚核的凝聚作用發(fā)生得更快。

6 軸向與側(cè)面徑向噴水氣液耦合對(duì)比分析

液滴噴入方法分軸向和徑向兩種。根據(jù)兩種不同的噴射形式進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)離散相霧化液滴進(jìn)行速度跟蹤，同時(shí)選取單束噴射液滴隨時(shí)間加速的曲線進(jìn)行研究。

6.1 軸向噴入液滴速度跟蹤分析

圖6與圖7為軸向噴水液滴速度云圖與單束粒子時(shí)間速度追蹤。

軸向噴水液滴與氣體速度同向，液滴逐漸被加速，軸向液滴被加速的時(shí)間為0.18s，液滴從30m／s加速在100m／s左右，在喉口處液滴被加速到最大大約為100m／s左右，然后進(jìn)入擴(kuò)張段后速度從最大速度逐漸下降到20m／s左右。

6.2 側(cè)面徑向噴入液滴速度跟蹤分析

圖6 水滴速度跟蹤云圖

圖7 單束粒子速度追蹤圖

圖8與圖9為徑向噴水液滴速度云圖與單束粒子時(shí)間速度追蹤圖。

從喉管側(cè)面徑向垂直氣體速度噴入的霧化液滴在喉口處以很小的速度與速度最大時(shí)的氣體相互耦合，噴入液滴的加速時(shí)間為0.12s，噴入的液滴被分成速度不均勻的幾部分，一部分液滴被加速到140m／s后與氣體相互作用隨后進(jìn)入擴(kuò)張段，一部分液滴與閥芯碰撞發(fā)濺進(jìn)入收縮段，一部分液滴直接進(jìn)入了擴(kuò)張段。

6.3 兩種模式對(duì)比分析研究

比較兩種不同的噴水方式可知，軸向液滴被加速的速度比較均勻，徑向噴入加速情況雜亂無(wú)章，液滴沒(méi)有被充分加速利用，這將嚴(yán)重影響煙氣的除塵效率與氣體的壓力損失。如果要達(dá)到很好的除塵效果必須增加噴水量或者增大氣體的速度，這樣既增加了氣體的壓力損失又增加了水的消耗。

圖8 水滴速度跟蹤云圖

圖9 單束粒子速度追蹤圖

7 不同噴水量下壓力損失與煙氣流量分析

將調(diào)徑文士管閥芯的角度固定在73°不變，讓通過(guò)的煙氣量在12.5～40m3／s之間變化，噴入不同水量分別為Q＝70kg／s、Q＝35kg／s、Q＝25kg／s，數(shù)值模不同工況下的氣液耦合情況，繪制壓力損失隨煙氣量變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，調(diào)徑文氏管角度固定，氣體用于液滴的進(jìn)一步霧化和加速的動(dòng)量損失也就越多，故壓力損失隨水氣比的增大而增大。

圖10 不同噴水量下壓力損失隨煙氣變化曲線

8 結(jié)語(yǔ)

如何通過(guò)改進(jìn)文丘里管內(nèi)的噴水形式來(lái)達(dá)到更好的除塵效果與降低系統(tǒng)能耗是國(guó)內(nèi)外研究的課題。本章從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，使用CFD軟件中的離散模型數(shù)值模擬連續(xù)相煙氣與離散相水滴在調(diào)徑文氏管內(nèi)相互耦合情況。通過(guò)對(duì)文士管軸向不同Z平面壓力云圖與液滴粒子速度追蹤云圖分析，可知在喉管部液滴被煙氣加速到最大，氣、液、固相互之間高速耦合。對(duì)比軸向與徑向兩種噴水模式下液滴被加速的情況，得出軸向噴水時(shí)液滴加速較徑向噴水效果好，液滴全部被均勻加速到滿足除塵效率要求的速度，故內(nèi)部軸向噴水能達(dá)到高效節(jié)水除塵效果。

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