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        轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道移動(dòng)段水循環(huán)問(wèn)題討論

        2015-04-29 00:00:00王子兵
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年27期

        摘 要:針對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道尤其是移動(dòng)段I段使用壽命低,容易發(fā)生事故的問(wèn)題,對(duì)汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段正常吹煉期煙氣側(cè)傳熱過(guò)程進(jìn)行了模擬,以熱流密度為傳遞函數(shù)對(duì)水冷管內(nèi)水循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算,對(duì)水冷管進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明,現(xiàn)有結(jié)構(gòu),自然循環(huán)設(shè)計(jì)條件下,正常吹煉期,工質(zhì)循環(huán)速度降低至攜帶速度以下,移動(dòng)段I段煙氣進(jìn)口500~600mm工質(zhì)汽化點(diǎn)處,工質(zhì)流速低于攜帶速度,發(fā)生傳熱惡化,引起水冷管爆管。

        關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬;熱流密度;自然循環(huán)

        引言

        某鋼廠煉鋼車間內(nèi)現(xiàn)有1座150t轉(zhuǎn)爐,對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀況調(diào)研發(fā)現(xiàn),其汽化冷卻煙道移動(dòng)段水循環(huán)方式采用自然循環(huán)方式,且移動(dòng)段煙氣進(jìn)口500~600mm處水冷管發(fā)生爆管現(xiàn)象嚴(yán)重(圖1),即影響鋼產(chǎn)量,又影響運(yùn)行安全。

        1 爆管原因分析

        通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),由于移動(dòng)段采用自然循環(huán),水循環(huán)不良引起局部過(guò)熱損壞,配水管不均勻,水動(dòng)力不足,上升管、下降管、受熱管阻力大,水循環(huán)不暢通,冷卻效果差,造成汽化冷卻煙道移動(dòng)段冷卻水管因水量不足與不均勻而局部過(guò)熱,不正常的產(chǎn)生破壞。發(fā)生傳熱惡化,引起管壁溫度急劇升高,工質(zhì)不能及時(shí)將管壁冷卻,管壁超溫發(fā)生破裂,引起爆管。

        2 煙氣側(cè)數(shù)值模擬

        2.1 仿真模型建立

        以某鋼鐵廠150t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道移動(dòng)段為研究對(duì)象,使用ProE軟件建立煙道的實(shí)體模型(圖2)。

        并將其作為一個(gè)零件導(dǎo)入gambit軟件,煙道水冷壁采用六面體網(wǎng)格(圖3),使用Sweep方式劃分,計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為524684。

        轉(zhuǎn)爐在吹煉過(guò)程中,爐氣量、溫度成份是不斷變化的,為確定汽化冷卻煙道余熱回收的影響因素,首先必須確定煙氣量以及煙氣成分。

        一般情況下,可將轉(zhuǎn)爐煙氣看作理想氣體的混合物,其成分是一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、氧氣。根?jù)理想氣體混合物物性參數(shù)的導(dǎo)出方法,我們就可以方便的推導(dǎo)出直接計(jì)算煙氣物性參數(shù)的計(jì)算公式,而不必先計(jì)算平均煙氣成分的物性,再根據(jù)實(shí)際成分計(jì)算修正系數(shù),加以修正。這樣不但省去了不少麻煩,而且也很容易編制出一個(gè)通用的程序,只要把煙氣溫度、組分成分代入,就可以馬上算得煙氣物性[1]。

        與計(jì)算相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)主要有煙氣的密度、比熱容、熱導(dǎo)率、動(dòng)力粘度等, 這些參數(shù)都可以表示成溫度的函數(shù),其形式為:

        根據(jù)上式通過(guò)origin軟件擬合得到煙氣物性公式如表1所示。

        2.2 邊界條件

        入口條件:文章通過(guò)對(duì)煙氣量進(jìn)行計(jì)算得到煙氣流速,選用速度邊界條件。煙氣溫度通過(guò)計(jì)算得到1923K,進(jìn)口湍流強(qiáng)度為10%,進(jìn)口面發(fā)射率為0。

        出口條件:煙氣出口溫度根據(jù)計(jì)算為1513K,出口湍流強(qiáng)度為10%,出口面發(fā)射率為0。

        壁面條件:選用等壁溫壁面條件,汽冷煙罩移動(dòng)段煙道壁面溫度選比飽和蒸汽的溫度高30℃,選用鋼材料,材料表面粗糙度為壁面發(fā)射率取0.8,固體壁面為無(wú)滑移壁面。

        2.3 通過(guò)云圖數(shù)據(jù)將得到熱流密度與煙道關(guān)系數(shù)據(jù)輸入到origin軟件中得到(圖5)

        qw=416.81146-2.35093h-59.16544h2-67.26417h3

        +92.588h4-33.88839h5+4.04794h6

        式中,qw-管子外壁平均熱流密度,kW/m2;h-煙道移動(dòng)段高度,m。

        準(zhǔn)確率99.923%。

        3 移動(dòng)段I段水循環(huán)計(jì)算及分析

        下表是鍋爐可移動(dòng)段I段結(jié)構(gòu)(表2)

        表2 汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段結(jié)構(gòu)表

        管子內(nèi)的熱流密度

        式中,qn-水冷管內(nèi)壁平均熱流密度,kW/m2;qw-水冷管外壁平均熱流密度,kW/m2;h-煙道移動(dòng)段高度,m。

        對(duì)汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段進(jìn)行水循環(huán)計(jì)算得到:(表3)

        表3 汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段水循環(huán)計(jì)算表

        通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段500~600mm處的熱流密度為410~415kW/m2,在熱量突然增加過(guò)程中,受熱管中水容易由核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰。此時(shí),由于管子內(nèi)壁得不到水的連續(xù)冷卻,傳熱受到汽膜的阻隔,使冷卻水與管壁之間的傳熱情況惡化,壁溫升高,管子處于過(guò)熱狀態(tài)。也正因?yàn)槭軣峁荛L(zhǎng)期處于脈沖過(guò)熱狀態(tài),受熱管因疲勞而破壞。

        4 結(jié)論

        (1)汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段煙氣入口500-600mm爆管的主要原因?yàn)閭鳠釔夯鸸鼙诔瑴兀鼙跍p薄進(jìn)而爆管。

        (2)汽化冷卻煙道移動(dòng)段I段水循環(huán)方式應(yīng)改為強(qiáng)制循環(huán)方式。

        參考文獻(xiàn)

        [1]許圣華.煙氣物性的直接計(jì)算方法[J].蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,3:32-36.

        作者簡(jiǎn)介:王子兵(1966-),男,河北省唐山市人,碩士,華北理工大學(xué)副教授,碩士研究生導(dǎo)師,主要從事低階煤提質(zhì)、低溫余熱發(fā)電和生物質(zhì)能源技術(shù)的研究。

        *通訊作者:趙 ,華北理工大學(xué)在讀碩士研究生。

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