王瑞琪，孫桓五，樊耀耀，張鳳博

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程學(xué)院，陜西 西安 710000；2.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原030024；3.煤炭資源開(kāi)采利用與裝備工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太原 030024）

1 引言

6.25m搗固焦?fàn)t設(shè)備作為國(guó)內(nèi)最領(lǐng)先的大型焦?fàn)t之一，在焦化等重工業(yè)行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但焦?fàn)t生產(chǎn)中存在著大量附著苯并芘及苯可溶物等有毒有害物質(zhì)的高溫?zé)焿m，對(duì)環(huán)境造成了很大的污染[1]。

在現(xiàn)代化焦?fàn)t使用過(guò)程中，均需要對(duì)機(jī)側(cè)和焦側(cè)進(jìn)行集塵改造[2]。由于焦?fàn)t結(jié)構(gòu)的限制等因素，需要依靠導(dǎo)煙板將高溫?zé)焿m引導(dǎo)到集塵罩內(nèi)進(jìn)行除塵處理，而現(xiàn)有的斜向45°直型擋煙板對(duì)煙塵的導(dǎo)流效果有待改善[3]。因此，需要對(duì)導(dǎo)煙板的引流導(dǎo)流作用進(jìn)行研究，并且對(duì)現(xiàn)行的斜向45°直型板進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于導(dǎo)煙板的研究，文獻(xiàn)[4]研究了不同障礙物對(duì)錐面Aaberg排風(fēng)罩內(nèi)氣流影響。文獻(xiàn)[5]對(duì)錐形Aaberg局部排風(fēng)罩進(jìn)行數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的介紹了工業(yè)通風(fēng)與除塵的基本理論和方法。以圓形、錐形Aaberg排風(fēng)罩為依據(jù)設(shè)計(jì)了弧型及折型擋煙板，研究其對(duì)于煉焦?fàn)t爐頭煙的導(dǎo)流作用。

文章采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬兩種方法對(duì)煙塵的擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了分析研究，提出了導(dǎo)煙板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高了導(dǎo)流作用及集塵效率。

2 實(shí)驗(yàn)理論

在推焦過(guò)程中，隨著焦側(cè)上方高溫?zé)焿m的運(yùn)動(dòng)，通常會(huì)形成兩個(gè)含有煙氣的區(qū)域，即浮羽流區(qū)和導(dǎo)煙板射流區(qū)，如圖1所示。

圖1 焦側(cè)上方煙流的兩區(qū)域Fig.1 Two Areas of Smoke Flow Above the Coke Side

當(dāng)煙塵當(dāng)煙塵沿?fù)鯚煱逑騼蓚?cè)擴(kuò)散時(shí)，傳統(tǒng)斜向45°擋煙板對(duì)煙塵在y方向的擴(kuò)散速率起不到阻擋作用。為了使得煙氣不大量從兩側(cè)向空氣中逸出，需要改變導(dǎo)煙板的結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)煙板射流區(qū)域內(nèi)的煙氣在擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)個(gè)微小的沖擊區(qū)，減小其y方向速度分量大小，并改變其運(yùn)動(dòng)方向。因此在導(dǎo)煙板射流區(qū)內(nèi)取單位橫截面微元體，對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 沖擊區(qū)受力分析Fig.2 Force Analysis of Impact Zone

根據(jù)煙氣的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒可推導(dǎo)出，煙氣速度在向兩側(cè)擴(kuò)散時(shí)，速度不斷減小，但直型板減小的速率太小，煙氣在到達(dá)擋煙板兩側(cè)邊緣時(shí)仍有一定的速度使得煙氣從兩側(cè)逸出，因此改變擋煙板的結(jié)構(gòu)使煙氣在向兩側(cè)擴(kuò)散時(shí)能與擋煙板產(chǎn)生沖擊，從而起到減小y方向的擴(kuò)散速率并改變其運(yùn)動(dòng)方向的作用。

3 模型的建立

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

為模擬大型焦?fàn)t焦側(cè)上方高溫?zé)焿m逸出，并沖擊導(dǎo)煙板的過(guò)程，設(shè)計(jì)物理模型，如圖3所示。尺寸如下描述：直型導(dǎo)煙板L（長(zhǎng)）×B（寬）=1000mm×300mm；弧型導(dǎo)煙板：弧長(zhǎng)（m）×B（寬）×R（半徑）=1052mm×300mm×1050.51mm；折型導(dǎo)煙板L（長(zhǎng)）×B（寬）×α（折彎角度）=1052mm×300mm×135°，背板（長(zhǎng)）×（寬）=1000mm×500mm，底座（長(zhǎng)）×（寬）×（高）=1000mm×300mm×300mm。

圖3 物理模型Fig.3 The Physical Model

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及測(cè)點(diǎn)布置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中空氣經(jīng)由發(fā)煙裝置攜帶煙塵被ENZE?130FLJ5小型工業(yè)熱風(fēng)機(jī)抽入并加熱至200℃，管道內(nèi)空氣經(jīng)熱風(fēng)機(jī)加壓和電熱絲加熱后獲得初始速度和初始溫度，利用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量改變空氣流速，再經(jīng)過(guò)蜂窩格柵整流后[7]，從圓形風(fēng)口送出，形成高溫浮射流，沿背板向上運(yùn)動(dòng)沖擊導(dǎo)煙板；實(shí)驗(yàn)中使用鑫斯特?zé)崦羰斤L(fēng)速儀測(cè)量煙塵的速度及溫度，測(cè)量桿可垂直上下移動(dòng)。

如圖4所示，浮射流出口軸心高度方向上（Z方向），在背板及導(dǎo)煙板上從圓形風(fēng)口圓心處每隔50mm布置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共16個(gè)測(cè)量點(diǎn)。在導(dǎo)煙板距風(fēng)口最遠(yuǎn)端沿線(xiàn)上垂直于軸心高度方向上，每隔50mm布置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共21個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)Fig.4 The Experiment of Measuring Points

3.3 數(shù)值仿真邊界條件

為了研究不同導(dǎo)煙板結(jié)構(gòu)對(duì)高溫?zé)焿m擴(kuò)散的影響，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)Fluent方法對(duì)浮射流的軸心和導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)的速度、溫度進(jìn)行仿真分析。

CFD仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理想化，設(shè)定空氣為連續(xù)介質(zhì)，且不可壓縮。高溫浮射流出口設(shè)定為速度入口邊界條件（velocity inlet），速度大小為3m/s，出口溫度為200℃。界面上、下、左、右、前設(shè)定為壓力出口（pressure outlet），導(dǎo)煙板及后面，即背板所在面設(shè)定為壁面（wall）。

3.4 湍流模型

（1）實(shí)驗(yàn)獲取的推焦過(guò)程中煙塵擴(kuò)散的初始速率范圍在3m/s左右，由模型計(jì)算雷諾數(shù)Re≥1000。而RNG k?ε湍流模型在統(tǒng)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了湍流漩渦，有效的加強(qiáng)了計(jì)算準(zhǔn)確性，并且提供了低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性的解析公式，因此選擇RNG k?ε湍流模型[8]。

（2）推焦過(guò)程中影響煙塵擴(kuò)散的主要原因是由于不同溫度氣體引起密度差而形成的氣體熱浮力及熱擴(kuò)散，因此選擇空氣密度的Boussinesq模型[9]。

4 數(shù)值模型的有效性驗(yàn)證

以第一部分構(gòu)建的物理模型為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬實(shí)際工況下的焦側(cè)爐頭煙擴(kuò)散過(guò)程，并通過(guò)數(shù)值模擬得到與實(shí)驗(yàn)相同工況下直型導(dǎo)煙板的高溫浮射流流場(chǎng)，將模擬結(jié)果從軸心速度、軸心溫度、導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)速度和導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)溫度四個(gè)方面和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[10]。

由圖5和圖6可得出，數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。浮射流軸心速度及溫度隨出口高度增加而減小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合。

圖5 軸心速度的分布Fig.5 The Distribution of the Axis Velocity

圖6 軸心溫度的分布Fig.6 The Distribution of the Axis Temperature

由圖7和圖8可得出，導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)的速度和溫度分布大致符合高斯分布。由于實(shí)驗(yàn)室氣流對(duì)浮射流溫度的影響，使得實(shí)驗(yàn)值略低于仿真值?？傮w而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果存在一致的規(guī)律性。

圖7 導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)速度分布Fig.7 Velocity Distribution Along the Tail End of the Dust Guide Plate

圖8 導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)溫度分布Fig.8 Temperature Distribution Along the Tail End of the Dust Guide Plate

5 結(jié)果對(duì)比分析

在高溫浮射流擴(kuò)散的過(guò)程中，不同導(dǎo)煙板結(jié)構(gòu)對(duì)于高溫浮射流的導(dǎo)流作用不盡相同。

通過(guò)對(duì)導(dǎo)煙板處流場(chǎng)區(qū)域的研究分析，對(duì)比直板、折型板及弧型板對(duì)高溫浮射流的導(dǎo)流作用，采用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真的方法，研究在相同的初始速度及初始溫度的情況下不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)煙板對(duì)高溫浮射流擴(kuò)散的影響。

圖中依次為直板、折型板、弧型板的速度場(chǎng)，圖中一線(xiàn)為導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)，如圖9所示。由云圖可知，高溫?zé)焿m在直型導(dǎo)煙板兩側(cè)仍以0.74m/s的速度向?qū)煱鍍蓚?cè)運(yùn)動(dòng)，這表明煙塵在沖擊直型導(dǎo)煙板后會(huì)有部分煙塵向?qū)煱鍍蓚?cè)擴(kuò)散，排放到大氣中；在折型導(dǎo)煙板兩側(cè)速度為0.45m/s，但是對(duì)比直型導(dǎo)煙板，速度降低明顯，這表明折型導(dǎo)煙板相比起直型導(dǎo)煙板起到了一定的對(duì)導(dǎo)流作用，但仍會(huì)有小部分煙塵從兩側(cè)逸出；弧型導(dǎo)煙板的云圖能直觀的觀察到速度場(chǎng)沿著導(dǎo)煙板向中心聚攏，在導(dǎo)煙板兩側(cè)速度為0，這表明弧型導(dǎo)煙板起到了較好的導(dǎo)流作用，使得煙塵基本不會(huì)從兩側(cè)逸出。

圖9 直板、折型板、弧型板速度場(chǎng)Fig.9 The Velocity Field of the Arc?Shaped Plate

圖10（a）為三種導(dǎo)煙板各自的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果的速度對(duì)比圖，可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果基本保持一致的規(guī)律性。由圖可知，直型導(dǎo)煙板的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果在0m與1m處速度為0.74m/s，煙塵向兩側(cè)逸出的速度較大。在軸心處（0.5m）速度為1.57m/s，其軸心處速度在三種導(dǎo)煙板中最小，不利于煙塵向后方輔助集塵裝置運(yùn)動(dòng)；折型導(dǎo)煙板的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果，在0m 與1m 處速度為0.45m/s，其速度小于直型導(dǎo)煙板，說(shuō)明具備一定的導(dǎo)流作用；弧型導(dǎo)煙板的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果，在0m與1m處速度為0，說(shuō)明弧型導(dǎo)煙板兩側(cè)沒(méi)有煙塵逸出，具備良好的導(dǎo)流效果。

考慮到煙塵向兩側(cè)擴(kuò)散的速度主要是速度分量的Y方向起主導(dǎo)作用，因此對(duì)Vy進(jìn)行速度分析。圖10（b）是三種導(dǎo)煙板尾端沿線(xiàn)方向（Y方向）速度值變化曲線(xiàn)，即煙塵向兩側(cè)擴(kuò)散的方向?？梢钥闯鲈?.2m與0.8m處，弧型板速度漸趨于0，而折型板和直型板仍有一定的Y方向分速度，但折型板速度小于直型板。這表明弧型板對(duì)于煙塵導(dǎo)流作用較好，折型板相對(duì)直型板可以起到一定的導(dǎo)流作用，有利于煙塵進(jìn)入后端輔助除塵裝置。

圖10 仿真結(jié)果的速度對(duì)比圖Fig.10 Speed Comparison Chart of Simulation Results

從以上速度方向分析來(lái)看，弧型板對(duì)于高溫?zé)焿m的導(dǎo)流作用最好，折型板也可以起到一定的導(dǎo)流作用，對(duì)比于直型板來(lái)說(shuō)，兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)煙板都能利于煙塵進(jìn)入后端輔助除塵裝置中，從而提高除塵效率。

6 結(jié)論

（1）驗(yàn)證了采用CFD 方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析與高溫浮射流擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律的一致性，使得研究高溫浮射流的擴(kuò)散規(guī)律更簡(jiǎn)潔有效。

（2）通過(guò)改變導(dǎo)煙板的結(jié)構(gòu)，制造出一個(gè)個(gè)微小的沖擊區(qū)域，可以起到減小煙塵Y方向的速度大小，并改變其速度方向，起到較好的導(dǎo)流作用。

（3）設(shè)計(jì)的弧型導(dǎo)煙板和折型導(dǎo)煙板，與原有的直型導(dǎo)煙板對(duì)比可得出，弧型、折型導(dǎo)煙板提高了導(dǎo)流作用及集塵效率，減少了爐頭煙向空氣的排放。

（4）通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出了弧型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流作用最好，能有效的減少高溫?zé)焿m從兩側(cè)的逸出，提高了除塵效率；折型擋煙板導(dǎo)流作用強(qiáng)于直型擋煙板，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。