钢铁企业高炉鼓风站的电能消耗十分巨大,其中,鼓风脱湿系统中除雾器阻损对鼓风机的电能消耗影响较大^[1].高炉鼓风系统设置的除雾器主要用于清除由鼓风冷凝时产生的游离雾滴,提高鼓风质量.

本文拟对鼓风脱湿系统中丝网与挡板组合式除雾器的分离机理进行详细分析,在此基础上对除雾器挡板结构内部气液两相流动进行数值模拟,得到流道内液滴的运动轨迹及压力、速度、旋涡分布,为除雾器的进一步优化设计提供指导.

在脱湿除雾器中,挡板主要起导流作用,究其原因在于多层丝网结构的除雾效率很高(根据现场测试数据,对于粒径大于1 μm的粒子,分离效率高达99%;对于粒径大于2 μm的粒子,分离效率高达99.6%).携雾气流流过丝网结构后,其中所夹带的液滴几乎全部被捕集除去.液滴在重力作用下沿丝网的丝径向向下运动,同时继续吸附气体中夹带的雾滴,凝聚变大的雾滴滴落在挡板上,沿挡板流入水槽中,进而排出除雾器外,实现除雾.

本文所研究的鼓风脱湿系统中除雾器布置在脱湿器内二级冷却器之后,为压板固定的框架式8层×8块钢丝网结构(7块斜挡板).除雾器除雾构件如图 1所示.在除雾器中,携雾气流流过钢丝网层实现气液分离,而被丝网捕集分离和与挡板撞击分离的液滴则经挡板导流引入水槽中,进而被排出除雾器外.

图 1

Fig. 1

图 1 除雾器除雾构件 Fig. 1 Demisting component of the demister

携雾气流主要是通过除雾器内的多层钢丝网实现气液分离,达到除雾目的.其除雾机理主要是通过直接拦截、惯性撞击以及小液滴的不规则布朗运动扩散等三种方式实现丝网结构对液滴的捕捉.

携雾气流在除雾构件内流动,由于流线偏折,在惯性作用下,液滴不能随气流偏转而撞击到挡板上,其中:动量较小的液滴粘附在挡板表面被捕获;动量较大的大液滴撞击挡板表面发生溅射,产生多个小液滴.聚集在挡板表面的水滴受三种力的作用,即拉力、重力和表面张力.当重力占主导地位时,液滴在重力作用下沿挡板表面流入集液槽排出.气流冲刷挡板表面的液膜,将其卷起、带走.撞击在挡板表面的液滴由于自身的动量过大而破裂、飞溅,均可能导致雾沫的二次夹带.

携雾气流在除雾器内的流动实际上是一种可压缩的黏性流体的三维、非定常的复杂流动.对这一实际流动情况无法采用数学形式精确描述.本文从既能较好反映实际情况又力求模型构造简单角度出发,在合理误差范围内对流场作简化:

(1) 由于气流速度较小,马赫数远小于0.1,故可把气体视为不可压缩气体处理^[2];

(2) 考虑在实际的稳定工作条件下,流动参数与时间的关系及气流的振荡对流场的影响可忽略,故将流动视为定常流动;

(3) 采用冷态条件,过程中不考虑温度的影响,不考虑气液传热和液体蒸发等现象;

(4) 由于液滴粒径很小,故可作球形处理,考虑流动中其重力和气相对液滴的曳力;同时假定其在运动中直径不变,不考虑液滴之间的碰撞、聚合等现象,且忽略蒸发、摩擦、撕裂及热效应的影响,不考虑气液两相之间的任何能量交换;

(5) 液滴无溅射,不考虑壁面反弹、液膜形成与撕裂,忽略二次带水的影响;

(6) 液滴接触挡板,即认为被捕集;液滴到达除雾器出口时,即认为液滴逃逸.

本文采用计算流体力学(CFD)应用软件Fluent进行数值计算,应用其前处理软件Gambit生成网格,并参考以往的数值计算结果和经验^[3],整个计算区域采用非均匀的网格布置方式.为了提高整体网格质量,网格划分时先对除雾器部分进行网格加密,采用内部面将除雾器所在体与其他体分离.

将模型分割为四个计算区域：方管段、除雾器、渐缩段和圆管段.先划分除雾器的相关网格,在挡板结构上生成线网格,采用相似边界软连接,再采用混合结构网格从已有边界网格生成挡板结构体网格,最后生成除雾器的体网格.除雾器简化三维模型如图 2所示.其四个计算区域的网格划分均采用混合结构网格,共生成75 965个节点,353 251个混合形式网格.除雾器网格划分如图 3所示.

图 2

Fig. 2

图 2 除雾器简化三维模型 Fig. 2 Simplified three-dimensional model of the demister

图 3

Fig. 3

图 3 除雾器网格划分 Fig. 3 Mesh of the demister

在除雾器内流场的数值模拟中,通道内包括互相之间交换质与能的三相——气相、气流夹带的液滴相和挡板表面的液膜相.本文采用两相流模型,只考虑气相和液滴相.

对于连续相(气相),由雷诺数可知流动为湍流.本文采用SIMPLE算法进行压力-速度耦合,采用有限体积法对算例进行离散处理.压力采用Standard离散格式,动量、湍流动能、湍流耗散率均采用二阶迎风离散格式,以获得较准确的解.

对于离散相(液滴相),由于除雾器中气流内液滴的体积分数小于10%,故可忽略颗粒之间的相互作用、颗粒对气相的影响、颗粒的运动轨迹^{[3, 4, 5]}.本文选用基于Lagraian-Eulerian法的DPM(discrete phase model)模型,按拉格朗日方法对各个颗粒方程进行积分求解.

交替求解离散相与连续相的控制方程,直到两者均收敛从而实现离散相与连续相双向耦合.

携雾气流中液滴流动轨迹计算时只需考虑阻力和重力的影响^[6].

气相作为连续相在欧拉坐标系中描述;液滴相作为离散相在拉格朗日坐标系中描述^[7].初始条件及边界条件分别为:

(1) 连续相(气相)

介质:空气,密度为1.205 kg·m^-3,动力黏度(20℃)为18.1 μPa·s.

进口条件:给定气流速度u_y=1.2 m·s^-1,u_x=0,假设其在进口截面为均匀分布,湍流度为0.05^[8].

出口条件:自由出流.

壁面条件:无滑移,绝热.

(2) 离散相(液滴相)：

介质:水,呈细小液滴状,密度为1.0×10³ kg·m^-3,平均液滴直径为5 μm,鼓风含湿量为10 g·Nm^-3.

进口条件:设定液滴速度与气流速度相同^[9],喷射类型选为表面,使液滴在进口截面均匀分布.

壁面条件:选择捕集类型,即不考虑反弹,液滴触及壁面即认为被捕集,不考虑二次夹带效应.

当计算连续性残差、速度残差、湍流动能残差、湍流耗散率残差均降至10^-3,且入口与出口气相流量相差小于3%时认为计算收敛^[10].

图 4为计算得到的液滴质量浓度c的分布.由图可知:在捕集液滴的除雾构件区域及起导流作用的挡板附近液滴质量浓度明显较高,而在整个除雾构件中第四至第六块斜挡板之间区域的液滴质量浓度稍高,说明此处的除雾效率较高.由图 4亦可知,除雾器虽不能完全除去所有液滴,但其液滴分离效果已足以保证系统连续、可靠地运行.

图 4

Fig. 4

图 4 y=0平面液滴质量浓度分布 Fig. 4 Droplet concentration distribution at the plane of y=0

采用Fluent软件对除雾器进行模拟,得到的连续相和离散相的运动轨迹如图 5所示,其中图 5(b)为计算得到的除雾器内液滴的随机运动轨迹.由图 5(b)可知,液滴运动轨道主要集中在除雾器除雾构件中的中间五块挡板部分区域,这对于除雾器的工程优化设计有着重要的指导意义.此外,液滴主要在除雾器中被捕集,小部分进入渐缩段与壁面发生碰撞而被分离.被捕集的液滴主要源自携雾气流的主流两侧,由于受到气流速度梯度影响,其在流线偏折时所受离心惯性作用较大,容易发生偏转,撞击在壁面上而被捕集.故除雾器入口处液滴参数的设计对除雾效率的提高具有较大影响.

图 5

Fig. 5

图 5 连续相和离散相运动轨迹 Fig. 5 Path lines of the continuous phase and discrete phase

由图 5(b)亦可知,鼓风脱湿系统中的丝网与挡板组合式除雾器可有效地实现气液分离.

除雾器中压力和速度分布云图如图 6所示.由图可知,方管段和圆管段压力、速度分布较为均匀.携雾气流流过除雾器挡板结构的过程中未出现显著的压降,而流过除雾器出口处的渐缩段时发生了明显的压降,降幅达142 Pa左右.其产生的主要原因是流体的流通面积减小,并且截面形状突然改变,流体流线被迫发生改变^[11].由于旋流作用较强,在渐缩段方圆突变截面后出现了明显的低压区,在渐缩段后方圆突变截面处及其后一段距离内亦出现了显著的压降.

图 6

Fig. 6

图 6 y=0平面压力和速度分布云图 Fig. 6 Contours of the total pressure and velocity magnitude at the plane of y=0

脱湿除雾器内的湍流动能和湍流耗散率分布如图 7所示.在整个脱湿除雾器中,湍流耗散最强烈的区域为渐缩段后一段距离.在除雾器除雾构件中,中间五块挡板部分区域的湍流动能最大,湍流耗散强烈,是除雾器内实现气液分离的关键区域,携雾气流流过除雾器通道时,气流主要流道在该区域.由于惯性力的作用,气流中液滴的跟随性变差,速度迟豫时间延长,所以易于碰到壁面而被捕集^[12].在第三、四块挡板下部区域的高压低速区是除雾器挡板结构中湍流动能最大、湍流耗散最强烈的区域.该区域除雾效率较高.气体流过除雾器后在最上及最下处竖直挡板后易形成回流区,此处亦可能产生角涡,加剧了流场的扰动,增大了系统压力损失.上部竖直挡板附近流域局部放大图如图 8所示.

图 7

Fig. 7

图 7 y=0平面湍流分布云图 Fig. 7 Contours of the turbulent at the plane of y=0

图 8

Fig. 8

图 8 上部竖直挡板附近流线局部放大图 Fig. 8 Partial enlargement diagram of the path lines near the upper vertical baffle

本文运用两相流模型对鼓风脱湿系统除雾器挡板结构的主要性能进行了数值模拟,得到了液滴质量浓度、压力、速度及旋涡分布情况,展示了其三维内部流场,揭示了实验手段难以获得的数据和现象.计算结果表明:鼓风脱湿系统除雾器能够有效实现携雾气流中液滴的分离.模拟结果对除雾器结构设计、降低除雾器内流动阻力具有一定的参考性意义.