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摘 要：针对高炉煤气粉尘易沉积于管道三偏心蝶阀阀座密封面底部而造成阀板卡塞与损坏，影响高炉生产并造成严重经济损失，为抑制粉尘沉积，设计了粉尘自动清除装置，并对其除尘效果进行了模拟分析。基于ANSYS Workbench软件的FLUENT模块。
关键字：计算机仿真 工作介质压力 阀板开度 粉尘沉降特性 三偏心蝶阀
高炉煤气（blast furnace gas，BFG）管道内三偏心蝶阀通常用于截断或调节管道内的流量与压力，保证正常的高炉生产活动。BFG中含水分与粉尘，这些水分使粉尘易板结于蝶阀阀座密封面底部，造成阀板卡塞或密封面损坏，以致产生安全隐患。BFG有毒、有害、易燃、易爆、含粉尘并含有饱和水及机械水；BFG管道中高温、高压，工况复杂。现有专门针对BFG管道蝶阀密封面的除尘技术为刮板刮削，耗费人力，自动化程度低，效率低下，耗时较长。目前，应对管道阀门处粉尘板结，维持高炉正常生产流程主要有如下方法：1）对阀门附近管道进行人工振打，使板结粉尘振落，或增加阀门阀板开度调整的操作次数，以确保阀门能够可靠动作。此类方法的不足是人工振打的时机难以准确预测，增大了阀板密封面的磨损速度；2）缩短高炉定修周期，并延长定修时间，以彻底清理管道阀门处的板结粉尘，并根据阀门损坏程度进行修复或更换。因蝶阀备件造价较高，且拆装耗时较长，高炉频繁休风更换蝶阀或清理密封面底部板结粉尘，将打断正常生产流程，造成严重的经济损失。针对上述粉尘清除方法的诸多问题，设计了BFG管道蝶阀密封面粉尘自动清除装置，在保障高炉生产顺利进行的同时，实现了对蝶阀阀座密封面底部区域BFG粉尘的自动清除。在设计过程中，需要进行除尘装置工作介质入口压力对蝶阀区域粉尘沉降特性影响规律的仿真分析。
目前主要通过仿真分析手段研究流场中粉尘的运动规律，而对BFG管道内粉尘运动规律的研究主要集中于除尘工艺的分析与优化。例如：李亮等对BFG重力除尘器进行了安装漏斗型挡板以及将进气管进气方式由中心管改为锥顶进气等技术改进，利用FLUENT软件进行了除尘器内气相流场与颗粒运动轨迹模拟，并对改进效果进行了验证；毛锐等对布袋除尘器进行了气固两相流三维流场数值模拟，了解了除尘器流场分布规律，并在布袋除尘器内部设置一种新型的混合式导流板，为除尘工艺的改进提供了可靠方案；WINFIELD等基于计算流体力学模型分析了典型高炉运行过程中重力除尘器粉尘颗粒分离性能的变化，并从颗粒－流体相互作用角度对分析结果做出了解释；ZHOU等设计了脉冲式反吹风除尘滤袋保护装置用于降低来自气流的损害，并对流场进行了仿真分析。此外，未见对于BFG管道蝶阀区域粉尘沉降规律，以及粉尘自动清除装置除尘效果模拟分析等方面的研究。本文基于ANSYS Work－bench软件的FLUENT模块，模拟分析了以不同入口压力经外部气源进入除尘装置的工作介质对BFG管道蝶阀区域粉尘沉降特性的影响规律，研究结果可为BFG管道蝶阀区域粉尘自动清除装置的研制提供理论基础。
1 建立分析模型
1.1 模型整体结构的建立与网格划分
1.1.1 模型整体结构的建立
选取DN600三偏心金属密封蝶阀并加装除尘装置进行研究。除尘装置焊接于阀体，位于流场上游方向距离阀座密封轴向中心面106.7mm处。整套装置由弧形风管、直风管、风孔和端盖等4种特征组成，通过向管道流场通入高压N2影响蝶阀区域流场特性，进而影响粉尘颗粒运动特性，达到阻止或减少蝶阀阀座密封面底部粉尘沉积的效果。其中，弧形风管的圆弧中心半径为290mm，管内、外径分别为20和26mm；风孔直径为8mm，共8个，间隔15°，均匀分布于弧形风管圆弧对称面两侧；直风管内、外径分别为18和24mm，穿过阀体，用于接通外部高压除尘N2。使用Pro/E完成加装除尘装置的蝶阀及其区域流场的几何建模，分别如图1—图3所示，其中，为使模型特征表达清晰，图3为包含蝶阀阀板等主要特征在内的局部模型。拟分别在45°和90°阀板开度工况下进行仿真，并分别取约5倍（3000mm）和10倍（6000mm）管径（610mm）长度作为蝶阀上、下游（以阀座密封径向中心面为基准）流场计算域，以此减小流场入口、出口边界的影响，确保能够完整模拟整个流场情况。
1—阀杆；2—阀体；3—阀座密封顶部；4—阀板；
5—阀座密封底部；6—除尘装置。
图1 加装除尘装置蝶阀几何模型
1—端盖；2—弧形风管；3—风孔；4—直风管；
5—除尘高压N2入口（inlet2）。
图2 除尘装置几何模型
1.1.2 网格划分
划分网格时，简化模型以便于仿真分析：忽略几何尺寸很小或对蝶阀工作性能影响不大的阀板密封、筋板与阀杆间隙、阀板正面销钉、阀板背面凹坑和螺栓等特征结构。为提高计算精度同时减少计算量，采用六面体与四面体混合网格分别对蝶阀区域流场几何模型进行划分：对蝶阀、除尘装置以及阀座密封面底部等结构复杂的关键部位使用非结构四面体网格并进行加密，对流场入口段（2500mm）和出口段（4000mm）进行六面体网格划分以减少网格数量。设定中间段（2500mm）内阀板的面网格尺寸为0.015mm，除尘装置和阀座密封的面网格尺寸为0.005mm，其他面的面网格尺寸为0.03mm，如图4所示。
1—出口段；2—中间段；3—入口段；4—下游；
5—阀座密封径向中心面；6—除尘装置；7—上游；8—开度。
图3 蝶阀区域流场几何模型（局部）
图4 蝶阀区域流场网格（局部）
1.2 假设条件
为便于仿真分析，在建模时对流场做如下假设：
1）气相为不可压缩流体，即密度为常数；
2）管道与蝶阀为刚体，流体介质冲击产生的轻微振动可忽略；
3）流场温度恒为773K，与外界无热交换；
4）因只与温度有关而与压力无关，气相参数恒定；
5）粉尘颗粒为均质球体；
6）与阀门一天或数天的工作时间相比，10s左右的开度动作时间以及因流速改变而需要阀门动作调节的时间相对较短，即流场处于相对稳定状态，故不考虑阀门动作或流速改变时刻对粉尘沉降特性的影响；
7）由于压力损失较小，对气相材料参数影响微弱，进而对流场特性几乎没有影响，因此以BFG管道出口压力0.25MPa来近似表征管道蝶阀区域的压力环境。
1.3 理论模型
控制方程采用Navier－Stokes方程，并采用LAUNDER和SPALDING提出的标准湍流模型对气相湍流进行描述；BFG入口粉尘质量浓度为10g/m3，经计算其在蝶阀区域的体积分数远小于10%，故粉尘颗粒采用拉格朗日离散相（discrete phase model，DPM）模型；数学方程。非稳态气相与非稳态离散相进行相间耦合计算。
1.4 边界条件
设定入口1（inletl）使用速度入口，10m/s；入口2（inlet2）使用压力入口，分别选择0.25，0.30，0.35MPa；出口（outlet）使用压力出口，0.25MPa；使用蝶阀阀座密封底部半个曲面（沿y－方向）作为粉尘沉积面，DPM边界条件设为trap。
1.5 参数设置
设定除尘装置经inlet2向管道流场通入高压N2。BFG中所占体积分数较大的3种成分为CO2（约20%）、CO（约25%）和N2（约55%）；H2和水蒸气含量较少，对流场影响较小，其中H2仅占1%～4%。因此，仅使用CO2，CO和N2进行仿真分析。基于293K和1标准大气压下BFG的成分及体积分数，并依据NIST－REFPROP数据库，气相在773K，0.25MPa工况下的其他参数如表1所示。设定流场时间步长为0.1s。
表1 气相参数
设定粉尘颗粒初始速度与气相管道入口BFG流速相同，在入口平面沿z＋方向朝流场中均匀喷射30s；依据管道直径、气相入口流速和BFG粉尘含量，设定管道入口粉尘总质量流率（单位时间内经入口平面进入流场的粉尘质量）为0.029 2kg/s。查得某钢厂BFG粉尘粒径分布如表2所示。为符合生产工况进而使计算结果更准确，使用Rosin－Rammler分布函数进行BFG粉尘颗粒粒径分布细化，所得具体参数如表3所示。设定粉尘颗粒追踪时间步长为track with fluid flow time step。
表2 BFG粉尘粒径分布
表3 BFG粉尘颗粒粒径Rosin－Rammler分布参数
2 结果与分析
2.1 结果
分别获得了无除尘装置时和加装除尘装置后不同工作介质入口压力（0.25，0.30，0.35MPa）条件下，2种阀板开度（45°和90°）工况蝶阀区域沉积面上BFG粉尘的沉积质量，如表4所示。无除尘装置时沉积质量较大，且90°时稍大于45°时；加装除尘装置后沉积质量大幅降低，相同入口压力条件下45°时沉积质量稍大于90°时。
表4 BFG粉尘沉积质量
2.2 分析
由于BFG富含水气以及石灰石、铁矿石、焦炭等粉尘，在水气的作用下，粉尘易在蝶阀沉积面沉降并板结。加装除尘装置以向蝶阀区域流场吹入高压N2，改变蝶阀区域BFG流场特性，产生不利于粉尘沉积的因素；并利用管道中BFG介质的输运作用将粉尘送往阀门下游，进一步达到抑制蝶阀沉积面处粉尘沉积的目的。除尘装置工作介质（N2）压力能够影响粉尘清除效果，压力太小会严重削弱除尘效果，并且可能出现管道蝶阀区域BFG逆向流入除尘装置的情况；压力太大虽能实现除尘目的，但会因改变BFG成分而不利于BFG中有益成分的回收利用。
气相流场速度与涡结构是颗粒运动的主要影响因素。由于颗粒对流场质点的跟随性，气相流场速度不同导致颗粒速度不同，动量不同，维持自身运动状态不受流场影响的能力（惯性）也不同；湍流流场中壁面附近涡结构呈现卷吸颗粒的趋势。
自BFG粉尘颗粒经入口进入流场开始第0.5s左右流场已经趋于稳定，沉积面附近流场随时间变化较小。以粉尘颗粒进入流场第5s时为例，选取流场计算域阀座密封径向中心面（见图3，以下简称面1）以及对称平面（yz平面，以下简称面2）上沉积面附近流场速度与涡结构特征进行粉尘沉降特性分析，获得流场速度矢量分布分别如图5、图6所示。其中，由于阀板开度为45°，工作介质入口压力为0.25MPa时，除尘装置内部流场速度矢量方向指向入口2（inlet2），故该条件组合无除尘效果；在流场运动过程中，某些条件（阀板开度、工作介质压力）组合下，除尘装置的工作介质（N2）产生较高的流速，该现象的产生仅在除尘装置内部且存在时间较短。较高流速的出现，极有可能源于较大的工作介质压力作用在较小的除尘装置弧形风管内径（20mm）中，造成瞬态涡流的产生。受除尘装置自身结构以及BFG管道流场的影响，除尘装置工作介质的这种流速较高的状态在进入管道流场时迅速消失，流速大幅降低，维持在60m/s以下。
具体分析如下。
1）无除尘装置时，在阀板开度为45°与90°条件下，面1上流场速度矢量分布较为均匀且相似。为进一步分析沉降特性，选择具有一般性的面2进行分析对比：沉积面附近下游流场均存在逆时针涡结构且与沉积面有一定接触，呈现将粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势；沉积面附近流场速度方向均较为平缓；45°时沉积面附近流场速度略大于90°时，由于颗粒对流场质点的跟随性，粉尘颗粒动量较大，运动状态较难被改变。这两方面的因素导致45°时附近粉尘颗粒向沉积面运动的倾向稍小于90°时，即沉积质量稍小于90°时。
2）含除尘装置时，除流场对称面（面2）附近外，面1上不同工作介质入口压力条件下沉积面附近流场速度矢量方向大部分呈现沿弧形沉积面切向分布的趋势，且部分位置存在背离沉积面的现象，不利于粉尘向沉积面运动，使沉积质量较无除尘装置时减少。
3）阀板开度为45°时：入口压力为0.30MPa与0.35MPa条件下，面1上流场速度矢量分布相近；但0.35MPa条件下面2上沉积面附近上游流场存在涡结构，呈现将粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，沉积质量较大。
4）阀板开度为90°时：0.25MPa条件下，面1上沉积面附近多个位置速度矢量方向背离沉积面，不利于粉尘向沉积面运动，使沉积质量大幅减少；0.30MPa条件下，面1上沉积面附近速度矢量方向背离沉积面的位置较少，沉积质量稍大；0.35MPa条件下，面1上流场速度矢量分布与0.30MPa条件下相近，但面2上沉积面附近上方流场存在涡结构，呈现将粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，沉积质量更大。
经分析得出，在管道蝶阀区域BFG入口流速为10m/s，温度为773K，压力为0.25MPa的条件下，阀板开度为45°时，除尘装置工作介质（气源）压力（入口压力）为0.30MPa时除尘效果相对较好；阀板开度为90°时，除尘装置工作介质（气源）压力（入口压力）为0.25MPa时除尘效果相对较好。
图5 沉积面附近流场速度矢量分布（面1）
图6 沉积面附近流场速度矢量分布（面2）
3 结语
为分析除尘装置工作介质的入口压力对BFG管道蝶阀区域粉尘沉降特性的影响规律，基于ANSYSWorkbench软件的FLUENT模块，应用标准湍流模型和DPM模型进行非稳态相间耦合，对除尘装置不同工作介质入口压力条件下BFG管道蝶阀区域粉尘沉降特性进行了仿真模拟。结果显示：阀板开度为45°、入口压力为0.25MPa条件下，除尘装置内流场反向，基本无除尘效果；其他5种条件组合下除尘装置均能达到抑制蝶阀阀座密封面底部粉尘沉积的效果。不同入口压力条件下，由于阀板开度为45°时较90°时沉积面附近上游流场方向稍向沉积面倾斜，除尘效果较差；而阀板开度为45°和90°时，受沉积面附近流场涡结构以及速度大小与方向的共同影响，除尘装置的除尘效果分别随工作介质入口压力的升高而变差。
来源：调节阀信息网
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2017-3-15 22:42:17
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