高爐煤氣流速對(duì)蝶閥區(qū)域粉塵沉降特性影響.docx

1、第37卷第1期2016年2月Vol.37,No.1Feb.2016河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology文章編號(hào)：1008-1542(2016)01005807dot：10.7535/hbkd.2016yx01010高爐煤氣流速對(duì)蝶閥區(qū)域粉塵沉降特性影響王立新，王斌，黃風(fēng)山(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊050018)摘要：高爐煤氣含有大量粉塵，易沉積于管道三偏心蝶閥閥座密封面底部而造成閥板卡塞或損壞，影響高爐生產(chǎn)并造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。為獲取管道內(nèi)部高爐煤氣流速對(duì)蝶閥區(qū)域粉塵沉降規(guī)律的影響機(jī)理，使用Pro/E建立了蝶閥及

2、其區(qū)域流場(chǎng)的三維模型，基于ANSYSWorkbench軟件的FLUENT模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)K湍流模型和DPM模型，對(duì)3種高爐煤氣流速條件下的蝶閥區(qū)域粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：流速為8m/s工況下，粉塵沉積質(zhì)量隨閥板開度增大而呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，而12m/s和16m/s工況下，粉塵沉積質(zhì)量隨閥板開度增大而降低；閥板開度15°工況下，粉塵沉積率隨高爐煤氣流速增大而升高，而45°和75°工況下，粉塵沉積率隨高爐煤氣流速增大而降低。研究結(jié)果可為高爐煤氣管道蝶閥區(qū)域粉塵自動(dòng)清除裝置的研制提供理論參考。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真；流場(chǎng)分析；高爐煤氣流速；閥板開度；沉降特性；三

3、偏心蝶閥中圖分類號(hào)：TP319；TF547.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AInfluenceofblastfurnacegasflowspeedondustdepositioncharacteristicsinbutterflyvalveregionWANGLixin,WANGBin,HUANGFengshan(SchoolofMechanicalEngineering.HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang,Hebei050018,China)Abstract:Theblastfurnacegascontainsplentyofdust,whi

4、chdepositseasilyonthebottomofseatsealingsurfaceofthetrieccentricbutterflyvalveinthepipeline,causingstuckanddamagetothevalveplate,therebyaffectstheproductionoftheblastfurnaceandbringsgreateconomicloss.Toderivetheinfluencemechanismofeffectsoftheblastfurnacegasflowspeedwithinthepipelineonthedustdeposit

5、ionlawsinthebutterflyvalveregion,a3DmodelofthebutterflyvalveanditsregionalflowfieldisbuiltwithPro/Esoftware.BasedonFLUENTmoduleofANSYSWorkbench,alongwithstandardk-cturbulencemodelandDPMmodel,simulationanalysisofmovingtrajectoriesofdustparticlesinbutterflyvalveregionunder3blastfurnacegas(lowspeedsisc

6、onducted.Resultsshowthatthedepositionmassofdustparticlesdecreasesfirstly,thenincreaseswiththeenlargementofvalveplateopeningangleundertheblastfurnacegasflowspeedof8m/s,whiledecreaseswiththeenlargementofvalveplateopeningundertheblastfurnacegasflowspeedsof12m/sand16m/s.Inthecaseofthevalveplateopeningan

7、gleof15°,thedeposi'tionrateofdustparticlesincreaseswiththegrowingofblastfurnacegasflowspeed,whiledecreaseswiththegrowingofblastfurnacegasflowspeedunderthecasesofvalveplateopeningangleof45°and75°.Theresearchresultsprovideatheoreticalreferenceforthedevelopmentofautomaticdustremovals

8、ysteminthebutterflyvalveregionoftheblastfurnacegaspipeline.收稿日期,2015-08-20；修回日期：20】5-10-28:責(zé)任編輯：李成基金項(xiàng)目：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究育年基金(Q2012073)作者簡(jiǎn)介：王立新(1981-),男，山東日照人，講壞，博士，主要從事機(jī)械仿生及摩擦學(xué)方面的研究.E-mail：ck_021王立新.王斌，黃風(fēng)山.高爐煤氣流速對(duì)蝶閥區(qū)域粉塵沉降特性影響J.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,37(1),58-64.WANGLixin.WANGBin.HUANGFengshan.Influenceofblastfur

9、nacegasflowspeedondustdepositioncharacteristicsinbutterflyvalvereRionJ.JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2016,37(1)s58-64.Keywords：computersimulation!flowfieldanalysis；flowspeedofblastfurnacegas»valveplateopeningangle；depositioncharacteristics；tri-eccentricbutterflyvalve蝶閥通過調(diào)節(jié)管道中高爐

10、煤氣（blastfurnacegas,BFG）流速與壓力來維持高爐正常生產(chǎn)活動(dòng)。BFG中含水氣與粉塵。水氣使粉塵易板結(jié)于蝶閥閥座密封面底部造成閥板卡塞或損壞，使蝶閥失效并產(chǎn)生安全隱患。蝶閥備件費(fèi)用較高且拆裝耗時(shí)較長(zhǎng)。高爐頻繁休風(fēng)清理板結(jié)粉塵或更換蝶閥，會(huì)打斷正常生產(chǎn)流程，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。為研制高爐煤氣管道蝶閥區(qū)域粉塵自動(dòng)清除裝置，實(shí)現(xiàn)蝶閥閥座密封面底部沉積粉塵的自動(dòng)清除，以防止因粉塵在蝶閥閥座密封面上沉積而阻礙閥板轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而影響蝶閥開閉與調(diào)節(jié)，保證高爐正常生產(chǎn)，首先需獲取管道蝶閥區(qū)域BFG粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)外主要通過仿真分析手段研究流場(chǎng)中粉塵運(yùn)動(dòng)規(guī)律，王志強(qiáng)等對(duì)沙塵在防沙堤附近的運(yùn)動(dòng)軌跡

11、進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得并分析了不同風(fēng)速，不同沙塵粒徑，不同防沙堤形狀下沙塵在防沙堤附近的沉積特點(diǎn)；孫國(guó)祥等對(duì)三維空間中氣流對(duì)霧滴漂移的影響進(jìn)行了模擬分析，研究了不同風(fēng)速和噴霧高度條件下霧滴的沉積特性，并建立了霧滴沉積量和沉積率預(yù)測(cè)模型;SALMAN等對(duì)水平管道內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了控制顆粒運(yùn)動(dòng)的主要?dú)鈩?dòng)外力，并建立了基于剛體滑動(dòng)的彈性接觸模型；0H等對(duì)直流式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)了內(nèi)部流場(chǎng)并研究了流場(chǎng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，提出了影響分離效率的因素。由于高爐實(shí)際工況復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相對(duì)缺乏，對(duì)于流場(chǎng)中BFG粉塵在管道蝶閥區(qū)域運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究較少。本文基于ANSYSWorkbenc

12、h軟件的FLUENT模塊，模擬不同BFG流速工況下三偏心蝶閥區(qū)域粉塵沉降過程，分析獲取BFG流速對(duì)粉塵沉降特性的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為BFG管道蝶閥區(qū)域粉塵自動(dòng)清除裝置的設(shè)計(jì)研制提供理論基礎(chǔ)。1數(shù)值模型設(shè)定氣相為不可壓縮流體，即密度為常數(shù)；對(duì)氣相采用標(biāo)準(zhǔn)全£湍流模型和非穩(wěn)態(tài)方式進(jìn)行描述。BFG管道中粉塵體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%,采用DPM模型和非穩(wěn)態(tài)追蹤方式進(jìn)行軌跡計(jì)算。對(duì)DPM中粉塵顆粒,FLUENT中通過積分拉氏坐標(biāo)系下的受力微分方程來求解其軌道。單位質(zhì)量粉塵顆粒的受力微分方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式Ge軸方向）為學(xué)=玲（”一叫）+心二+已，（1）d£pp式中：為流體相對(duì)速度

13、；叫為顆粒速度;p為流體密度;所為顆粒密度。Fd（.u-u,）為顆粒的單位質(zhì)量曳力；蟲心為單位質(zhì)量顆粒所受重力與浮力的合力，設(shè)定蝶閥流場(chǎng)Pp模型重力加速度為9.8m/s2,沿丁一方向；F,通常包括附加質(zhì)鼠力、Saffman升力、布朗力、熱泳力以及Magnus力由于在所設(shè)定流場(chǎng)坐標(biāo)系固定，粉塵密度大于氣相密度，流場(chǎng)粉塵不含亞觀尺度（直徑110pm）的顆粒以及流場(chǎng)溫度恒定且與外界無熱交換等前提下Fx相對(duì)很小，故忽略不計(jì)。由于氣相流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，F(xiàn)LUENT使用流體速度脈動(dòng)導(dǎo)致的瞬時(shí)速度u=ubu，而不是用流體的時(shí)均速度】來考慮顆粒的湍流擴(kuò)散；同時(shí)使用隨機(jī)軌道跟蹤方法，用隨機(jī)游走模型確定流體瞬

14、時(shí)速度。(2)(3)(4)對(duì)式（1）積分得到了顆粒軌道每個(gè)位置的顆粒速度，再沿著每個(gè)坐標(biāo)方向求解式（2）可得到顆粒軌道：dx瓦=如假設(shè)在每個(gè)小的時(shí)間間隔內(nèi)，包含體力在內(nèi)的各項(xiàng)受力均為常量，方程（1）可簡(jiǎn)寫為式中，“為顆粒松弛時(shí)間。FLUENT應(yīng)用梯形差分格式對(duì)方程（3）積分:式中，代表迭代步數(shù)，并且有:(5)(6)=§3+D,u；=景心+心,L=/+如；,在給定時(shí)刻，同時(shí)求解方程（2）、方程（3）,即可確定顆粒的速度與位置。2計(jì)算方案2.1蝶閥區(qū)域特征參數(shù)選取DN600三偏心金屬硬密封蝶閥作為研究對(duì)象，使用Pro/E完成蝶閥及蝶閥區(qū)域流場(chǎng)計(jì)算域幾何建模，分別如圖1、圖2所示。其中，為

15、使模型特征表達(dá)清晰.圖2為包含蝶閥閥板等主要特征在內(nèi)的局部模型。擬分別在15°,45°和75°閥板開度工況下進(jìn)行仿真，并分別取約5倍（3000mm）和10倍（6000mm）管道直徑（610mm）長(zhǎng)度作為蝶閥上、下游（以閥座密封徑向中心面為基準(zhǔn)）流場(chǎng)計(jì)算域，以減小入口、出口邊界的影響，確保完整模擬整個(gè)流場(chǎng)的情況。1一閥桿；2-闕體;3-閥座密封頂部;4一閥座密封底部;5閥板。1出口段;2中間段；3入口段；4下游；5閥座密封徑向中心面;6上游;7閥板開度。圖1蝶閥幾何模型Fig.1Geometrymodelofthebutterflyvalve圖2蝶閥區(qū)域流場(chǎng)幾何模型

16、（局部）Fig.2Flowfieldgeometrymodelofthebutterflyvalveregion（part）2.2網(wǎng)格劃分為便于仿真分析，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略幾何尺寸很小或?qū)Φy工作性能影響不大的閥板密封、筋板與閥桿間隙、閥板正面銷釘、閥板背面凹坑和螺栓等特征結(jié)構(gòu)。為提高計(jì)算精度同時(shí)減少計(jì)算量，采用六面體與四面體混合網(wǎng)格分別對(duì)3種閥板開度工況下的蝶閥區(qū)域流場(chǎng)幾何模型進(jìn)行劃分3：對(duì)蝶閥表面及閥座密封面底部等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵部位使用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格并進(jìn)行加密，對(duì)流場(chǎng)入口段（2500mm）和出口段（4000mm）進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分以減少網(wǎng)格數(shù)質(zhì)。設(shè)定中間段（2500mm）閥板和閥體密封

17、的面網(wǎng)格尺寸分別為0.015mm和0.005mm,其他面的面網(wǎng)格尺寸為0.03mm,如圖3所示。2.二=9;»二2SSBW圖3蝶閥區(qū)域流場(chǎng)網(wǎng)格(局部)Fig.3Flowfieldmeshofthebutterflyvalveregion(part)2.3邊界條件設(shè)定管道與蝶閥無輕微振動(dòng)，流場(chǎng)溫度恒為773K且與外界無熱交換；與閥門1天或數(shù)天的工作時(shí)間相比,10s左右的開度動(dòng)作時(shí)間以及因流速改變而需要閥門動(dòng)作調(diào)節(jié)至正常流速的時(shí)間相對(duì)較短，即流場(chǎng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，故不考慮閥門動(dòng)作或流速改變時(shí)刻對(duì)粉塵沉降特性的影響。使用速度入口并分別設(shè)定8,12,16m/s等3種管道入口BFG流速；使用壓

18、力出口，0.25MPa；使用蝶閥閥座密封底部半個(gè)曲面（沿丁一方向）作為粉塵沉積面，DPM邊界條件設(shè)為trap。2.4氣相參敷使用組分輸運(yùn)模型來模擬氣相流場(chǎng)。BFG中所占體積分?jǐn)?shù)較大的3種成分為CO2（約20%）、CO（約25%）和卬（約55%）【e3；H2和水蒸氣含量較少，對(duì)流場(chǎng)影響較小，其中H2僅占1%4%。因此，僅使用CO2,CO和Nz進(jìn)行仿真分析?；?93K,1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下BFG成分及體積分?jǐn)?shù)，并依據(jù)美國(guó)NIST-REFPROP數(shù)據(jù)庫(kù)，氣相在773K,0.25MPa工況下的其他參數(shù)見表1。設(shè)定流場(chǎng)時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s。表1氣相參數(shù)Tab.1Parametersofgasphase氣體密度

19、/(kgm-3)比熱/(J-(kg-K)-1)熱導(dǎo)率/(W(mK)-*)黏度/(kg(ms)_,)質(zhì)量分敷相對(duì)分子質(zhì)量co21.71161159.15.4766X10-23.4195X10-60.2844.010co1.08501129.95.5742X10'13.4166X10-®0.2228.010N：1.08861116.05.4149X10-23.5085X10s0.528.0132.5粉塵參數(shù)設(shè)定BFG入口粉塵質(zhì)量濃度為10g/m3,并將粉塵顆粒簡(jiǎn)化為均質(zhì)球體kmJ；設(shè)定粉塵顆粒初始速度與氣相管道入口BFG流速相同，在入口平面沿z+方向朝流場(chǎng)中均勻噴射30s；依據(jù)管

20、道直徑、氣相入口流速和BFG粉塵含量，設(shè)定管道入口粉塵總質(zhì)量流率（單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)入口平面進(jìn)入流場(chǎng)的粉塵質(zhì)量）分別為0.0234,0.0350,0.0467kg/s0查得某鋼廠BFG粉塵粒徑分布如表2所示。為符合生產(chǎn)工況且使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，使用Rosin-Rammler分布函數(shù)進(jìn)行粉塵顆粒粒徑分布細(xì)化口，購(gòu)，所得具體參數(shù)如表3所示。表2BFG粉塵牲徑分布Tab.2DustparticlesizedistributionofBFG粒徑/“m。8080100100140140160160180>180質(zhì)微分致/%532338229壓實(shí)密度/（kgm-3）3000表3BFG粉塵顆我粒徑Rosin-

21、Rammler分布參數(shù)Tab.3Rosin-RammlerdistributionparametersforsizesofdustparticlesinBFG最小直徑"m最大直徑/an平均直徑/“m分布指數(shù)直徑紐數(shù)992041684.2871223結(jié)果與分析3.1結(jié)果1）獲得了不同BFG入口流速工況下沉積面上的粉塵沉積質(zhì)量。如表4所示，8m/s工況下，粉塵沉積質(zhì)量隨閥板開度增大而先降后升，而12m/s和16m/s工況下，粉塵沉積質(zhì)量隨閥板開度增大而降低。2）獲得了不同BFGA口流速工況下沉積面上的粉塵沉積率（粉塵沉積質(zhì)量與人口粉塵總質(zhì)量的比值，%）。如表5所示，在15°開度

22、工況下，沉積率隨BFG流速增大而升高，而在45°和75°開度工況下，沉積率分別隨BFG流速增大而降低。流速/(m«8*)-沉枳質(zhì)置/&15,45,75,829.224.831.11250.633.232.91671.942.033.0表4BFG粉塵沉枳質(zhì)量Tab.4DustdepositionmassofBFG流速/(m!»')-沉枳率/%15,4575.84.163.S34.43124.823.163.13165.133.002.36表5BFG粉塵沉積率Tab.5DustdepositionrateofBFG3.2分析渦結(jié)構(gòu)與顆粒速度是

23、沉積面附近BFG粉塵顆粒運(yùn)動(dòng)的主要影響因素“mu.沉積面附近逆時(shí)針渦結(jié)構(gòu)存在將附近流場(chǎng)中粉塵顆粒卷吸至沉積面的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)強(qiáng)弱與渦量正相關(guān)；而粉塵顆粒速度不同，導(dǎo)致自身動(dòng)址（慣性）不同，維持自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不受渦結(jié)構(gòu)影響的能力也不同，這種能力與顆粒速度正相關(guān)。由于粉塵顆粒對(duì)流場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)的跟隨性可通過研究蝶閥區(qū)域沉積面附近BFG流速代替粉塵顆粒速度。另外，不同入口BFG流速工況下的粉塵人口總質(zhì)量流率也會(huì)對(duì)沉積面上粉塵沉積產(chǎn)生影響?？傎|(zhì)量流率越高，某時(shí)刻沉積面附近粉塵顆粒濃度越高，發(fā)生沉積概率相應(yīng)升高。為研究蝶閥區(qū)域沉積面BFG粉塵沉積特性，通過模型坐標(biāo)系的yz坐標(biāo)平面截取管道流場(chǎng)獲取流場(chǎng)的對(duì)稱平面。自

24、粉塵顆粒經(jīng)入口進(jìn)入流場(chǎng)第0.5s左右開始流場(chǎng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，沉積面附近流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)與速度隨時(shí)間變化較小。以第5s時(shí)的流場(chǎng)為例，獲取不同閥板開度、入口流速工況下對(duì)稱平面上沉積面附近BFG渦枇與流速分布規(guī)律，如圖4、圖5所示。可見隨閥板開度增大，沉積面附近渦量在入口BFG流速8m/s工況下先降后升,而在12m/s和16m/s工況下逐漸降低；不同入口BFG流速工況下，沉積面附近BFG流速隨閥板開度增大而降低。1）由沉積面附近BFG渦量、流速分布規(guī)律與沉積質(zhì)量表對(duì)比分析，可見渦械為主要因素。分別在3種入口BFG流速工況下，閥板開度15°時(shí)，渦量均遠(yuǎn)大于其余開度時(shí)的渦雖.且作用強(qiáng)于流速因素，粉塵沉

25、積質(zhì)量較大。在8m/s工況下，45°開度時(shí)渦質(zhì)最小但流速較大，流速影響不能忽略,粉塵沉積質(zhì)林較??；在75°開度時(shí)，渦量稍大于45°開度時(shí)的渦ht，且流速較小，粉塵沉積質(zhì)械大于45°開度時(shí)的沉積質(zhì)在12m/s和16m/s工況下，45°和75°開度時(shí)，渦量逐漸減小，流速也逐漸減小，但渦量是主要因素，粉塵沉積質(zhì)量減小。圖4沉積而附近渦量等值線圖Fig.4Contourmapsofvortexmagnitudesnearthedepositionsurfacea)8m/s.15°b)8m/8.45°c)8m/«,

26、75°d)12m/s.15°e)12m/s.45°f)12m/8,75°g)16m/s,15°h)16m/s,45°i)16m/s,75°ffl5沉積面附近流速等值線圖Fig.5Contourmapsofvelocitymagnitudesnearthedepositionsurface2)在某一固定開度工況下，粉塵沉積率并不為定值。入口BFG流速升高導(dǎo)致BFG粉塵質(zhì)量流率的增加，某時(shí)刻沉積面附近粉塵顆粒濃度增大，發(fā)生沉積概率相應(yīng)升高。同時(shí)，在15°開度工況下，沉積面附近渦量較大，且隨BFG流速增大而大幅上升，將粉

27、塵拋向沉積面促進(jìn)沉積的趨勢(shì)增強(qiáng)，使粉塵沉積質(zhì)量大幅上升,上升幅度超過粉塵人口總質(zhì)量流率提高導(dǎo)致的30s內(nèi)進(jìn)入流場(chǎng)粉塵總質(zhì)量增幅，因此沉積率升高，在45°和75°開度工況下，沉積面附近渦量較小，雖使粉塵沉積質(zhì)量隨BFG流速增大而上升，但上升幅度低于粉塵入口總質(zhì)量流率提高導(dǎo)致的30s內(nèi)進(jìn)入流場(chǎng)粉塵總質(zhì)量增幅.因此沉積率降低。4結(jié)論基于ANSYSWorkbench軟件的FLUENT模塊，模擬分析了不同高爐煤氣流速(8,12,16m/s)對(duì)多種閥板開度(15°,45°,75°)的蝶閥區(qū)域粉塵沉降加律的影響機(jī)制，得出了如下結(jié)論。1) 粉塵沉積質(zhì)量主要受沉

28、積面附近逆時(shí)針渦結(jié)構(gòu)影響,這些渦結(jié)構(gòu)存在將粉塵顆粒卷吸至沉積面的趨勢(shì)，趨勢(shì)的大小與渦址正相關(guān)。因此，在8m/s工況下，沉積面附近渦量隨閥板開度增大而先降后升，導(dǎo)致粉塵沉積質(zhì)量先降后升；而在12m/s和16m/s工況下，沉積面附近渦段隨閥板開度增大而降低，導(dǎo)致粉塵沉積質(zhì)量降低。2) 粉塵沉積率主要受沉積面附近BFG渦結(jié)構(gòu)和流速共同影響，在15°開度工況下，渦結(jié)構(gòu)是主要因素，沉積率隨BFG流速增大而升高；而在45°和75°開度工況下，流速是主要因素，流速增大使粉塵人口總質(zhì)量流率升高，沉積率隨流速增大而降低。參考文獻(xiàn)/References:1 ZHOUZY.ZHUHP,

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