高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降特性影响.docx

1、第37卷第1期2016年2月Vol.37,No.1Feb.2016河北科技大学学报JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology文章编号：1008-1542(2016)01005807dot：10.7535/hbkd.2016yx01010高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降特性影响王立新，王斌，黄风山(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄050018)摘要：高炉煤气含有大量粉尘，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或损坏，影响高炉生产并造成严重经济损失。为获取管道内部高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降规律的影响机理，使用Pro/E建立了蝶阀及

2、其区域流场的三维模型，基于ANSYSWorkbench软件的FLUENT模块，采用标准K湍流模型和DPM模型，对3种高炉煤气流速条件下的蝶阀区域粉尘运动轨迹进行了模拟分析。结果表明：流速为8m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而呈现先降后升的趋势，而12m/s和16m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而降低；阀板开度15°工况下，粉尘沉积率随高炉煤气流速增大而升高，而45°和75°工况下，粉尘沉积率随高炉煤气流速增大而降低。研究结果可为高炉煤气管道蝶阀区域粉尘自动清除装置的研制提供理论参考。关键词：计算机仿真；流场分析；高炉煤气流速；阀板开度；沉降特性；三

3、偏心蝶阀中图分类号：TP319；TF547.2文献标志码：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:责任编辑：李成基金项目：河北省高等学校科学技术研究育年基金(Q2012073)作者简介：王立新(1981-),男，山东日照人，讲坏，博士，主要从事机械仿生及摩擦学方面的研究.E-mail：ck_021王立新.王斌，黄风山.高炉煤气流速对蝶阀区域粉尘沉降特性影响J.河北科技大学学报，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蝶阀通过调节管道中高炉

10、煤气（blastfurnacegas,BFG）流速与压力来维持高炉正常生产活动。BFG中含水气与粉尘。水气使粉尘易板结于蝶阀阀座密封面底部造成阀板卡塞或损坏，使蝶阀失效并产生安全隐患。蝶阀备件费用较高且拆装耗时较长。高炉频繁休风清理板结粉尘或更换蝶阀，会打断正常生产流程，造成严重经济损失。为研制高炉煤气管道蝶阀区域粉尘自动清除装置，实现蝶阀阀座密封面底部沉积粉尘的自动清除，以防止因粉尘在蝶阀阀座密封面上沉积而阻碍阀板转动进而影响蝶阀开闭与调节，保证高炉正常生产，首先需获取管道蝶阀区域BFG粉尘运动规律。目前，国内外主要通过仿真分析手段研究流场中粉尘运动规律，王志强等对沙尘在防沙堤附近的运动轨迹

11、进行了数值模拟，获得并分析了不同风速，不同沙尘粒径，不同防沙堤形状下沙尘在防沙堤附近的沉积特点；孙国祥等对三维空间中气流对雾滴漂移的影响进行了模拟分析，研究了不同风速和喷雾高度条件下雾滴的沉积特性，并建立了雾滴沉积量和沉积率预测模型;SALMAN等对水平管道内颗粒运动进行了数值模拟，分析了控制颗粒运动的主要气动外力，并建立了基于刚体滑动的弹性接触模型；0H等对直流式旋风分离器内部流场进行了数值模拟，预测了内部流场并研究了流场对颗粒运动的影响，提出了影响分离效率的因素。由于高炉实际工况复杂且现场实验相对缺乏，对于流场中BFG粉尘在管道蝶阀区域运动规律的研究较少。本文基于ANSYSWorkbenc

12、h软件的FLUENT模块，模拟不同BFG流速工况下三偏心蝶阀区域粉尘沉降过程，分析获取BFG流速对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设计研制提供理论基础。1数值模型设定气相为不可压缩流体，即密度为常数；对气相采用标准全£湍流模型和非稳态方式进行描述。BFG管道中粉尘体积分数远小于10%,采用DPM模型和非稳态追踪方式进行轨迹计算。对DPM中粉尘颗粒,FLUENT中通过积分拉氏坐标系下的受力微分方程来求解其轨道。单位质量粉尘颗粒的受力微分方程在笛卡尔坐标系下的形式Ge轴方向）为学=玲（”一叫）+心二+已，（1）d£pp式中：为流体相对速度

13、；叫为颗粒速度;p为流体密度;所为颗粒密度。Fd（.u-u,）为颗粒的单位质量曳力；虫心为单位质量颗粒所受重力与浮力的合力，设定蝶阀流场Pp模型重力加速度为9.8m/s2,沿丁一方向；F,通常包括附加质鼠力、Saffman升力、布朗力、热泳力以及Magnus力由于在所设定流场坐标系固定，粉尘密度大于气相密度，流场粉尘不含亚观尺度（直径110pm）的颗粒以及流场温度恒定且与外界无热交换等前提下Fx相对很小，故忽略不计。由于气相流体的流动状态为湍流，FLUENT使用流体速度脉动导致的瞬时速度u=ubu，而不是用流体的时均速度】来考虑颗粒的湍流扩散；同时使用随机轨道跟踪方法，用随机游走模型确定流体瞬

14、时速度。(2)(3)(4)对式（1）积分得到了颗粒轨道每个位置的颗粒速度，再沿着每个坐标方向求解式（2）可得到颗粒轨道：dx瓦=如假设在每个小的时间间隔内，包含体力在内的各项受力均为常量，方程（1）可简写为式中，“为颗粒松弛时间。FLUENT应用梯形差分格式对方程（3）积分:式中，代表迭代步数，并且有:(5)(6)=§3+D,u；=景心+心,L=/+如；,在给定时刻，同时求解方程（2）、方程（3）,即可确定颗粒的速度与位置。2计算方案2.1蝶阀区域特征参数选取DN600三偏心金属硬密封蝶阀作为研究对象，使用Pro/E完成蝶阀及蝶阀区域流场计算域几何建模，分别如图1、图2所示。其中，为

15、使模型特征表达清晰.图2为包含蝶阀阀板等主要特征在内的局部模型。拟分别在15°,45°和75°阀板开度工况下进行仿真，并分别取约5倍（3000mm）和10倍（6000mm）管道直径（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，以减小入口、出口边界的影响，确保完整模拟整个流场的情况。1一阀杆；2-阙体;3-阀座密封顶部;4一阀座密封底部;5阀板。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上游;7阀板开度。图1蝶阀几何模型Fig.1Geometrymodelofthebutterflyvalve图2蝶阀区域流场几何模型

16、（局部）Fig.2Flowfieldgeometrymodelofthebutterflyvalveregion（part）2.2网格划分为便于仿真分析，对模型进行简化，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3种阀板开度工况下的蝶阀区域流场几何模型进行划分3：对蝶阀表面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质。设定中间段（2500mm）阀板和阀体密封

17、的面网格尺寸分别为0.015mm和0.005mm,其他面的面网格尺寸为0.03mm,如图3所示。2.二=9;»二2SSBW图3蝶阀区域流场网格(局部)Fig.3Flowfieldmeshofthebutterflyvalveregion(part)2.3边界条件设定管道与蝶阀无轻微振动，流场温度恒为773K且与外界无热交换；与阀门1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至正常流速的时间相对较短，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。使用速度入口并分别设定8,12,16m/s等3种管道入口BFG流速；使用压

18、力出口，0.25MPa；使用蝶阀阀座密封底部半个曲面（沿丁一方向）作为粉尘沉积面，DPM边界条件设为trap。2.4气相参敷使用组分输运模型来模拟气相流场。BFG中所占体积分数较大的3种成分为CO2（约20%）、CO（约25%）和卬（约55%）【e3；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Nz进行仿真分析。基于293K,1标准大气压下BFG成分及体积分数，并依据美国NIST-REFPROP数据库，气相在773K,0.25MPa工况下的其他参数见表1。设定流场时间步长为0.1s。表1气相参数Tab.1Parametersofgasphase气体密度

19、/(kgm-3)比热/(J-(kg-K)-1)热导率/(W(mK)-*)黏度/(kg(ms)_,)质量分敷相对分子质量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粉尘参数设定BFG入口粉尘质量浓度为10g/m3,并将粉尘颗粒简化为均质球体kmJ；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

20、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）分别为0.0234,0.0350,0.0467kg/s0查得某钢厂BFG粉尘粒径分布如表2所示。为符合生产工况且使计算结果更准确，使用Rosin-Rammler分布函数进行粉尘颗粒粒径分布细化口，购，所得具体参数如表3所示。表2BFG粉尘牲径分布Tab.2DustparticlesizedistributionofBFG粒径/“m。8080100100140140160160180>180质微分致/%532338229压实密度/（kgm-3）3000表3BFG粉尘颗我粒径Rosin-

21、Rammler分布参数Tab.3Rosin-RammlerdistributionparametersforsizesofdustparticlesinBFG最小直径"m最大直径/an平均直径/“m分布指数直径纽数992041684.2871223结果与分析3.1结果1）获得了不同BFG入口流速工况下沉积面上的粉尘沉积质量。如表4所示，8m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而先降后升，而12m/s和16m/s工况下，粉尘沉积质量随阀板开度增大而降低。2）获得了不同BFGA口流速工况下沉积面上的粉尘沉积率（粉尘沉积质量与人口粉尘总质量的比值，%）。如表5所示，在15°开度

22、工况下，沉积率随BFG流速增大而升高，而在45°和75°开度工况下，沉积率分别随BFG流速增大而降低。流速/(m«8*)-沉枳质置/&15,45,75,829.224.831.11250.633.232.91671.942.033.0表4BFG粉尘沉枳质量Tab.4DustdepositionmassofBFG流速/(m!»')-沉枳率/%15,4575.84.163.S34.43124.823.163.13165.133.002.36表5BFG粉尘沉积率Tab.5DustdepositionrateofBFG3.2分析涡结构与颗粒速度是

23、沉积面附近BFG粉尘颗粒运动的主要影响因素“mu.沉积面附近逆时针涡结构存在将附近流场中粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，这种趋势强弱与涡量正相关；而粉尘颗粒速度不同，导致自身动址（惯性）不同，维持自身运动状态不受涡结构影响的能力也不同，这种能力与颗粒速度正相关。由于粉尘颗粒对流场质点的跟随性可通过研究蝶阀区域沉积面附近BFG流速代替粉尘颗粒速度。另外，不同入口BFG流速工况下的粉尘人口总质量流率也会对沉积面上粉尘沉积产生影响。总质量流率越高，某时刻沉积面附近粉尘颗粒浓度越高，发生沉积概率相应升高。为研究蝶阀区域沉积面BFG粉尘沉积特性，通过模型坐标系的yz坐标平面截取管道流场获取流场的对称平面。自

24、粉尘颗粒经入口进入流场第0.5s左右开始流场已经趋于稳定，沉积面附近流场涡结构与速度随时间变化较小。以第5s时的流场为例，获取不同阀板开度、入口流速工况下对称平面上沉积面附近BFG涡枇与流速分布规律，如图4、图5所示。可见随阀板开度增大，沉积面附近涡量在入口BFG流速8m/s工况下先降后升,而在12m/s和16m/s工况下逐渐降低；不同入口BFG流速工况下，沉积面附近BFG流速随阀板开度增大而降低。1）由沉积面附近BFG涡量、流速分布规律与沉积质量表对比分析，可见涡械为主要因素。分别在3种入口BFG流速工况下，阀板开度15°时，涡量均远大于其余开度时的涡虽.且作用强于流速因素，粉尘沉

25、积质量较大。在8m/s工况下，45°开度时涡质最小但流速较大，流速影响不能忽略,粉尘沉积质林较小；在75°开度时，涡量稍大于45°开度时的涡ht，且流速较小，粉尘沉积质械大于45°开度时的沉积质在12m/s和16m/s工况下，45°和75°开度时，涡量逐渐减小，流速也逐渐减小，但涡量是主要因素，粉尘沉积质量减小。图4沉积而附近涡量等值线图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沉积面附近流速等值线图Fig.5Contourmapsofvelocitymagnitudesnearthedepositionsurface2)在某一固定开度工况下，粉尘沉积率并不为定值。入口BFG流速升高导致BFG粉尘质量流率的增加，某时刻沉积面附近粉尘颗粒浓度增大，发生沉积概率相应升高。同时，在15°开度工况下，沉积面附近涡量较大，且随BFG流速增大而大幅上升，将粉

27、尘抛向沉积面促进沉积的趋势增强，使粉尘沉积质量大幅上升,上升幅度超过粉尘人口总质量流率提高导致的30s内进入流场粉尘总质量增幅，因此沉积率升高，在45°和75°开度工况下，沉积面附近涡量较小，虽使粉尘沉积质量随BFG流速增大而上升，但上升幅度低于粉尘入口总质量流率提高导致的30s内进入流场粉尘总质量增幅.因此沉积率降低。4结论基于ANSYSWorkbench软件的FLUENT模块，模拟分析了不同高炉煤气流速(8,12,16m/s)对多种阀板开度(15°,45°,75°)的蝶阀区域粉尘沉降加律的影响机制，得出了如下结论。1) 粉尘沉积质量主要受沉

28、积面附近逆时针涡结构影响,这些涡结构存在将粉尘颗粒卷吸至沉积面的趋势，趋势的大小与涡址正相关。因此，在8m/s工况下，沉积面附近涡量随阀板开度增大而先降后升，导致粉尘沉积质量先降后升；而在12m/s和16m/s工况下，沉积面附近涡段随阀板开度增大而降低，导致粉尘沉积质量降低。2) 粉尘沉积率主要受沉积面附近BFG涡结构和流速共同影响，在15°开度工况下，涡结构是主要因素，沉积率随BFG流速增大而升高；而在45°和75°开度工况下，流速是主要因素，流速增大使粉尘人口总质量流率升高，沉积率随流速增大而降低。参考文献/References:1 ZHOUZY.ZHUHP,

29、WRIGHTB.etal.Gas-solidflowinanironmakingblastfurnace-(1:DiscreteparticlesimulationJ.PowderTechnology.2011,208(1)：72-85.2 王志强.何艺峰，黄辰敏.等.沙尘在防沙堤附近沉枳特性的数值模拟J.中国粉体技术，2012.18(5)：50-52.WANGZhiqiang,HEYifeng.HUANGShengmin.etal.Numericalsimulationonsedimentationcharacteristicsofsanddustaroundsandpreventingdy

30、keJ.ChinaPowderScienceandTechnology.2012,18(5)：50-52.3 孙国祥，汪小fij,丁为民.等.基于CFD离敝相模咬雾满沉枳特性的模拟分析J.农业工程学报.2012,28(6),13-19.SUNGuoxianR.WANGXiaochan.DINGWeimin.ctal.SimulationanalysisoncharacteristicsofdropletbaseonCFDdiscretephasemodclJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering.2012.28(6)：

31、13-19.4 SALMANADGORHAMDA.SZABOM,ct.al.SphericalparticlemovementindilutepneumaticconveyingJ.PowderTechnology.2005,153(1)：43-50.5 OHJ.CHOIS,KIMJ.Numericalsimulationofaninternalflowfieldinauniflowcycloneseparatorfjj.PowderTechnology.2015,2741135-145.6 罗悔乾，程兆雪，谢永私流体力学M.第3版.北京；机械工业出版社，2007.7jCHUANT.GIMBU

32、NJ,CHOONGTS,etal.ACFDstudyontheeffectofconedimensionsonsamplingaero-cyclonesperformanceandhydrodynamics。.PowderTechnology.2006,162(2):126-132.8 李光辉.槽道内可吸入颗粒物近壁运动的直接致值模拟D.北京：清华大学，2005.LIGuanghui.DirectNumericalSimulationofInhalableParticleMotioninChannelFlowfD.BeijingtTsinghuaUniversity,2005.9 SONGXG

33、.WANGL,BAEKSH«etal.MultidisciplinaryoptimizationofabutterflyvalveJ.ISATransactions«200948(2)：370-377.10 官洪儿.峰阀与多板阀的内部流场敷值模拟及结构静力分析D.沈阳：东北大学，2010.GUANMonger.InteriorFlow-fieldNumericalSimulationandStaticAnalysisofButterfly-valveandMulti-discsValveD.Shenyang：NortheasternUniversity*2010.11jPU

34、GHD*GILESA.HOPKINSA,etal.Thermaldistributiveblastfurnacegascharacterisation,asteelworkscasestudyJ.AppliedThermalEngineering,2013»53(2):358-365.12 WINFIELDD,CROFTN,CROSSM.etal.Incorporatingdustlift-offintoaCFDmodelofablastfurnacegravitydust-catcherJ.AppliedMathematicalModelling,2013,37(16-17),78

35、91-7904.13 王洪宾.高炉炉顶煤气分析系统的研究与应用D.沈阳：东北大学，2012.WANGHongbin.ResearchonGasAnalysisSystemofBlastFurnaceTopandItsApplicationD.Shenyang>NortheasternUniversity.2012.14 邹永安.高炉煤/布袋除尘技术的发展与展望J.四川冶金，2008,30(5),55-57.ZOUYongan.Developmentandprospectofthebag-typedustremovingtechnologyforblastfurnacegasJ.SichuanMetallurgy,2008.30(5)t55-57.15 胡大山.粉尘在通风除尘管道内沉积行为的研究D.武汉：武汉科技大学，2008.HUDashan.TheProceedingsfortheSedimentationofDustinVentiductD.Wuhan：WuhanUniversityofScienceandTechnology,2008.163张涛，李红文.管道复杂流场，固两相流DPM仿真优化J.天律大学学报(自然科学与工程技术版),2015,48(1)：39-48.ZHANGTao,LIHongwen.Simulationo