高華東，肖春

（中冶建筑研究總院有限公司華東分院，上海 201900）

引言

鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序產(chǎn)生的燒結(jié)礦粉塵磨琢性非常強(qiáng)，除塵系統(tǒng)的管道彎頭、氣力輸送系統(tǒng)管道彎頭、機(jī)械輸灰刮板機(jī)鏈板等經(jīng)常出現(xiàn)磨損[1]。處理燒結(jié)礦粉塵的脈沖布袋除塵器也極易出現(xiàn)磨損，尤其是除塵器布袋，如果磨損嚴(yán)重發(fā)生泄漏，將直接導(dǎo)致煙塵排放超標(biāo)。某企業(yè)燒結(jié)機(jī)尾脈沖袋式除塵器設(shè)置了一套分室袋漏檢測系統(tǒng)，又稱為分室檢漏，即在多倉室除塵器的每一個(gè)倉室都設(shè)置一個(gè)粉塵濃度儀，當(dāng)布袋破損時(shí)確保能迅速定位破袋位置，及時(shí)更換破損濾袋，縮短超標(biāo)排放時(shí)間。該監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行過程中就及時(shí)發(fā)現(xiàn)了一起破袋故障，檢修人員迅速更換了濾袋。后續(xù)生產(chǎn)過程中，短時(shí)間內(nèi)接連出現(xiàn)破袋。初步分析除塵器本體流場存在問題，在后續(xù)大修期間對除塵器的灰斗內(nèi)流場進(jìn)行了改造。

1 燒結(jié)機(jī)尾除塵系統(tǒng)概況

燒結(jié)機(jī)在生產(chǎn)過程中會(huì)散發(fā)大量粉塵，環(huán)境污染十分嚴(yán)重。為此，燒結(jié)機(jī)尾除塵系統(tǒng)采用高效率的脈沖布袋除塵器作為凈化設(shè)備，保證廢氣的排放濃度滿足排放限值。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)總風(fēng)量為105萬m3/h（工況）。含塵廢氣經(jīng)過預(yù)處理器（火花撲集器）將廢氣中含有火星的粉塵顆粒以及大顆粒粉塵收集后再進(jìn)入脈沖布袋除塵器，凈化后的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)由煙囪排入大氣。預(yù)處理器（火花捕集器）及除塵器收集的粉塵由氣力輸送系統(tǒng)送至配料室內(nèi)的粉塵槽回收利用。

脈沖布袋除塵器采用6室雙排布置，中間風(fēng)道進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)，風(fēng)道中部由斜隔板隔開進(jìn)風(fēng)道和出風(fēng)道。除塵設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 燒結(jié)機(jī)尾除塵設(shè)備

2 分室檢漏系統(tǒng)

2.1 原理介紹

袋漏檢測的主要手段有直接觀測法、激光法、濁度法、射線法、電荷法、差壓法、電容法等，其中微電荷法由于精度高、可靠性好、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便逐漸被市場接受。微電荷法的精度可達(dá)0.005mg/m3；監(jiān)測范圍可從0.01mg/m3到1000mg/m3。

微電荷法主要由傳感器、同軸電纜、控制器和顯示終端等組成，在夾帶顆粒物的氣流中，當(dāng)顆粒與探頭碰撞時(shí)，顆粒和探頭間會(huì)發(fā)生電荷傳遞（即摩擦起電）。氣流中的顆粒自身也帶有一定凈電荷，當(dāng)顆粒經(jīng)過探頭附近時(shí)，探頭上也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷（即靜電感應(yīng)）。當(dāng)一個(gè)顆粒與探頭碰撞或經(jīng)過探頭附近時(shí)，電荷轉(zhuǎn)遞量的多少取決于顆粒的物理和化學(xué)性質(zhì)（如大小、化學(xué)組成、介電常數(shù)等）及速度。一群顆粒物與探頭碰撞或經(jīng)過探頭附近時(shí)的綜合結(jié)果是在探頭上產(chǎn)生的微小電流信號，信號的強(qiáng)度與一定時(shí)間內(nèi)碰撞或經(jīng)過探頭附近的顆粒數(shù)量成正比，通過專用同軸電纜傳送到控制單元。

2.2 系統(tǒng)安裝

圖2所示為典型的微電荷法袋漏檢測系統(tǒng)。將微電荷傳感器放置在除塵器潔凈室的出氣口處，如果氣流內(nèi)所含的顆粒物與傳感器探針碰撞或掠過，從而產(chǎn)生電流，并流向測量電路，電流經(jīng)濾波放大處理后顯示在終端，微電流的大小可以反映顆粒物濃度的高低。

圖2 微電荷法袋漏檢測系統(tǒng)

傳感器的安裝位置至關(guān)重要，既要方便檢修，又要檢測準(zhǔn)確。為此，對除塵器單室做了流場數(shù)值模擬（見圖3、圖4）。經(jīng)過分析最終將傳感器安裝在除塵器單室出口閥底圈側(cè)面（見圖5）。

圖3 除塵器單室流場模擬1

圖4 除塵器單室流場模擬2

圖5 傳感器安裝位置

2.3 結(jié)果判斷

脈沖閥的每一次噴吹都會(huì)造成粉塵濃度升高，如果有漏袋則粉塵濃度會(huì)急劇升高，對應(yīng)的電信號也將出現(xiàn)峰值。分室袋漏監(jiān)測系統(tǒng)安裝初期，需經(jīng)過一段時(shí)間記錄測量值趨勢以確定袋漏報(bào)警的基數(shù)值。如可設(shè)置一個(gè)基數(shù)值10～20pA，報(bào)警值設(shè)置為30～50pA，且報(bào)警延遲時(shí)間足夠長，以便清灰尖峰不會(huì)激活報(bào)警。圖6為一個(gè)典型的報(bào)警趨勢圖。

圖6 漏袋報(bào)警趨勢圖

3 除塵器流場改造

分室袋漏檢測系統(tǒng)投運(yùn)后出現(xiàn)過多次報(bào)警，每次報(bào)警后經(jīng)檢查都有漏袋，說明此系統(tǒng)報(bào)警信息可靠。濾袋經(jīng)常損壞且損壞的位置大部分集中在濾袋的下部和底部（見圖7、圖8），說明除塵器流場可能存在缺陷，導(dǎo)致濾袋被沖刷破壞。

圖7 濾袋破損1

圖8 濾袋破損2

3.1 除塵器單室流場數(shù)值模擬

3.1.1 物理模型

為簡化計(jì)算，取整臺(tái)除塵器中的一個(gè)室進(jìn)行模擬，包括灰斗進(jìn)風(fēng)彎管、灰斗、灰斗導(dǎo)流板、濾袋室側(cè)壁、花板（濾袋忽略）、潔凈室壁板、出口提升閥閥板等（如圖9所示）。因?yàn)闉V袋破損位置主要在底部，所以重點(diǎn)考察濾袋下部灰斗內(nèi)的氣流。

3.1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模型分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對CFD的計(jì)算精度和計(jì)算效率具有重要影響。自由網(wǎng)格劃分用于空 間自由曲面和復(fù)雜實(shí)體，采用三角形、四邊形、四面體進(jìn)行劃分，采用網(wǎng)格數(shù)量、邊長及曲率來控制網(wǎng)格的質(zhì)量。本算例采用自適應(yīng)方法劃分網(wǎng)格（見圖10）。并對導(dǎo)流板附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。

圖9 除塵器單室物理模型

圖10 模型網(wǎng)格

3.1.3 數(shù)學(xué)模型

除塵器內(nèi)部較復(fù)雜，氣流基本都是湍流，因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子黏性的影響可忽略，其具有合理的精度，使用范圍廣，收斂速度快，節(jié)省計(jì)算資源[2]。

3.1.4 邊界條件

1）入口邊界條件：除塵器單室內(nèi)氣流簡化為不可壓縮氣流。根據(jù)除塵器的處理風(fēng)量，計(jì)算每一室的處理風(fēng)量，根據(jù)進(jìn)風(fēng)口面積，可計(jì)算進(jìn)風(fēng)口的速度，定義為入口速度，取12m/s。2）出口邊界條件：除塵器出口離風(fēng)機(jī)較近，因此可近似取風(fēng)機(jī)的壓力，定義為出口壓力。3）壁面邊界條件：壁面（wall）邊界條件用于限制流體和固體區(qū)域。本文中的壁面為靜止壁面，固體壁面邊界為無滑移條件，不考慮壁面的熱傳導(dǎo)。在壁面處具有零梯度條件，即x、y、z各分量上的速度均為零。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于濾袋破損位置主要分布在底部，因此模擬最關(guān)心灰斗與濾袋室交界處，即濾袋底部的氣流。而灰斗內(nèi)的氣流分布板對此處的氣流分布影響很大，故設(shè)置了三種狀況分別模擬：無氣流分布板、單層氣流分布板、雙層氣流分布板。并分別觀察這三種情況的氣流分布狀況。

3.2.1 無氣流分布板

由圖11可看出，在無氣流分布板時(shí)，氣流進(jìn)入除塵器灰斗后直接沖到灰斗后部，遇到灰斗后壁后向上沖，在灰斗與濾袋室交接處，流速在10m/s左右，由于燒結(jié)粉塵的強(qiáng)磨琢性，極易造成濾袋磨穿。

圖11 無氣流分布板時(shí)速度矢量圖

3.2.2 單層氣流分布板

由圖12可看出，在單層氣流分布板時(shí)，氣流進(jìn)入除塵器灰斗后遇到氣流分布板，部分氣流順第一層導(dǎo)流板縫隙進(jìn)入灰斗上部，大部分氣流向下沖，越過第一層導(dǎo)流板后向上沖，在后部灰斗與濾袋室交接處，流速為7m/s左右，由于燒結(jié)粉塵的強(qiáng)磨琢性，易造成濾袋磨穿。

圖12 單層氣流分布板時(shí)速度矢量圖

3.2.3 雙層氣流分布板

由圖13可看出，在有雙層氣流分布板時(shí)，氣流進(jìn)入除塵器灰斗后遇到第一層氣流分布板，大顆粒粉塵由于慣性作用落入灰斗下部，部分氣流順第一層導(dǎo)流板縫隙進(jìn)入灰斗上部，部分氣流向下沖，越過第一層導(dǎo)流板后向后向上沖，遇到第二層氣流分布板，氣流被分割成多部分，在灰斗與濾袋室交接處，流速為4m/s左右。氣流速度明顯降低，通常認(rèn)為速度小于5m/s濾袋不會(huì)在保質(zhì)期內(nèi)失效。

圖13 雙層氣流分布板時(shí)速度矢量圖

3.3 除塵器改造措施

基于數(shù)值模擬分析結(jié)果，除塵器灰斗氣流分布板改成雙層導(dǎo)流板。改造后除塵器已運(yùn)行兩年多，沒有再出現(xiàn)破袋現(xiàn)象。

4 結(jié)語

基于除塵器分室袋漏監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確報(bào)警，采用CFD對除塵器流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)分析結(jié)果對除塵器進(jìn)行改造，得到如下結(jié)論：

（1）分室袋漏監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行可靠，為除塵器維護(hù)提供了很大便利，是除塵器智能化的一個(gè)發(fā)展方向。

（2）由于燒結(jié)粉塵的強(qiáng)磨琢性，燒結(jié)區(qū)域除塵器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)區(qū)別于其他區(qū)域除塵器，時(shí)刻要考慮到避免磨損，不可避免時(shí)要考慮耐磨措施。

（3）灰斗內(nèi)的雙層氣流均布板可以很好解決氣流分布不均勻的問題。進(jìn)入濾袋室的氣流均布至關(guān)重要，高速氣流裹挾著燒結(jié)粉塵勢必會(huì)造成濾袋的破損。雙層導(dǎo)流板可以很好地使氣流分布均勻，避免濾袋過早破損。雖然設(shè)置雙層導(dǎo)流板會(huì)增加鋼耗量，增加初始投資，但是從長遠(yuǎn)來看，節(jié)省了運(yùn)行成本。

（4）雙層氣流均布板起到了一定的預(yù)除塵作用，在場地受限的情況下，可以進(jìn)一步研究是否可以去掉預(yù)處理器。