除尘管道内微细铝粉沉积的影响因素研究

除尘管道内微细铝粉沉积的影响因素研究

李健

内蒙古河西航天科技发展有限公司内蒙古呼和浩特市010050

摘要：生产过程中所产生的铝粉尘处理不当或沉积过量，都可能引起爆炸事故。所以，通风除尘管道上的铝粉尘沉积问题已经成为一个急需采取措施的社会问题。因此本文从数值模拟角度，运用GAMBIT进行三维建模并进行网格划分，对粒子的运动轨迹及沉积规律运用FLUENT模拟进行了探讨。研究了管道风速和直径对铝粉尘粒在除尘管道水平段中的沉积率及沉积区域的影响。

关键词：除尘管道；内微细铝粉；沉积影响；分析

引言：

近几年，虽然转炉干法除尘系统随着炼钢工艺技术的进步也在不断得到完善，但是相比于我国工业生产的现状，现有的除尘系统远远不能满足我国的工业生产的需求，为了进一步提高转炉干法除尘系统的性能，增加企业的经济收益，相关的技术人员要及时发现除尘控制系统当中存在的问题并不断的对其进行优化。

1.除尘

1.1定义

从含尘气体中去除颗粒物以减少其向大气排放的技术措施。含尘工业废气或产生于固体物质的粉碎、筛分、输送、爆破等机械过程，或产生于燃烧、高温熔融和化学反应等过程。前者含有粒度大、化学成分与原固体物质相同的粉尘，后者含有粒度小、化学性质与生成它的物质有别的烟尘。改进生产工艺和燃烧技术可以减少颗粒物的产生。除尘器广泛用于控制已经产生的粉尘和烟尘。

1.2分类

按捕集机理可分为机械除尘器、电除尘器、过滤除尘器和洗涤除尘器等。机械除尘器依靠机械力将尘粒从气流中除去，其结构简单，设备费和运行费均较低，但除尘效率不高。电除尘器利用静电力实现尘粒与气流分离，常按板式与管式分类，特点是气流阻力小，除尘效率可达99%以上，但投资较高。占地面积较大。过滤除尘器使含尘气流通过滤料将尘粒分离捕集，分内部过滤和表面过滤两种方式，除尘效率一般为90%～99%，不适用于温度高的含尘气体。洗涤除尘器用液体洗涤含尘气体，使尘粒与液滴或液膜碰撞而被俘获，并与气流分离，除尘效率为80%～95%，运转费用较高。为提高对微粒的捕集效率，正在研制荷电袋式过滤器、荷电液滴洗涤器等综合几种除尘机制的新型除尘器。

2.转炉干法除尘控制系统中存在的问题

2.1除尘控制系统中的静电电场管理混乱

在转炉干法除尘控制系统当中的静电电场不管是在工作状态还是非工作状态一直处于高电压高电流的状态，这种状态的保持使大量的电能因得不到有效的利用而浪费，同时高电压状态的保持使整个系统始终处于满负荷的工作状态，使变压器中的油温始终处于高温状态，增加了系统当中电缆发生故障的可能性，使整个内部系统混乱不易控制。

2.2除尘控制系统中煤气回收系统不够完善

转炉负能炼钢的最重要标志是煤气回收系统，转炉干法除尘控制系统中的煤气回收系统主要是通过回收杯阀及放散杯阀的液压控制系统进一步完成控制与调节工作，根据炼钢生产工艺的实际需求，通过调节伺服阀的控制状态来改变放散杯阀的位置与运行速度，但是在运行过程当中，伺服阀的控制状态会时刻受到液压油的影响，因为新油进入系统的时候一般是没有经过全面的过滤的，因没有经过过滤的新油对液压油产生一定的污染，进而要影响整个伺服阀卡死，使煤气回收系统无法正常的运行与工作。

2.3除尘管道的管理及使用中存在极大的弊端

转炉干法除尘控制系统主要是利用除尘管道来进行除尘工作的，除尘管道的管理工作给相关的工作人员带来极大的挑战，因为一般的除尘管道都比较长，而且风机的压头非常小，容易出现大量积灰而且无法对积灰进行完全的清理，这些情况不仅会大大增加除尘管理工作的工作量同时也会给环境造成极大的污染，相关企业的管理人员应该重视除尘管道的管理工作，在管道内部安装自动控制的氮气喷吹阀对积灰进行处理。

3.数值模拟参量设置

将用Gambit建成的物理模型导入到Fluent中，并对物理模型的边界条件和粉尘源参数进行了设置，流场数值解法选择压力耦合方程组的半隐式方法，由于管道内气流随空气流动扰动较大，将模型选择为非定常流，网格离散形式选择二阶迎风格式。颗粒相的引入是离散相流体模拟的关键，将颗粒相作为连续相加入模型，在叠代计算过程中颗粒相与流体运行轨迹同时计算，设定每10步计算一次离散相模型。时间步长为0.1。颗粒相的设定借助粉尘参量的理论计算结果，代入对数正态分布函数，选择离散相释放空间为管道入口区域，粉尘特性为铝粉，录入管道内粉尘相浓度。由于管道内气流雷诺数较大，明显属于牛顿区，故选k-ε湍流模型，参量设置依据常规。边界条件的设定依次输入入口端气流风速，在此研究不同风速下的气流流场，壁面设置为粉尘捕集面。

4.粉尘沉积模拟结果分析

为捕捉了粒径10μm粒子在长度为15m，直径分别为300mm、600mm的管道内运动轨迹，直至其被吹出管道。管径300mm不同风速下粒子沉积情况：首先沉积位置：以上六图可看出粉尘沉积沿着管子长度方向呈现出明显差别。主要表现为：粉尘沿着管长方向沉积率先升高后降低。且沉积率峰值位于9m~14m范围内；在管道直径一定时，沿管长方向，沉积率峰值随着风速的增大而向后移动；在同一管道中，沿着管长方向，当风速较小时，沉积分布更为均匀，且沉积位置也分布在管道的大面积区域。随风速增大，沉积分布差异越大，主要沉积区域逐渐向后移动。其次沉积率：管径一定时，3种风速对应的沉积率逐渐呈现出较大的差别。主要表现为：在管径为300mm的小管道内，粉尘沉积率随风速的增大而增大。在管径为600mm的大管道内，气流速度为10m/s时对应的沉积率大于气流速度为5m/s的沉积率，气流速度为16m/s的沉积率为最小，主要原因是随着气流速度的增大，不同气流速度下弛豫时间的差别明显，气流速度为10m/s时粉尘颗粒的弛豫时间最长，该弛豫时间对应气溶胶湍流沉积的扩散-碰撞区向惯性-缓和区过渡的区域，在该区域中随着颗粒的弛豫时间的延长，颗粒的惯性作用不断增大颗粒的湍流沉积率急剧增大。在管道风速较小时，比较管道直径对粉尘沉积率的影响，发现管径为600mm的小管道中粉尘颗粒的沉积率比管径300mm的小管道中的大，其主要原因是在相同的速度条件下，粉尘颗粒大管道内与管壁接触的相对面积更大，增大了粉尘颗粒与壁面接触的概率，进而产生更大的粉尘沉积率。

总结：

本文从数值模拟角度描述了细微铝粉尘在水平直管道的沉积情况，得出结论如下：一是水平直管内粉尘的沉积受风速影响明显，在小管道内，粉尘沉积率随风速的增大而增大；二是在大管道内，粉尘沉积率随风速的增大先增大后减小；三是管道直径对于粉尘沉积率有一定的影响。在一定风速范围内，粉尘在大管道内的沉积率大雨小管道；四是水平管道内粉尘主要沉积区间在9m-14m的范围内；粉尘沉积位置受风速影响较大，且随风速增大，主要沉积区域沿管长方向后移。

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