CFD在電爐煙氣處理設備設計中的應用
最近幾年,電爐鋼廠造成的環境污染,越來越受到人們的重視,也成為越來越敏感的問題。政府環境保護機構制訂限制性環保標準,目的是保持和限制鋼材生產企業準入門坎。這樣做的結果是,低排放要求越來越多,也越來越嚴格。煙氣處理設備 (FTP)作為電爐生產的一種輔助設備,則承擔著煙氣收集、冷卻和除塵任務。
雖然在電爐熔煉階段,系統性能可滿足要求,在煙囪出口處達到很低的粉塵排放濃度,但在電爐料籃裝料時,仍然存在著一些嚴重的問題。
電爐裝料
雖然裝在電爐上方的排煙罩可在裝料過程中收集排放物。但裝料過程中,瞬間產生的大量火焰和煙柱,仍有可能將污染物擴散到電爐跨廠房內,甚至在更嚴重的情況下,煙氣通過廠房上的開孔泄漏到大氣中。廢鋼質量隨著價格攀升和用量增加一直在不斷下降。因此,廢鋼平均堆密度從上世紀80年代普遍達到的700-800 kg/m3,已經下降到目前的500-600 kg/m3。甚至在發展中國家的某些地區,廢鋼堆密度低到250-270kg/m3也并非罕見現象。因此,許多鋼廠的電爐平均金屬收得率正在從91%下降到84%(甚至更低)。而且,還有增加電爐裝料次數、要求料籃超量裝料的需求。
可以預料,廢鋼中將含有大量的可燃雜質 (油、塑料、橡膠、油漆、金屬粉塵、鐵銹、廢紙、木屑、包裝物、纖維材料等),當廢鋼一旦接觸到爐內殘留鋼水時,就會使爐料中的大量可燃物驟然出現劇烈的燃燒反應,在電爐爐頂形成帶有大量炭黑物質的巨大煙柱。
用于電爐裝料的CFD方法
實踐證明, 計算機模擬流體動力學 (CFD)在正確設計電爐排煙罩過程中,將成為一種有效的支持手段,發揮其重要作用。與以前各種傳統分析方法給出的設計理念相比,這項技術已經向前邁出了決定性的一步。
借助于CFD計算機流體動態學分析方法,人們就可以按照詳細的實際幾何尺寸 (開孔和開門、通風天窗、單獨放氣孔、天車、廠房建筑等),建立電爐煉鋼車間實尺模型。
正確識別驟然產生的煙氣,是通過現場直接觀察,對采用各種不同工藝條件下快速記錄的多座電爐的有關數據,利用先進的計算機圖形精確繪制技術進行分析得以實現。
Hadeed項目排煙罩設計順利通過審查
2009年11月14日,達涅利得到一份訂貨合同,以交鑰匙建設方式,為沙特阿拉伯鋼鐵公司(Hadeed)在KSA Al-Jubail工業城新建一座電爐鋼廠。
皇家環境保護法規委員會采用EPA標準,給出從電爐車間屋頂的短時排放的煙氣量極限值:對于新建和現有電爐鋼廠,其渾濁度 (也就是可見煙氣密度)必須小于6%。為實現這一目標,排煙罩通過CFD計算機流體動力學分析方法進行驗證設計。
Hadeed煙氣處理設備處理能力為2.2Mm3/h。裝在電爐上方的排煙罩呈錐體形,目的是為了能夠充分利用煙氣浮力產生的上升動能,更好地收集煙氣。然而,這也會使吸風系統暴露在瞬時高溫的沖擊之下,將有可能對過濾器造成損壞 (布袋毛氈降解、濾袋受到破壞,并因此增加了粉塵溢散量)。
為此,設計了裝在排煙罩內的折流擋板,并進行優化,以提高排煙罩集塵效率,同時要求控制溫度。在研究溫度變化趨勢之后,又對從廠房屋頂外溢的煙氣渾濁度作出評估。渾濁度評估結果,得到受過培訓人員的證實。因為目前還沒有一種標準儀器能夠檢測這項指標。
在一般情況下,當煙氣濃度達到1%-10%范圍內時,人們認為煙氣是可見的。因此,人們就有可能利用CFD方法,為EPA 6%這一渾濁度指標規定一個偏于保守的閾值,即1%。不論是短時排放,還是在電爐周圍工作區內的煙氣,都用它來檢查電爐煉鋼車間預期可能達到的可見煙氣流量。
結論
事實證明,CFD計算機流體動力學分析方法是煙氣處理設備設計的一種有效手段。在研究電爐裝料過程中,利用它就能深入而準確地了解各種現象,預測布袋除塵器可能發生的損壞,并估算出短時排放量。在設計項目中,如果作為標準規范,使用這種能夠發揮關鍵作用的技術手段,就能夠提供一種先進而且全面的工藝設計支持,以滿足用戶對排放物保證值提出的各項要求,并證明它在達到性能指標要求方面的有效性。
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