陈亮亮 陈志炜 刘立 袁野 冯威

(1.中钢集团天澄环保科技股份有限公司 武汉 430205；2.荆州开发区城市建设投资开发有限公司 湖北荆州 434000)

0 引言

2019年4月，生态环境部等五部委联合印发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气〔2019〕35号，以下简称《意见》)。《意见》中对钢铁企业所有生产环节的排放要求作了规定，要求到2025年底前，重点区域钢铁企业超低排放改造基本完成，全国力争80%以上产能完成改造。烧结是钢铁冶炼中的一个重要环节，烧结过程中产生大量烟气，是烟气污染大户和治理难点[1]。

目前，烧结机头烟气治理中，形成了电除尘器+湿法脱硫+湿式电除尘器的烟气协同治理主流技术路线。通过最大限度地挖掘湿法脱硫+湿式电除尘器在粉尘颗粒物脱除上的作用，实现粉尘的协同治理，最终达标排放。

湿式电除尘器是一种用于处理含湿气体中微细粉尘的高压静电除尘设备[2]，其除尘效率的高低直接影响到整个协同治理过程的成败。而湿电除尘效率仅是理论设计值，工程应用中流场偏流是导致除尘效率难以达标的重要影响因素。因此，有效的组织粉尘、液滴与气流在湿电内的流场分布均匀性，采用数值模拟流场分析技术，增设导流叶片、孔板等均流装置，是使湿电除尘效率达到最优值的重要分析手段。

1 湿式电除尘器流场优化

某钢厂烧结机头烟气采用石灰石/石膏湿法脱硫+湿式电除尘器的协同治理技术路线。由于现场场地要求，湿式电除尘器为竖向布置，湿法脱硫除尘后的烟气垂直进入湿电，然后从湿电顶部侧出。具体模拟要求如下：①保证电场入口及管内的气流分布速度分布离散系数小于20%；②湿式静电除尘器阳极管内部烟气流速≤2.3 m/s。

1.1 流场计算输入条件

(1)计算模型选择与假设。本项目研究的流动属三维定常流动，属于湍流状态，采用纳维斯托克斯全能方程，即符合质量守恒、动量守恒和能量守恒，通过该方程可以计算系统内部各个质点的速度、温度、压降、密度等值。根据工程的实际运行环境，在满足工程要求条件下，为便于模拟计算， 将烟气视为不可压缩牛顿流体；假设模型边界进口处烟气速度分布均匀；不考虑烟气在设备中的热传递和降温过程。

(2)网格划分情况。网格划分的数量和质量决定了CFD计算结果的精确性，在保证网格质量和计算精度，计算时间合理的情况，控制网格划分总数为1 320万左右。

(3)三维模型。采用1∶1的尺寸进行三维建模，在CFD模型中忽略一些对流场影响较小的内部构造(构架、梁等)，主要包括湿电壳体、进出口烟道、极管、孔板等。

1.2 无导流措施的流场分析结果

为了真实模拟湿电内的流场，建立了湿电极管模型，重点研究极管入口、极管内的流场分布情况。如图1为三维建模情况。

图1 无导流措施的三维湿电模型

原始模型的流场分析结果如图2所示。

(a)速度分布轴面 (b)阳极管入口速度分布 (c)阳极管内速度分布

在没有导流措施的情况下，烟气从入口一侧进入后，烟气大量集中在出口一侧。从俯视图看极管内的流场分布，可见流场分布非常不均匀，流体大量集中在湿电出口，且阳极管内速度分布不均匀。①在湿电入口和湿电极管内部的速度分布离散值，分别为42%和38%，远远超过了20%的要求；②阳极管内平均速度为2.8 m/s,大于要求的2.3 m/s，所以需要进行流场优化。

1.3 含导流措施的流场分析结果

经分析，由于烟气在设备中会走压力最小路径，因此侧向出口会导致烟气在湿电内整体向出口方向偏移，这样烟气在湿电极管内会严重偏移，因此，需要采用在极管前设置孔板。一般孔板为均匀开孔，均匀开孔无法有效矫正烟气偏流。该项目孔板根据流场设计方案，设计成非均匀开孔方式，孔板的开孔率从左到右分别为48%、38%以及29%，如图3所示。

按照该孔板的设计方式，CFD计算出的三维模型以及流场情况如图4、图5所示。

图3 孔板设置方式

图4 含导流措施的湿电

(a)速度分布轴面 (b)极管入口速度分布情况 (c)极管内部速度分布情况

由图4、图5可看出优化后的湿电系统流场分布情况，通过设置导流叶片和非均匀孔板，优化了整个湿电系统的速度场，极管内的流场分布均匀。在极管入口位置截面处，烟气经过导流叶片和孔板的作用得到强制均布，速度分布偏差值为14%，满足设计小于20%的性能要求。在极管内的位置截面处，极管内部速度分布情况良好，基本消除了极管内的高流速，并均匀了管内流场。经计算，该位置截面速度离散系数为18.9%。极管内速度分布平均值为2.2 m/s，小于2.3 m/s的设计要求。

1.4 优化前、后流场对比分析

为了充分说明优化前、后的流场变化情况，截取了极管入口、极管内的截面，分别分析了优化前、优化后x方向和y方向的截面上的速度分布值，具体如图6—图13。

(1)极管入口位置截面流场。

图7 优化前极管入口y方向速度分布值

图8 优化后极管入口x方向速度分布值

图9 优化后极管入口y方向速度分布值

(2)极管内位置截面流场。

图10 优化前极管内x方向速度分布值

图11 优化前极管内y方向速度分布值

图12 优化后极管内x方向速度分布值

图13 优化后极管内y方向速度分布值

如图可见，优化前结果中，极管入口和极管内部截面的速度分布值随着x轴方向变大，速度分布值变大，可以充分说明烟气往出口侧方向严重偏流，越往出口处，速度偏流越严重。而在y方向的截面的速度分布值则是中心区域分布较高，两侧靠壳体位置速度分布值较少，这是因为烟气往出口中心收缩的原因造成的。从速度分布值中可以得知，未实施导流措施的湿电内部，速度分布值超过了设计值要求，这样会导致烟气、粉尘高速穿透湿电，结果是湿电整体除尘效率不佳。

经过增设导流叶片和非均匀开孔的孔板后，优化后的结果中，极管入口和极管内部截面的速度分布值在整个截面均匀分布，重点消除了x方向的速度分布值的偏流现象，同时在y方向的速度分布值也均匀分布，整体速度分布值为1～2 m/s，说明该流场满足了性能设计的要求。

2 工程应用情况

类似于湿法脱硫塔顶布置的湿电除尘器，按照上述流场设计的方案，实施了多套烧结机烟气超低排放改造项目，项目运行情况良好，见表1。湿电除尘效率基本为84%～87%，满足了超低排放的要求。

表1 烧结机头湿电除尘器除尘效率运行情况

3 结论

(1)湿法脱硫顶部配套湿电除尘系统是烧结机保证粉尘超低排放的有效方案，采用CFD流场分析技术，重点建立了极管三维模型，研究了湿电极管入口和极管内速度场和速度值分布情况，研究结构表明，侧部出风是导致湿电除尘器内部流场严重偏流的原因，增设导流叶片和非均匀开孔孔板，改善了湿电内部流场分布，整体截面的速度分布离散系数小于20%，速度分布平均值小于2.3 m/s，该流场满足设计性能的要求。

(2)将湿电流场设计方法应用到多套烧结机头湿电除尘超低排放改造项目中，实际运行效果除尘效率为84%～87%，湿电出口粉尘小于10 mg/m3的要求。

(3)CFD流场模拟技术是一种有效的流场分析手段，非均匀孔板设计适合顶部进风、侧部出风的湿电结构，该流场设计方式为同类项目实施提供了支撑。