烧结机脱硫烟道振动流场分析及消振措施

【摘要】对烧结机脱硫烟道进行常规处理减振效果不明显的情况下，对振动烟道按原型的实际尺寸在GAMBIT上以1：1的比例建立模型并划分网格，利用FLUENT流体工程仿真计算软件选取模拟湍流流动的标准k-ε湍流双方程模型进行模拟计算，根据模拟结果，对振动烟道进行导流，减振效果良好。

【关键词】烧结机；脱硫烟道；振动；流场模拟；导流

在钢铁生产过程中，二氧化硫是主要污染物之一，主要来自于烧结烟气工序产生的烟气。据统计，烧结工序排放的二氧化硫约占钢铁生产总排放量的60%以上，甚至会达到90%左右。如果二氧化硫实现回收利用，可以给企业带来一定的经济效益，二氧化硫的直接排放不仅污染了环境，还给企业造成了一定的经济损失。因此烧结工序的脱硫成为钢铁企业环境治理的首要任务。

在本公司承担的某钢厂烧结机烟气脱硫总承包工程中，采用石灰石-石膏法，烟塔合一技术。烧结机脱硫入口烟道由乙方从原主抽风机出口烟道接口接出，至脱硫后的合格烟气进入直排烟囱入口。在前期脱硫系统未投入的情况下，原烟气挡板门关闭，烟气通过主烟道进入原有烟囱。在运行过程中，主烟道振动较大，主抽风机振动慢慢向新旧烟道交接处扩大，主抽风机出口金属膨胀节失效，三通烟道底部靠与旧烟道交接处的钢板对接部位部分撕裂，旁路挡板门连杆振动，现场声音较大。

一、振动原因分析

本工程烧结烟气脱硫工程烟道对主烟道的改变，就是将主烟道上的消声器用新增的三通烟道替代，烟气进入旁进入烟囱或者通过原烟道进行脱硫。因新增的烟道只是烟气通道，自身不会产生振动，振动的原因考虑以下两个方面：

1、主抽风机的机械振动。风机自身振动通过主烟道扩压段，传递到新增三通烟道，且振动有扩大效应。

2、主抽风机扩压段较短，烟气流速不均。

二、对烟道机械振动的减振常规处理

根据现场情况，对振动烟道进行了如下减振措施：

1、烟道自身加固。参考火力发电厂烟道设计规程，对三通烟道面板按1米间距增加槽钢纵向加固肋。与之前的横向加固肋一起形成网格，在烟道内用圆钢φ76×4做内撑杆来消除振动[1]。

2、主烟道与新增三通之间增加非金属膨胀节，断开主抽风机传递过来的机械振动。

3、新增三通烟道下的原滑动支架，改为固定支架。滑动支架改为固定支架后，烟道与下部土建支撑焊接在一起，可吸收烟道的部分振动。由于烟道距离较短，热膨胀不大，改为固定支架影响很小。

4、对烟道裂开的焊缝补焊，新旧烟道交接处用双槽钢抱箍进行加强。

5、更换原主抽风机出口已失效金属膨胀节。

上述措施实施，发现旁路烟道振幅已减弱，但振频仍在，且旁路烟道上部振动较扔大，旁路挡板门下电动执行机构抖动厉害。运行三天后发现新旧烟道交接处新增加的非金属膨胀节底部蒙皮撕开近1米左右，烟气外漏，且旁路挡板门连杆掉落。常规减振措施效果有限，未能彻底解决振动问题。需考虑烟气流速不均对烟道的影响，为此，对烟道流场进行数值模拟。

三、烟道流场数值模拟

根据该钢厂烧结机主抽风机出口烟道振动的问题，对主抽风机出口至烟囱的烟道进行CFD数值模拟，分析烟道内流场对振动的影响。

3.1模型选取及模拟参数

求解区域自主抽风机出口至烟囱处烟道出口，按原型的实际尺寸在GAMBIT上以1：1的比例建立模型并划分网格，利用FLUENT流体工程仿真计算软件选取模拟湍流流动的标准k-ε湍流双方程模型进行模拟计算。烟气主要模拟参数如下：

入口烟气流量： 826000m3/h

入口烟气温度： 150℃

出口烟气压力： 200mmH2O

3.2原烟道流场数值模拟结果及分析

图1所示原烟道速度分布云图，在烟道变径段，底部速度约为顶部速度的3倍，沿流动方向的各竖直截面，均出现下方速度明显高于上方的现象。烟道三通顶部出口至挡板门（挡板门目前处于常闭状态）为流动死区，其速度均近似于0，可以认为该死区对烟道内流动的影响不大。

图2、3所示原烟道截面速度分布云图，图2截面最大速度36m/s，最小速度5m/s，速度最大相对标准偏差16.42%；图3截面最大速度31m/s，最小速度9m/s，速度最大相对标准偏差19.07%。烟道内烟气流动出现明显偏差，速度分布极不均匀，可能是导致烟道振动的主要原因之一。

3.3推荐导流方案烟道流场数值模拟结果及分析

针对原烟道内流场分布不均可能导致振动的问题，可以考虑两种方法来处理：1、调整烟道入口结构，从源头消除分布不均的问题；2、在烟道内加装导流装置。其中，方法1由于实际场地限制难以实现，拟采用方法2，通过数值模拟计算，得到最优的导流方案。

通过反复的模拟计算及结果比较，最优的导流板布置方案下烟道流场数值模拟结果如下:

图4所示推荐导流方案下烟道速度分布云图，各竖直截面上、下部速度大小基本一致，变径段速度梯度沿流动方向以竖直截面为梯度线均匀递减。

图5、6所示推荐导流方案下烟道截面速度分布云图，图5截面最大速度31m/s，最小速度19m/s，速度最大相对标准偏差11.48%；图6截面最大速度24m/s，最小速度17m/s，速度最大相对标准偏差6.2%。

图7所示推荐导流方案下烟道速度分布矢量图，流动方向与烟道方向一致，无流动死区，无涡流。烟道内烟气流动分布均匀，变径段速度梯度均匀递减，对消除振动有利。

由于烟气流速不均，且烟道布置固定的情况下，要使烟气流速平稳，减少烟气振动，只能在原主烟道变径段内增加导流板，增加导流板后，速度24m/s，最小速度17m/s，速度最大相对标准偏差6.2%，导流效果效果较好，且导流板自身能作为烟道支撑，能增加烟道自身强度，有效改变烟道的固有频率，避免与烟气共振的发生[1]。

3.4根据模拟结果设置导流板

根据流模拟情况，对振动烟道增加导流板，导流板厚度按12mm，导流板布置如图8所示：

3.5导流后减振效果

根据烟气流场数值模拟结果，对主抽风机出口烟道增加导流板后，烟道减振效果明显，有效的解决了烟道的振动问题。从运行情况来看，烟道运行平稳，振幅及噪音大幅减小，烧结机脱硫系统平稳运行。

四、结语

在常规减振措施效果不明显的情况下，利用FLUENT流体工程仿真计算软件烟气流动情况进行模拟计算。并根据计算结果，利用导流板，使烟气内烟气流动均匀，速度最大相对标准偏差较小，有效的对烟道振动进行了减振。在工程中，可以作为烟道减振的一种方法。