第一章 绪 论
1.1 课题研究背景
据统计，在 2015 年中国钢铁产量已达到 13 亿吨，是世界上著名的钢铁生产大国，随着钢铁行业的高速发展，我国人民的生存和居住环境正面临着挑战[1]。钢铁行业生产钢铁的过程中将产生大量的烟气粉尘等副产品，包括在矿物运输和粉碎、烧结烟气、高炉炼铁和转炉冶炼等。烟气中含有大量的烟气粉尘，大量的烟气粉尘排放到空气中会造成严重的空气污染。烟气中的粉尘对人体会产生各种损害，如果可溶性的烟气粉尘被吸入到呼吸道中，由于粉尘粒径非常微小，微尘就会融入血液流向身体中，造成全身中毒；某些粉尘经过电离辐射后会带有放射性，进入身体后会引起身体某些器官发生病变；还有其他的粉尘沾附在身体上还会刺激皮肤，其中烟气粉尘影响最大的是呼吸道系统，会造成尘肺病等职业疾病[2]。根据 2015 年 6 月国家环保总局发布的《2014 年中国环境状况公报》，烟气中的粉尘颗粒物是我国空气产生雾霾的重要原因，是空气中重要污染物。2014 年钢铁企业烟尘排放量为 1095 万吨，特别是固体排放物中的微尘，会引发人类各种疾病。因此可见做好粉尘回收，增强烟尘的净化，降低粉尘排放对于保护人体健康、提高生产效率、降低生产成本、保护生态环境有着非常重要意义。所以，加快我国大气污染治理的先进技术装备的研究、开发和推广刻不容缓。当前国民经济发展不力，生产实体行业面临着严峻的经济萧条，全国大部分钢铁企业的经济效益低沉，收益指数徘徊在荣枯线上下。因此，钢铁企业应在发展冶炼钢铁的主业时，下大力对钢铁生产中生产的副产品进行回收利用，增加企业的非钢效益，同时国家下决心大力促进节能减排，回收钢铁生产过程中浪费的能源，减少污染物的排放，让企业在回收的副产品中做优化资源的再利用。钢铁企业在生产过程中生成的烟气、煤气之类的二次能源产物非常有利用价值，像高炉煤气和转炉煤气燃烧充分产热量极高，而且煤气的产量也非常巨大，平均每吨铁水将会生成1300~1600m3的煤气，这还不包括回收的粉尘再利用产生的效益。可以说只要钢铁企业生产钢铁，就会源源不断的产生煤气。此前，企业都是将其放散，造成大量的能源浪费。但如果钢厂将放散的煤气收集，作为某些副产线上的燃料，将会节省数量巨大的标准煤[3]。经检测钢铁企业排放的烟气主要成分为 CO、H2、N2和 CO2，其中，CO 约占 22~26%，CO2约占 16~19%[4]，可以看出燃烧气体一氧化碳成分较多，提纯再利用的价值极高。企业以前将这些珍贵的能源放散到大气中，对大气环境造成污染，空气粉尘含量剧增，PM2.5 爆表，对居民的生活环境产生巨大的冲击。
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1.2 电除尘器研究
最新环保要求钢铁行业烟气中的尘含量降低到 1-10mg/m3，因此需要在烟气进行粗除尘后再进一步精除尘[13]。基于这种要求，电除尘器的除尘效率高，除尘量较传统除尘器比较显著，需求也就越来越大。在烟气粉尘含量较低的情况下，湿式电除尘器效果也比较好，能进行高效率的除尘[14]。国内外研发了各种各样的烟气除尘设备，电除尘器还会根据除尘工艺继续细分，不同工艺的电除尘器除尘效果也不同，现在除尘器效果最好的是湿式电袋复合式除尘器[15]。湿式电除尘器湿式清灰可以避免已捕集粉尘再飞扬，达到很高的除尘效率，因无振打装置，运行也较可靠[16]。由于除尘效果显著，以得到了广大钢铁企业的普遍认可。目前，有八十多家的钢铁企业都采用了这种电除尘器，除尘效果明显提高，减少了污染排放，高效的利用了资源，经权威部门检测，除尘器排放的烟气粉尘含量不高于 5mg/m3[17]。电除尘器作为烟气除尘过程中主要设备，克服了其他除尘器及喷水除尘器弊端，避免了振打装置的损坏和电极电压过高[18]。其工作原理为烟气粉尘带电、带电粉尘在电场内的移动和粉尘被极板吸附清除，以及将灰尘从极板上清除三个基本过程[19]。其基本工作过程是：水在一定压力下雾化，随着烟气流场的移动充满整个除尘器箱体[20]，然后在电晕极放出的电荷后水雾就带有负电性，烟气中的粉尘进入荷电水雾区后，与带有负电的水雾相互结合，烟尘也就带有了极性[21]，和水雾带有了相同的电性，有利于在除尘器电场部位的定向移动。当比重较大、颗粒较大的粉尘在除尘器入口部分时，会由于自重而降落到收尘漏斗中。某些烟气中的粉尘团结在水雾周围，和其他粉尘结合慢慢变大，比重变大后也会降落，团聚变大以颗粒的形式落入灰斗中[22]。带电的粉尘随烟气进入到在电场区中，除尘器的电场开始发挥作用，粉尘在电场力作用下移动，快速移动到收尘极板上，从而烟气中的粉尘被收集。由于收尘极板不是靠振打装置收集粉尘的，在极板上方会有水槽，水流将收集到的粉尘从极板上冲刷下来，随着设置好的水槽进入到收尘漏斗中，收尘漏斗收集的粉尘污泥再排到沉淀池中[23]。
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第 2 章 除尘器内部流场理论及模拟基础
2.1 除尘器内部流场分析
2.1.1 多相流概况分析
针对所要研究的内容要根据工厂生产实际和设计目标考虑物理实质的复杂性，或问题的存在不是单一方面的原因。自然界物质和现象以及工程实际要考虑的状态具有复杂性，许多流体的流动不是单一相存在的，结合多相流在近几十年发展起来了多相流[48]的定义，多相流是在流体力学结合物质传输、化学反应和能量传输的基础理论而发展起来的，是目前流体力学研究的热门主要方向。其表现出来的工程实际意义在工程生产和设备设计制造上起到非常重要的作用，体现在国民经济的高速发展上。其研究结果在基础工业和模型设计上都有很大的作用，比如冶金、航天制冷以及核能等许多的研究方向上。作为新生事物和物理研究学科，多相流的存在有着广泛的工业基础和现实基础，科研学者对其研究比较深入，学科的发展也比较迅速[49]。生活实际中，我们见到的现象很难说明其是单相流，纯粹的单相流在生活中是不存在的，绝大部分的物理现象都是多相流，比如环境差产生的雾霾，河流冲刷，高炉的喷煤。
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2.2 计算流体动力学简介
流体力学是物理学上一支重要的分支，世界万物都和流场都有关系，空气流动，化工管道，航空飞行等都离不开流体的运动[57]。早在 19 世纪初，各国研究学者对流体力学开始深入的研究，随着研究者们对流场的研究的深入，流体力学自然形成了两种发展趋势，一是理论上研究需要，认为流体没有粘性，解决了数学界和物理界上的一些重点问题，推动了数学函数的发展进程；另一方面，人类对流体实际需要，在流体流动、城市排水和水利工程上进行了广泛的研究，推动了工程流体力学的快速发展。流场在人类认识之后就开始了理论上的研究，尤其是数学领域的高速发展，使流场的模型计算有了深入的研究。CFD 是计算流体动力学（Computational FluidDynamics）的简称，结合了近现代数学理论的发展和流体力学的物理现象模型，通过在高性能计算机上进行运算，分析给定模型流体运动现象，替代人工解方程的限制条件，越来越受到欢迎。计算流体力学（CFD）采用几何上和物理上离散化的方法，对模型内各个离散点进行流体力学参数的连续化计算，对于流体现象的各类问题进行数值模拟计算，对要研究的运算模型进行分析研究，可以得出流场流动和传热定量和定性的分析[57]。CFD 和气体流动的传输理论是计算求解关于流体物质内部关于质量守恒、能量变化、组分运输、动量变化和在各种物理场中自定义的标量或者矢量的非线性的有关联的微分方程组，微分求解得出关于流体流动的流场速度、物质交换、热量交换和多相流动的动态变化，因此 CFD 成为工程装备设计和改造的理论求解方法，机械设备的改造优化和放大定量设计的有力工具[58]。CFD 解决工程问题的根本思路核心可以概括为：将时空和几何位置上相互联系的物理状态场，如速度场和压力场，通过离散化，连续的物理场变为离散点上各种物理状态值的数据集合，离散的物理量采用给定的对应原则和特定的对应关系将这些建立特定的方程组，在方程组中设定一些假设条件，使联立的方程组得以封闭，能够求解。将这些联立封闭方程组加载到计算机的计算模型中，求解物理模型中的方程组获得场变量的近似值[58]。通过计算机的高速运算降低了科研工作者在实验室或者实验设备上的巨大资金投入和体力劳动，大大减轻了科研工作者在非技术领域上的精力消耗。
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第 3章 流场的数值求解方法和模型.......29
3.1 流场控制方程的建立......... 29
3.2 湍流模型分析 ........ 29
3.3 计算方法 .... 30
3.3.1 PISO 算法........ 30
3.3.2 有限体积法 ..... 31
3.3.2 多孔介质模型 ....... 31
3.3.3 计算松弛定义 ....... 31
3.4 边界条件 ........ 31
3.5 壁面函数 ........ 32
3.6 计算收敛的判定 ..... 32
3.7 本章小结 ........ 32
第 4章 进气喇叭口处气流数值模拟.......33
4.1 CFD 模拟软件简介....... 33
4.2 FLUENT 数值模拟流程 ........... 34
4.3 对气流分布板的处理 ......... 40
4.4 收敛条件 ........ 40
4.4 本章小结 ........ 41
第 5章 数值模拟结果的统计分析.....43
5.1 统计分析方法 ............ 43
5.2 无气流分布板的模拟 ......... 43
5.3 第一块气流分布板位置的确定............ 44
5.4 侧壁倾角对气流分布的影响.......... 48
5.5 不同开孔率的气流分布模拟.......... 49
5.6 第二块气流分布板位置的确定............ 50
5.7 本章小结 ........ 52
第 5 章 数值模拟结果的统计分析
5.1 统计分析方法
为了显示设置导流板后除尘器内部流场的流速情况，在除尘器进气喇叭口出口壁面上分别在横纵方向上设置了 7×7=49 个的速度检测点，当计算收敛后分别得出这 49 个检测点的速度值。示意如图 5-1 所示：通过模拟结果的速度云图中可以看出，进气口流场的进口截面处的速度各点分布均为 10.2 m/s，通过喇叭口后在进气喇叭口出口截面上中心位置上的速度较为集中，气流的速度分布呈现周边区域速度低，中部趋于速度高度集中，表明进气喇叭口对气流的分布没有丝毫的影响。在整个区域内靠近壁面处速度极低，而且气流的状态比较杂乱，出现了湍流现象；在靠近中心区域时，速度高度集中，截面速度差极小，呈现层流状态，这样的结果必然会造成所得到监测点处速度均方差比较大，对除尘器的除尘效率毫无影响，故考虑对除尘器入口添加导流板进行改造，优化除尘器内部气流速度分布情况。
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结 论
本文以钢铁企业的烟气除尘为研究内容，对电除尘器除尘效率低的问题进行理论上和实践上的分析，认为电除尘器内部的流场状态是影响除尘效率的主要因素。针对除尘器内部的流场状态形成的因素，对电除尘器进气喇叭口设置导流板和进气口壁面倾斜角度进行了数值模拟分析。本文首先建立了数学模型和气体流动的物理模型，针对气固两相流体的流动建立了方程。根据数值模拟软件的设置需要，设定了模型的边界、初始条件和收敛条件。通过数值模拟得出了除尘器内部流场各点的速度分布，再通过对这些速度分布值统计分析，得出了气体导流板的个数、气流分布板的位置、开孔率、第二块气流分布板的位置和除尘器喇叭口壁面倾角对气流分布的影响。通过模拟统计分析得出以下结论：
1) 通过模拟数据云图可以看出，没有设置气流分布板时，气流在除尘器内的分布极为不均，中间气流速度分布集中，速度大，大量的烟尘集中在除尘器的中心区域，不利于除尘效率的提高。
2) 设置了气流分布板后，除尘器内的气流分布有了明显改善，对除尘器内的气流速率起到了均匀化的作用，主要体现在除尘器内部流场速度的最大速度、最小速度、平均速度和速度的均方根值都明显有了降低，气流分布更为均匀。
3) 添加气流分布板后从检测的数据分析可以看出，气流分布板对除尘器内的气流分布起到了良好的作用。由于中心气流的回流抵消了中心部位气流的进气速度，对边部气流的流动起到了促进的作用，从速度值上可以明显的看出，周边的速度值较大，中心区域的速度值相对略小。
4) 通过对不同条件下除尘器内流场的模拟，得出了影响除尘器内部气流分布状态的影响因素，对不同因素的模拟分析得出了除尘器内部流场的速度值。通过计算和分析检测点的速度值，得出了气流分布板的设置和除尘器喇叭口壁的倾斜角度。本次计算分析中得出：当在除尘器进气喇叭口进、出边界截面水平距离的1/2和2/3处设置两块气流分布板，两块气流分布板的开孔率为40%的气流分布板，除尘器喇叭口壁面的角度为45°时，除尘器内部得到的气流分布是比较均匀的。
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参考文献（略）