高炉煤气减压阀数值模拟

1 高炉煤气减压阀结构

高炉煤气干法除尘是近几年国内外普遍采用的一种高炉煤气净化工艺，干法除尘与湿法除尘相比，具有节水、省电，TRT出力大等优点。但经过干法除尘后的减压阀组产生的噪声将大于经过湿法除尘后的噪声，根据一些工程的实测数据，同级别的高炉，噪声将达10～30dB。同时由于干法除尘是干煤气，给噪声的消除带来很大的难度［1～4］。

现高炉煤气无论采用干法除尘或湿法除尘工艺，在TRT不工作时，都通过TRT的静叶转为减压阀组来调节和控制炉顶压力。由于此系统安全、可靠，所以一直沿用至今。但是目前的减压阀组还存在很多的缺点，比如减压阀组的调节元件为阀板，其气流不均匀，在将高压的气体降为低压气体时，所产生的噪声很大;或者由于气流的扰动大，引起的管道的振动大;当采用半静煤气放散时，减压阀组的磨损大，其泄漏率增大，因而减少了TRT的发电量。当前，企业为了解决减压阀组的噪声(加隔声罩和消声器以及管道外消声材料包扎)和管道振动，投入的资金较大，而降噪的效果不佳。

某种实用新型高炉煤气减压阀目前用于钢铁冶金联合企业中高炉煤气的干法(湿法)除尘系统，其结构如图1 所示［5］。

图1 实用新型减压阀的结构示意

从图可见，新型减压阀结构主要包括阀体和阀芯，阀芯位于阀体的空腔内，阀体的进口端、出口端分别设置有用于管道连接的法兰;其特征在于:阀体上靠近阀体的进口端的部位为环形内凹部，阀芯为双锥体;阀芯的一端与第一连杆的一端固定连接，第一连杆的另一端部与曲柄机构的曲柄的一端部铰接，曲柄机构的旋转轴的一端穿过阀体上的旋转轴孔位于阀体外;阀芯的另一端与滑动轴的一端固定连接，滑动轴的另一端穿过轴套，轴套位于阀体的进口端部内，轴套由支撑架与阀体固定连接。当高炉煤气超过一定压力强度时，气流推动阀芯向出口方向移动，气体从减压阀进口进入到阀体内，压力得到释放;当压力减小时，曲柄又推动阀芯向减压阀进口方向移动直到减压阀进口成为封闭状态，以此来达到减压的目的。

此实用新型的减压阀用于目前钢铁冶金联合企业中高炉煤气的干法(湿法)除尘系统中，其主要任务是在调节(在TRT不工作时)高炉顶压的前提下，达到降噪、减少管道振动，使管网运行更安全的目的。

本文以此新型实用减压阀为研究对象，建立湍流数值模型，研究减压阀内的速度与压力分布情况。

2 数值计算模型及方法

2.1 几何模型的建立

为了对减压阀内的流场进行分析，现采用ANSYS CFX的绘图软件进行建模，建立了从减压阀气体进口到气体出口的全流场三维模型，选取比较恰当地湍流模型，同时设定了相应的边界条件。在此基础上，运用CFD软件对该高炉煤气减压阀内的三维全流场进行定常的湍流流动数值计算。为了更加方便且不影响模拟结果，在建立模型时，曲柄机构被忽略。阀体长为0.25m，最大直径为0.125m，几何模型如图2所示。其中减压阀内的气体为焦炉煤气，其成分与含量分别为:CH4(0.5%)，CO(25%)，CO2(15%)，H2(2%)，N2(57%)，O2(0.5%)，流体属性为连续流体。

图2 高炉煤气减压阀几何模型

2.2 计算机模型的网格划分

模型采用非结构化的四面体单元来分块划分网格，划分为两个区域，阀芯为实体域，剩下的为流体域。左侧的进口截面为计算区域的进口，右侧的出口截面为计算区域的出口。

2.3 分析类型与计算域

此模拟采用稳态模型，计算域类型为流体域，参考压力为1atm。

2.4 物理模型

传热模型为恒温模型，温度设定为135℃;湍流模型选为Shear Stress Transport，并用标准的壁面函数修正。

k－ε模型不能很准确的预测湍流的开始，而基于SST模型的k－ω模型却可以很好的解决这些问题，SST模型特别适用于要求高精度边界层的模拟。基于SST模型的k－ω方程考虑了湍流剪切应力的传输，可以精确的预测流动的开始和负压力梯度条件下流体的分离量。SST模型的最大优点就在于考虑了湍流剪切应力，从而不会对涡流黏度造成过度预测［6］。其传输行为可由包含限制数的涡流黏度方程求得:

式中 F2——一个混合函数，其功能与F1相同，对于存在不合适假设的自由剪切流，次数用来约束壁面层的限制数

S——应变率的一个定估算值

混合函数对模型的成功起着至关重要的作用，其公式与流体变量和壁面函数距离有关。

其值为:

式中 y——到最近壁面的距离

ν——运动粘度

2.5 边界条件

此模型的入口边界的入口总压为150000Pa(0.15MPa);湍流度为中等湍度5%。出口边界类型为开放出口类型，相对压力为12000Pa(12kPa);湍流度为中等湍度5%。壁面条件设定为无滑移光滑壁面。

2.6 求解控制

由于高阶离散格式求解准确，结果可靠性高，所以此次模拟的对流项的离散格式选为高阶离散格式)，而迎风格式的收敛性好，适用于湍流模型，因此此次模拟的湍流方程的离散格式选为一阶迎风格式。选取时间步长时，把时间步长设定为自动时间步长，系统自动根据模拟的几何尺寸，边界条件，初使设置自动计算出自动时间尺度。收敛平均残差(RMS)目标为1.0×10－4，最大残差为1.0×10－4时，收敛效果好，可以满足大多数功能应用。

本模拟需要求解的方程包括:

(1)连续方程

式中 ρ——流体速度

u——速度矢量

t——时间

(2)动量方程

i方向的动量矢量表达式为:

式中 p——压力

fμi——除 ▽· ( μ▽ui)之外的其他所有黏性力

i——下标，x，y，z方向

(3)湍流动能方程:k方程

式中 νt——涡粘性系数

k——单位质量流动的紊动动能

σk，CD——经验常数

(4)湍动耗散率方程:Epsilon方程

式中 C1ε，C2ε——经验常数［7］

3 模拟结果

图3(a)(b)(c)所示切面分别为YZ切平面，ZX切平面与XY切面，XY切面中的小圆环和大圆环分别为:XY平面Z01切面和XY平面Z02。

图3 切平面示意

为了更直观的对比分析，本文选取具有代表性的这4个面对其进行后处理。得到的速度结果与压力结果由图4～9所示。

图4与图5分别为YZ切平面与ZX切平面的速度矢量与等值线。从图中可以看到减压阀进气口处的速度值明显大于出气口的速度值，高速区集中在减压阀进口处以及阀芯的锥形表面，减压阀出口处以及阀体内壁附近的速度较低。

图4 YZ切平面速度矢量图与速度云图

图5 ZX切平面速度矢量图与速度云图

图6中，把XY平面Z01与XY平面Z02切面的速度作比较，XY平面Z01切面上的速度值要比XY平面Z02切面除阀芯表面的速度值要高。这主要是因为减压阀进口的截面积较其他部位较小，当流体的流量一定时，截面积越小，气流速度越大，进入减压阀内的气体延阀芯的锥形向外扩展，并在出口附近形成较大的回流漩涡，阀芯表面的速度比阀体内壁附近以及出口的速度大。

图6 XY平面Z01与Z02速度云图

图7与图8分别为YZ切平面与ZX切平面的压力梯度图和压力云图。从图中可以看出减压阀的高压区与高速区一样，同样集中在减压阀进口处以及阀芯的锥形表面。

图7 YZ切平面压力梯度与总压云图

图8 ZX切平面压力梯度和总压云图

图9的减压阀纵切面压力云图也可以看出减压阀进口区与阀芯表面的压力值较大。这主要是因为气体从减压阀的进口进入到减压阀以后，迅速延阀芯锥形表面向低压区扩散，并推动阀芯向出口方向移动，以此达到减压的目的。

图9 图9 XY切平面Z01与Z02压力云图

图10为阀体表面与阀芯表面的压力云图，从图中可以看出阀芯与阀体表面压强的高压区也都集中在减压阀进口区且范围很小，随着进口区的截面面积的减小，压强减小，而截面积最小的XY切平面Z01切面附近的阀体表面压强最小，然后随着阀体截面积的增加直到圆截面最大时，压强都保持在同一较小数值范围内，而后随着截面积减小直到出气口，压强又增大到一定数值范围内。

图10 阀体与阀芯表面压力云图

4 结语

完成了高炉煤气减压阀内部流场的数值计算，重点分析了高炉煤气减压阀的速度场与压力场的分布规律，数值模拟结果揭示了高炉煤气减压阀的内部流场特征。

由于减压阀进气口处的压力较大，故应该对该部位的支撑架与轴套进行加固处理。由于经过减压阀内的煤气为高温干煤气，煤气流速较高，对减压阀的冲刷很严重，有可能由于磨损而不能起到完全密封切断煤气流的作用，从该减压阀的速度云图与压力云图(图4～8)可以看出，阀芯部位与减压阀进气口处的速度场与压力场均较大，故最好对这两个部位表面做特殊的耐磨处理，比如根据实际情况喷焊一定厚度的碳化钨或哈氏合金粉［1］。

同时，此减压阀采用的是曲柄结构，由于长时间使用，煤气中的细小粉尘沉积堵塞在曲柄与连杆的链接缝隙处，而有可能使曲柄机构失去应有的灵活性，因此，应该对曲柄机构经常进行清灰或润滑处理，预防这种情况的发生。