劉昌健 肖萍 黃艷秋

【摘 要】典型轉(zhuǎn)爐爐前排煙罩由于捕集效率低，煙氣外逸嚴(yán)重，往往需要增設(shè)屋頂三次除塵來改善車間內(nèi)環(huán)境，造成了初投資及運(yùn)行費(fèi)用的增加。本文設(shè)計(jì)了一種新型爐前排煙罩，經(jīng)過理論分析及工程實(shí)踐，表明此種新型爐前排煙罩可以實(shí)現(xiàn)高效、低耗的捕集，從而不用設(shè)置低效、高耗的屋頂三次煙氣除塵裝置，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

【關(guān)鍵詞】新型轉(zhuǎn)爐爐前排煙罩 數(shù)值模擬 高效低耗

1 前言

在煉鋼轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集中，門型結(jié)構(gòu)的爐前排煙罩已經(jīng)成為一種典型形式。目前普遍存在的問題是爐前排煙罩的捕集效率低下，相應(yīng)產(chǎn)生的粉塵逃逸成為影響鋼鐵企業(yè)煉鋼車間環(huán)境質(zhì)量和工人工作環(huán)境的主要問題。國內(nèi)各大鋼廠及研究機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)爐二次煙氣的捕集研究主要集中在優(yōu)化管路設(shè)計(jì)及增加抽塵點(diǎn)、增加系統(tǒng)風(fēng)量上，其中CFD計(jì)算技術(shù)得到了應(yīng)用[1]。中冶賽迪采用了CFD技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集進(jìn)行了模擬及驗(yàn)證，初步分析了爐前排煙罩風(fēng)量與煙塵捕集率之間的關(guān)系[2]，文章認(rèn)為除塵風(fēng)量是影響爐前排煙罩捕集效率的關(guān)鍵因素，但是對(duì)于既定的爐前排煙罩，風(fēng)量提高到一定程度后，煙氣的捕集率提升程度就非常有限，所以除塵風(fēng)量存在一個(gè)最佳值。Tom Plikas等人采用CFD計(jì)算也得出了相近的結(jié)論[3]。在提高爐前排煙罩除塵風(fēng)量仍不能解決煙氣逃逸問題的情況下，通常設(shè)置屋頂三次除塵系統(tǒng)來彌補(bǔ)爐前排煙罩煙氣外的缺陷，但是三次除塵系統(tǒng)的風(fēng)量一般較大，往往大于對(duì)應(yīng)爐前排煙罩的風(fēng)量，這種對(duì)于整個(gè)除塵系統(tǒng)風(fēng)量的增加，往往帶來設(shè)備初投資及運(yùn)行維護(hù)成本的增加，不符合國家節(jié)能減排的政策，同時(shí)也不適應(yīng)鋼鐵工業(yè)現(xiàn)代化和大型化的需求。

隨著霧霾問題日益受到關(guān)注，國家法律法規(guī)也在強(qiáng)力推動(dòng)環(huán)境治理，各鋼鐵企業(yè)均對(duì)廠區(qū)環(huán)保提出了更高的要求，爐前排煙罩煙氣逃逸的問題日益突出。本文通過理論及數(shù)值模擬分析，設(shè)計(jì)了一種高效、低耗的轉(zhuǎn)爐爐前排煙罩。

2 二次煙氣氣流組織分析

2.1 典型轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集裝置

煉鋼車間典型的轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集裝置如圖1所示：爐前排煙罩懸掛于轉(zhuǎn)爐正上方，其吸風(fēng)口正對(duì)于轉(zhuǎn)爐爐口，進(jìn)入爐前排煙罩的風(fēng)量主要由三部分組成： G1（運(yùn)輸通道環(huán)境側(cè)進(jìn)風(fēng)）、G2（運(yùn)輸通道廠房側(cè)進(jìn)風(fēng)）、G3（廠房內(nèi)部進(jìn)風(fēng)）。傳統(tǒng)的典型爐前排煙罩由于其捕集效率不高，其逃逸的煙氣進(jìn)入廠房內(nèi)而影響室內(nèi)工作環(huán)境，危害工人健康。為了更好的對(duì)G1、G2、G3的氣流組織進(jìn)行研究，我們采用CFD計(jì)算技術(shù)對(duì)二次煙氣的氣流組織進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 典型轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集裝置（1-典型爐前排煙罩、2-轉(zhuǎn)爐、3-鐵水罐、4-運(yùn)輸通道環(huán)境側(cè)、5-運(yùn)輸通道廠房側(cè)、6-屋頂三次除塵罩、7-主廠房）

2.2 典型爐前排煙罩?jǐn)?shù)值模擬

（1）CFD計(jì)算模型。根據(jù)某鋼廠轉(zhuǎn)爐車間300t轉(zhuǎn)爐實(shí)際情況建立了CFD計(jì)算模型，如圖2所示：爐前排煙罩懸掛于轉(zhuǎn)爐爐口正上方，轉(zhuǎn)爐周圍設(shè)置防煙室，轉(zhuǎn)爐下方為運(yùn)輸通道，運(yùn)輸通道一側(cè)與廠方內(nèi)部相通（廠房側(cè)），另一側(cè)與廠房外部環(huán)境相通（環(huán)境側(cè)），鐵水罐依靠吊車來進(jìn)行吊運(yùn)。

圖2 CFD計(jì)算模型

圖2 中爐前排煙罩為典型爐前排煙罩結(jié)構(gòu)形式，圖3所示。

圖3 典型爐前排煙罩工作示意圖（1-典型爐前排煙罩、2-抽風(fēng)管）

典型爐前排煙罩懸掛于轉(zhuǎn)爐爐口正上方，煙氣從排煙罩下部風(fēng)口進(jìn)入排煙罩，從而被抽風(fēng)管抽走，最終進(jìn)入凈化裝置凈化后排放至大氣。

（2）邊界條件及模型參數(shù)設(shè)置。本研究根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場實(shí)際情況，主要邊界條件設(shè)置如下：爐前排煙罩抽風(fēng)量70萬m?/h（工況），轉(zhuǎn)爐爐口煙氣量為35萬m?/h（工況），室外環(huán)境溫度為32℃，廠房內(nèi)溫度為38℃，含塵煙氣主要成分為石墨和三氧化二鐵。車間整體空氣流動(dòng)為可以視為低速流動(dòng)，將空氣近似為不可壓縮流體考慮，模擬過程中考慮基于密度變化的熱壓作用，計(jì)算區(qū)域?yàn)闅夤虄上嗔?。為有效?jì)算煙塵的運(yùn)動(dòng)軌跡和煙塵捕集效率，采用拉格朗日粒子追蹤模型。

（3）計(jì)算結(jié)果。流場及煙塵軌跡如圖4所示，由于熱壓和爐前排煙罩的作用，運(yùn)輸通道環(huán)境側(cè)和廠房側(cè)的氣流均流入運(yùn)輸通道然后進(jìn)入防煙室，進(jìn)入防煙室的氣流一部分進(jìn)入爐前排煙罩，一部分進(jìn)入廠房內(nèi)。定義爐前排煙罩的抽風(fēng)量為G，CFD計(jì)算結(jié)果見表1。

圖4 流場及煙塵軌跡圖

表1 典型爐前排煙罩CFD模擬結(jié)果

序號(hào) 煙塵捕集率 備注

1 0.466 0.555 1.021 54.1%

從圖4和表1可以看出，典型爐前排煙罩捕集效果較差，大量的煙塵從爐前排煙罩逃逸至主廠房內(nèi)，嚴(yán)重污染了廠房環(huán)境?，F(xiàn)場實(shí)際情況見圖5：

圖5 現(xiàn)場爐前排煙罩工作狀態(tài)

根據(jù)圖1、圖5以及現(xiàn)場觀測，進(jìn)入爐前排煙罩的氣流主要來自三個(gè)地方：運(yùn)輸通道環(huán)境側(cè)、運(yùn)輸通道廠房側(cè)以及爐前排煙罩所處的廠房內(nèi)，而對(duì)爐前排煙罩起積極作用的為廠房內(nèi)進(jìn)入爐前排煙罩的氣流，因?yàn)樗梢砸种茻焿m朝廠房內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)而提高了排煙罩的捕集效率。運(yùn)輸通道環(huán)境側(cè)及廠房側(cè)的氣流是從防煙室的下部進(jìn)入，并不能有效抑制煙塵朝廠房內(nèi)擴(kuò)散，相反由于其占據(jù)了爐前排煙罩抽風(fēng)量的一部分，降低了爐前排煙罩的捕集效率，我們通常將這部分氣流稱之為野風(fēng)。

圖6 進(jìn)入爐前排煙罩的氣流組織

從表1及圖6可以進(jìn)一步得出，由于 、 偏大，從廠房內(nèi)進(jìn)入爐前排煙罩的氣流很少，這是導(dǎo)致爐前排煙罩捕集效率低下的主要原因。因此在保持爐前排煙罩的抽風(fēng)量G不變的情況下，減小 、 的值（降低 的比值），提高廠房內(nèi)進(jìn)入爐前排煙罩的風(fēng)量，是爐前排煙罩設(shè)計(jì)的一個(gè)重要考慮因素。

3 新型爐前排煙罩設(shè)計(jì)

在保持爐前排煙罩的抽風(fēng)量G不變的情況下，要降低 的比值，則要增大 、 所在的氣流通道的阻力，同時(shí)減小廠房內(nèi)進(jìn)入爐前排煙罩的氣流通道的阻力。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型爐前排煙罩，如圖7所示：

（a） （b）

圖7新型爐前排煙罩（1-前斜板、2-前面板、3-頂板、4-后面板、5-轉(zhuǎn)動(dòng)軸、6-活動(dòng)翼板、7-風(fēng)管、8-轉(zhuǎn)爐、9鐵水罐、10-吊車橫梁）

其工作過程為：當(dāng)轉(zhuǎn)爐兌鐵水工作開始時(shí)，轉(zhuǎn)爐8傾斜至圖6（b）中狀態(tài)，鐵水罐9在吊車的作用下靠近轉(zhuǎn)爐8，此時(shí)吊車橫梁10接近除塵罩本體結(jié)構(gòu)的前斜板1和前面板2，通過設(shè)置合理的前斜板1的長度，盡量減小吊車橫梁10與前斜板1和前面板2之間的間隙。當(dāng)鐵水罐9傾斜開始往轉(zhuǎn)爐8倒鐵水時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，此時(shí)爐前排煙罩本體開始工作抽風(fēng)。前斜板充分遮擋吊車橫梁與除塵罩本體之間的空隙，阻擋二次煙氣從此通道外，同時(shí)前斜板的設(shè)置減小了廠房內(nèi)進(jìn)入爐前排煙罩的氣流通道的阻力。后面板和可活動(dòng)翼板類似于阻力元件，位于運(yùn)輸通道氣流進(jìn)入爐前排煙罩的路徑上，有效的增大了 、 所在的氣流通道的阻力。

4 新型爐前排煙罩分析及應(yīng)用

對(duì)圖7中新型爐前排煙罩進(jìn)行CFD模擬，分別設(shè)置三種工況，爐前排煙罩本體、廠房結(jié)構(gòu)尺寸及未列出的參數(shù)與ξ2.2節(jié)設(shè)置相同。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 新型爐前排煙罩CFD模擬工況

序號(hào) 新型爐前排煙罩結(jié)構(gòu)形式 爐前排煙罩抽風(fēng)量×104m（工況） 轉(zhuǎn)爐爐口煙氣量×104m（工況）

工況一 僅后面板設(shè)置活動(dòng)翼板 70 35

工況二 僅前面板設(shè)置前斜板 70 35

工況三 同時(shí)設(shè)置活動(dòng)翼板及前斜板 70 35

表3 新型爐前排煙罩CFD模擬結(jié)果

序號(hào) 煙塵捕集率

工況一 0.5384 0.2346 0.773 80.4%

工況二 0.5380 0.2321 0.7701 89.3%

工況三 0.5803 0.1899 0.7702 100%

從表1、表3可以看出新型爐前排煙罩的 值較典型爐前排煙罩降低了26.7%，對(duì)于爐前排煙罩來說，增大了野風(fēng)的流通阻力，對(duì)煙氣捕集產(chǎn)生了積極效果，相應(yīng)的煙塵捕集率有了較大的提高，在理想情況下，可以實(shí)現(xiàn)爐口無明顯煙氣外逸。我們?cè)谀充搹S新建300t轉(zhuǎn)爐上設(shè)計(jì)并應(yīng)用了新型爐前排煙罩，現(xiàn)場運(yùn)行情況見圖8。

圖8 新型爐前排煙罩工作狀態(tài)

從圖8可以看出，新型爐前排煙罩運(yùn)行情況良好，在兌鐵水過程中，無明顯煙氣外逸，證明新型爐前排煙罩可以達(dá)到較高的捕集率，從而可以實(shí)現(xiàn)高效、低耗的二次煙氣捕集，進(jìn)而可以取消三次煙氣捕集裝置，達(dá)到煙氣捕集高效、低耗的目標(biāo)。

5 結(jié)語

（1）經(jīng)過數(shù)值模擬分析及工程實(shí)踐，表明本文中提出的新型爐前排煙罩可以實(shí)現(xiàn)高效、低耗的捕集，在設(shè)計(jì)條件下，可以實(shí)現(xiàn)爐前排煙罩無明顯煙氣外逸，進(jìn)而可以取消低效、高耗的屋頂三次煙氣除塵裝置。（2）除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要首先考慮提高除塵罩的捕集效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，2004.

[2]陳俊，代洪浪，李治友.CFD在轉(zhuǎn)爐二次除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，第5屆中國金屬學(xué)會(huì)青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010.

[3] Tom Plikas et al. Application of CFD Modeling to the Design of Fume Control Systems in the Steel Industry .The Iron & Steel Technology，2007.

基金項(xiàng)目：本文受國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目：工業(yè)建筑高效通風(fēng)設(shè)計(jì)理論與研究方法（項(xiàng)目號(hào)：51238010）資助。