王重陽(yáng),趙 剛,肖駿松,鄭睿鑫

(1.武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081)

0 引言

近年來(lái)，隨著帶鋼軋制產(chǎn)能逐步釋放，熱軋車間氧化鐵皮粉塵污染加劇，這種可入肺顆粒物不僅造成工作人員的安全問(wèn)題，還會(huì)沉降到鋼帶表面并被軋輥壓入，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)軋制粉塵污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)進(jìn)行不同程度的熱軋降塵技術(shù)改造。鞍鋼1780等鋼廠采用噴液降塵技術(shù)，由于常規(guī)噴淋液滴粒徑過(guò)大，而氧化鐵皮粉塵顆粒較細(xì)，液滴與粉塵發(fā)生彈性碰撞，無(wú)法完成捕捉，降塵效果欠佳[1]。噴淋水耗用量大，且大量液滴落在鋼板上導(dǎo)致帶鋼表面溫降加大，影響熱軋帶鋼質(zhì)量。其他降塵方法，如寶鋼2050采用干式降塵、寶鋼1580采用濕式電降塵、濟(jì)鋼熱軋廠精軋機(jī)液壓降塵，其技術(shù)改造和使用成本高，耗電量大[2-3]。

德國(guó)萊克勒公司率先在鋼鐵企業(yè)熱軋領(lǐng)域使用霧化降塵技術(shù)。噴霧降塵技術(shù)[4]是利用霧化的細(xì)小粒徑液滴來(lái)捕捉粉塵，以有效提高降塵效率，降低鐵皮灰發(fā)生率，提高帶鋼產(chǎn)品成材率。隨后美國(guó)斯普瑞公司[5]，開(kāi)始研發(fā)氣液兩相混流噴霧降塵技術(shù)，并在天津、新余等國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)有少量應(yīng)用。目前存在的主要問(wèn)題是降塵效能不穩(wěn)定，降塵效果不理想。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)噴霧降塵機(jī)理的研究，主要集中于無(wú)組織粉塵排放防治領(lǐng)域，多見(jiàn)于煤炭、倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的降塵技術(shù)研究[6]。為揭示液滴與粉塵的碰撞、捕集效應(yīng)，張安明等[7]對(duì)高壓噴霧的降塵機(jī)理進(jìn)行建模研究，效果較好，但要實(shí)現(xiàn)噴霧高壓條件需要消耗大量的電能，且對(duì)噴霧系統(tǒng)零部件有很大的沖擊，造成消耗嚴(yán)重的問(wèn)題；樊建人等[8]則運(yùn)用氣固兩相流建立顆粒與顆粒的碰撞模型，較好地解決了單相高壓噴霧的壓力問(wèn)題；Tanthapanichakoon等[9]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得到噴嘴霧場(chǎng)的粒度分布經(jīng)驗(yàn)公式，但未深入揭示2相噴霧中的氣壓、液壓以及噴嘴口徑等技術(shù)參數(shù)對(duì)霧滴粒徑和降塵效率的影響規(guī)律，且研究的粉塵成分以煤炭和Si化合物為主，與氧化鐵皮粉塵性質(zhì)差異很大。目前關(guān)于兩相流噴霧技術(shù)機(jī)理的研究[10-11]，多以常溫工況條件下的塵粒捕集效率估算方法和模型研究為主，而氧化鐵皮粉塵屬高溫環(huán)境下的粉塵顆粒，高溫下霧滴的蒸發(fā)以及存活時(shí)間會(huì)影響降塵效率。

本文對(duì)熱軋氣液2相霧化降塵效率進(jìn)行研究，分別分析單一霧化因素和多因素耦合下對(duì)降塵效率的影響規(guī)律，結(jié)合高溫對(duì)霧滴存活時(shí)間的影響，分析得到一組最優(yōu)的2相霧化壓力參數(shù)，為提高熱軋機(jī)霧化降塵效果提供理論依據(jù)。

1 噴霧降塵效率的數(shù)學(xué)模型

噴霧降塵主要是霧滴與粉塵顆粒的碰撞捕集和凝結(jié)沉降，對(duì)粉塵沉降量影響較大的因素主要有以下7個(gè)[12]：霧滴與粉塵的相對(duì)速度、粉塵濃度、空間含液量、捕集區(qū)截面積、霧滴截面積、霧滴體積以及單個(gè)液滴的捕塵效率；前研究學(xué)者通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出降塵效率公式，如式(1)～(2)所示[13]：

η=1-

(1)

U=Ud-Ug

(2)

式中：η為降塵效率；U為塵霧的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ud為霧滴的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ug為粉塵的流動(dòng)速度，m/s；Q為霧滴體積流量，m3/s；x為降塵截面內(nèi)噴霧的有效作用長(zhǎng)度，m；A為粉塵擴(kuò)散通道截面，m2；Dc為霧滴粒徑，μm；B為坎寧漢滑動(dòng)修正系數(shù)；dp為粉塵粒徑，μm；ρp為粉塵粒密度，kg/m3；μg為氣體黏度，Pa·s；B0為包括截留和擴(kuò)散作用的實(shí)驗(yàn)常數(shù)。

對(duì)熱軋機(jī)煙道粉塵取樣，取300 g灰渣樣，如圖1所示。粉塵試樣經(jīng)過(guò)烘干、篩分后，運(yùn)用鐵礦石硅量的測(cè)定、動(dòng)物膠重量法、重鉻酸鉀滴定法等方法進(jìn)行軋機(jī)煙塵化學(xué)成分檢測(cè)。測(cè)得煙塵化學(xué)成分大部分為Fe2O3，F(xiàn)eO和少量的Si，C；除此之外還有少量油份。運(yùn)用激光粒度分布儀進(jìn)行檢測(cè)得到熱軋粉塵粒徑范圍為0.62～130.37 μm，中位徑為21.73 μm，體積平均徑為26.93 μm，如表1所示。

表1 熱軋粉塵粒徑分布情況

因?yàn)闊彳垯C(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的氧化鐵皮粉塵粒徑大多分布在21～27 μm，僅考慮慣性碰撞捕塵機(jī)理[13]，所以B0=1，且B=1；鐵皮灰的主要成分包括氧化鐵、碳和硅；因此粉塵粒密度為840 kg/m3，將其視為氧化鐵皮粉塵的密度。軋輥工作面粉塵隨空氣流動(dòng)速度為1.6 m/s，粉塵擴(kuò)散通道截面面積約為5 m2；考慮到軋機(jī)的排列以及結(jié)構(gòu)因素，在降塵截面內(nèi)噴霧有效作用長(zhǎng)度為2 m；熱軋高溫環(huán)境氣體的動(dòng)力黏度為2.0×10-5Pa·s，因?yàn)殪F滴的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉塵運(yùn)動(dòng)速度，這里假設(shè)U=Ud；簡(jiǎn)化式(1)，如式(3)所示：

(3)

2 影響噴霧降塵效率的主要因素分析

2.1 單因素對(duì)降塵效率影響分析

由公式(3)可知，影響降塵效率的主要霧化參數(shù)有液體流量、霧滴粒徑、霧滴速度和粉塵粒徑，因?yàn)闊彳埛蹓m顆粒粒徑范圍一定，這里不做分析。根據(jù)公式(3)，運(yùn)用分析軟件得到單因素降塵效率趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 單因素降塵效率趨勢(shì)

分析公式(3)，得到圖2所示的單一因素對(duì)降塵效率的影響趨勢(shì)；由圖2(a)發(fā)現(xiàn)，隨著液體流量Q的增大，降塵效率增大，當(dāng)液體流量大于0.5×10-4m3/s時(shí)，增大的趨勢(shì)逐漸減??；因?yàn)殡S著液體流量的增加霧滴的數(shù)量在增加，當(dāng)霧場(chǎng)含水量達(dá)到飽和時(shí)，繼續(xù)增加霧滴數(shù)量對(duì)提高降塵效率的影響不大。由圖2(b)可知霧滴粒徑越小，降塵效率越高，當(dāng)霧滴粒徑小于100 μm時(shí)，對(duì)氧化鐵皮粉塵降塵效果較好。而從圖2(c)很容易看出，當(dāng)霧滴獲得一定的速度后，隨著速度的增大，對(duì)降塵效率的影響幾乎不變?？傊?，從圖2(a)～(c)可以發(fā)現(xiàn)影響降塵效率的關(guān)鍵因素為霧滴粒徑與液體流量。

2.2 不同氣液2相壓力參數(shù)下的霧化結(jié)果

以上是對(duì)降塵效率的單一影響因素分析，這些因素通常是由噴嘴結(jié)構(gòu)以及噴霧壓力參數(shù)決定的；選取型號(hào)為HPA2.0-120X45J的氣液兩相流霧化噴嘴為研究對(duì)象，該噴嘴為內(nèi)混式氣、液霧化噴嘴，噴霧均勻且霧化效果好，多用于噴霧降塵；搭建霧滴粒度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示；該測(cè)試系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、氣泵和液泵、流量計(jì)、噴霧集管和激光干涉儀；其系統(tǒng)示意，如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中所用的設(shè)備參數(shù)如表2所示。PLC控制通入噴嘴的氣壓與液壓，氣泵與液泵分別經(jīng)過(guò)氣路、液路連接2相噴嘴。利用該平臺(tái)可以測(cè)量液體流量、霧滴速度、霧滴尺寸分布等參數(shù)。根據(jù)參數(shù)控制界面分別設(shè)置氣壓范圍0.1～0.4 MPa，液壓范圍0.1～0.6 MPa，運(yùn)用激光干涉儀測(cè)得不同氣液壓力下的霧滴參數(shù)，采用數(shù)據(jù)采集卡記錄數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖3 霧滴粒度測(cè)試系統(tǒng)示意

圖4 霧滴粒度測(cè)試系統(tǒng)

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

由表3可知，相同氣壓下，隨著液壓的增大液體流量逐漸增加；相同液壓下，隨著氣壓的增大，液體流量反而減小，并且這個(gè)趨勢(shì)改變迅速。

表3 噴霧壓力對(duì)液體流量的影響

不同氣液壓力組合下，霧滴速度的大小范圍為12～31 m/s；結(jié)合單一因素分析結(jié)果，此噴霧速度范圍對(duì)降塵效率的影響不大。

相同液壓下，隨著氣壓的增大，霧滴粒徑在減??；相反，相同氣壓下，隨著液壓的增大，霧滴粒徑增大；這是因?yàn)闅庖?相噴嘴霧化過(guò)程中，液體在液壓作用下，先發(fā)生第1次破碎，然后流入混合腔中在壓縮空氣的作用下，液滴發(fā)生二次破碎；氣體壓力越大，二次破碎效果越明顯；而當(dāng)液壓增加時(shí)，進(jìn)入混合腔的液體流量增加，在相同氣壓作用下，二次破碎效果減弱，噴出的霧滴粒徑相對(duì)較大。

2.3 多因素耦合對(duì)降塵效率的影響分析

每一組氣液2相壓力參數(shù)，對(duì)降塵效率單一影響因素液體流量、霧滴粒徑、霧滴速度都有不同趨勢(shì)的影響，因此每組氣液壓力作用下，會(huì)有3個(gè)霧化參數(shù)耦合對(duì)降塵效率產(chǎn)生影響；根據(jù)表3不同氣液2相壓力組合下測(cè)得的霧滴參數(shù)值，結(jié)合降塵效率計(jì)算模型，運(yùn)用分析軟件得到不同氣液壓力組合下多因素耦合的降塵效率趨勢(shì)，如圖5所示。

圖5 多因素耦合降塵效率趨勢(shì)

圖5(a)為氣液2相壓力共同作用下的降塵效率三維曲面，可以看出，氣液2相壓力參數(shù)對(duì)降塵效率的影響規(guī)律更加復(fù)雜，為更直觀地得到氣液2相壓力參數(shù)對(duì)降塵效率的影響規(guī)律，截取圖5(a)中的2個(gè)切面進(jìn)行分析，如圖5(b)～(c)所示；從圖5(b)可以看出，低氣壓時(shí)，隨著液壓的增大，降塵效率先升高后降低；高氣壓時(shí)，隨著液壓的增大，降塵效率持續(xù)增大，沒(méi)有出現(xiàn)降低趨勢(shì)。因?yàn)榈鸵簤簳r(shí)，從進(jìn)液孔進(jìn)入的液流量較少，較小的氣壓就能使進(jìn)入的液體充分破碎霧化，霧滴粒徑減小、數(shù)目增加，降塵效率因而升高；隨著液壓增大，從進(jìn)液孔進(jìn)入的液體流量越來(lái)越大，較低的氣壓不足以使其充分破碎霧化，噴出的霧滴粒徑變大，降塵效率反而降低。從圖5(c)可以看出，當(dāng)液壓一定時(shí)，隨著氣壓的增大，降塵效率增大，但增大的趨勢(shì)逐漸減小，甚至在低液壓時(shí)出現(xiàn)降塵效率減小的轉(zhuǎn)折。這是因?yàn)闅鈮河欣诖龠M(jìn)霧滴發(fā)生二次破碎，從而促進(jìn)降塵效率增大，但高氣壓、低液壓時(shí)，較大的氣壓會(huì)使少量的霧滴破碎過(guò)小甚至吹散，不能發(fā)揮降塵作用，因而降塵效率降低。

3 熱軋機(jī)噴霧降塵效率討論與分析

熱軋噴霧降塵與煤礦等其他領(lǐng)域噴霧降塵的區(qū)別，除了粉塵的成分不同外，最大的區(qū)別在于熱軋降塵的高溫環(huán)境；霧滴在熱軋高溫環(huán)境下的蒸發(fā)對(duì)降塵效率的影響不能忽略[14]；從霧化降塵理論可知，霧滴粒徑越小，降塵效率就越高，而小霧滴在霧場(chǎng)中是否能真正發(fā)揮降塵作用，還要考慮其在霧場(chǎng)中的存活時(shí)間；考慮到霧滴從噴嘴噴出后可以貫穿整個(gè)粉塵擴(kuò)散通道截面長(zhǎng)度以攔截氧化鐵皮粉塵擴(kuò)散即可認(rèn)為其能發(fā)揮作用，因?yàn)檐垯C(jī)間粉塵擴(kuò)散通道截面長(zhǎng)度2 m，霧滴存活時(shí)間通常要大于5 s。

3.1 霧滴存活時(shí)間方程

霧滴在熱空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于空氣和霧滴的溫度不一致，則必然發(fā)生熱傳遞，亦即球形霧滴會(huì)在風(fēng)流的作用下發(fā)生蒸發(fā)、擴(kuò)散等現(xiàn)象[15]。根據(jù)傳熱傳質(zhì)學(xué)理論，可得標(biāo)態(tài)下液滴表面液向空氣中蒸發(fā)時(shí)的換熱系數(shù)的計(jì)算公式，如式(4)～(5)所示[16]：

(4)

(5)

式中：α為液滴表面液向空氣中蒸發(fā)時(shí)的換熱系數(shù)；Nμ為無(wú)因次數(shù)群，稱為努謝爾準(zhǔn)則；Pr為無(wú)因次數(shù)群，稱為普朗特準(zhǔn)則；Re為空氣流的雷諾數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，J/(m·s·℃)；l為氣流與液滴接觸長(zhǎng)度，m。

所求的α為非標(biāo)態(tài)情況，需要進(jìn)行修正，如式(6)所示：

(6)

式中：ρg為空氣密度，kg/m3；CP為比熱，kJ/(kg·℃)。

則蒸發(fā)液量，亦即質(zhì)流通量的計(jì)算公式，如公式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：PS為特定溫度下的飽和液蒸汽壓，Pa；A，B，C為常數(shù)，分別為18.303 6，3816.44和46.13；T為攝氏溫度，℃；mw為質(zhì)流通量，kg/(m2·h)；μ為液蒸氣的分子量；θ為空氣的相對(duì)濕度。

則某粒徑液滴在空氣中的存活時(shí)間，如式(9)所示：

(9)

式中：t為液滴在空氣中的存活時(shí)間，s；ρd為液滴的密度，kg/m3。

3.2 結(jié)果分析

依據(jù)霧滴蒸發(fā)理論，得到不同粒徑的霧滴在不同溫度下的存活時(shí)間，如圖6所示。

圖6 霧滴存活時(shí)間

由圖6可知，霧滴半徑越大，其蒸發(fā)時(shí)間越長(zhǎng)，存活時(shí)間越久。半徑為30，60，90 μm的霧滴在環(huán)境溫度為20 ℃下存活時(shí)間均大于20 s；隨著環(huán)境溫度的增高，霧滴的存活時(shí)間呈近似指數(shù)關(guān)系下降。霧滴粒徑增大，其蒸發(fā)緩慢，存活時(shí)間延長(zhǎng)。因此結(jié)合霧滴存活時(shí)間的研究，在熱軋高溫環(huán)境中，霧滴半徑在60～90 μm較為合適，存活時(shí)間在5 s以上。

結(jié)合圖5，當(dāng)氣壓大于0.3 MPa，液壓大于0.35 MPa時(shí)，粒徑為21～27 μm的氧化鐵皮粉塵沉降效果最佳，降塵效率均能達(dá)到90%以上；考慮到霧滴的蒸發(fā)以及存活時(shí)間，最終得到最優(yōu)的2相參數(shù)氣壓為0.3 MPa，液壓為0.5 MPa，此時(shí)平均霧滴粒徑為63.57 μm，降塵效率為91.57%。依據(jù)分析結(jié)果，在某鋼廠熱軋生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝噴霧系統(tǒng)，分別在軋輥兩側(cè)以及機(jī)架上方安裝粉塵濃度檢測(cè)儀，多次檢測(cè)有無(wú)噴霧狀況下熱軋車間環(huán)境粉塵濃度值，計(jì)算降塵效率，取得較好的效果。

4 結(jié)論

1)分析熱軋機(jī)降塵效率數(shù)學(xué)模型可知，液體流量、霧滴粒徑對(duì)降塵效率影響較大，霧滴速度對(duì)降塵效率的影響較小。

2)在熱軋高溫降塵截面內(nèi)，考慮到霧滴的存活時(shí)間，要保證降塵效率，霧滴粒徑不能小于60 μm。

3)結(jié)合噴霧降塵理論和高溫環(huán)境的影響，對(duì)熱軋機(jī)降塵，最優(yōu)的2相霧化參數(shù)為氣壓0.3 MPa、液壓0.5 MPa，此時(shí)平均霧滴粒徑為63.57 μm，降塵效率為91.57%。

4)高溫下霧滴與粉塵的碰撞規(guī)律、熱動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，以及捕集后粉塵去向的研究，均有待深入探討。