宋高舉 徐宏錦 池佳春 耿昌涵

（1.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450007；2.西安工程大學，西安 710600；3.中原工學院，鄭州 450007）

0 引言

鑄造工業(yè)在踐行綠色發(fā)展理念、推進行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展過程中，電爐熔煉過程中產(chǎn)生的大氣污染物的捕集和凈化處理成為焦點問題之一。對于中小型感應電爐，一般設(shè)置有爐蓋罩捕集熔煉過程中產(chǎn)生的煙氣。但在加料、出鐵操作時，部分煙氣難以捕集而逃逸，對車間內(nèi)職業(yè)健康環(huán)境和室外環(huán)境造成危害。

關(guān)于電爐煙氣的捕集，國內(nèi)外學者進行了相關(guān)的研究。電爐煙氣捕集的方式包括屋頂大罩、半密閉罩等方式［1］。黃艷秋等［2］通過數(shù)值模擬的方法對電爐煙氣捕集罩的捕集效果進行了研究。國內(nèi)外學者對熱羽流的特性及捕集進行了研究［3-4］，以便了解熱羽流的特性，以便采取有效的捕集措施。吹吸式通風是捕集熱羽流的重要形式之一。隨著計算流體動力學（CFD）的發(fā)展，專家學者借助CFD軟件對吹吸式通風進行模擬分析，并利用先進的測試儀器進行對應的實驗。CHERN M J等［5］利用CFD軟件模擬分析了吹吸式通風系統(tǒng)的基本流動現(xiàn)象，分析了吹吸口法蘭的高度、吹吸通道的寬度和偏移距離（從污染物表面到吹吸通道）對流場的影響。GONZALEZ E等［6］研究了吹吸式排風罩的幾何特性對污染物捕集效率的影響。

針對現(xiàn)有中小型感應電爐煙氣的二次捕集改造的需求，本文提出了利用煙氣的高溫特性，通過設(shè)置捕集罩和優(yōu)化罩內(nèi)氣流組織的形式，以較小的通風量捕集感應電爐在加料和出鐵過程中逃逸的煙氣。通過數(shù)值模擬的方法，研究了通過優(yōu)化氣流組織和逃逸煙氣的捕集效果，為中小型感應電爐的二次煙氣的捕集罩的新建和改造提供參考。

1 問題分析

感應電爐熔煉過程中加料、出鐵存在含塵煙氣逃逸現(xiàn)象。該部分逃逸煙氣的特點：①受工藝的影響，局部設(shè)置捕集罩難度較大；②溫度較高，煙氣浮升速度較快；③污染源源強變化大，時間不固定?；谔右轃煔庠吹奶攸c，在實施逃逸煙氣二次捕集改造過程中，存在以下幾個問題：①二次捕集通風量大，管道布置位置不足；②室外布置除塵器的位置不足；③運行和管理費用高。

2 數(shù)值模擬

1）物理模型。本文以某鑄造廠10 t感應電爐為研究對象，設(shè)計了對開式煙氣二次捕集罩（如圖1所示）。對開式捕集罩在罩子頂端一側(cè)設(shè)置送風口，在對側(cè)設(shè)置排風口。通過送風口和排風口在對開式捕集罩開口部分形成空氣幕，當逃逸煙氣在浮升力作用下上升至空氣幕時被空氣幕捕集并送至排風口。其中鐵水包直徑為0.973 m，電爐直徑2 m，爐蓋罩的直徑2 m，送風口尺寸為5.2 m×0.16 m，排風口尺寸為7 m×0.5 m，捕集罩中部和導流板下側(cè)為開口，其余面均為罩體。

圖1 捕集罩結(jié)構(gòu)

2）控制方程。流體流動必須遵循的基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、湍流輸運方程。

3）邊界條件。熱源，送風口和排風口邊界類型均設(shè)置為速度入口，自由面邊界條件類型設(shè)置為壓力出口。其余罩體邊界條件類型均設(shè)置為壁面。

4）數(shù)學模型及求解方法。計算采用RNG k-湍流模型，選取二階迎風格式作為求解的差分格式，并采用SIMPLE算法。由于空氣溫度較高，其密度、比熱容、導熱系數(shù)在溫度變化的過程中會隨著變化，空氣被視為理想可壓縮的流體，并在數(shù)值模擬過程中，對密度等物性參數(shù)進行線性差分處理。

5）網(wǎng)格無關(guān)性驗證。本文以相同的劃分方式對計算區(qū)域進行了3種不同網(wǎng)格數(shù)量的劃分，分別為81萬、114萬、149萬，并進行了網(wǎng)格相關(guān)性驗證。不同網(wǎng)格數(shù)下典型位置線1速度分布如圖2所示。

由圖2可知，3種不同網(wǎng)格數(shù)量下典型位置線1速度分布規(guī)律基本一致，數(shù)值模擬的結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)?？紤]到計算精確度和計算機的硬件條件，本研究選用81萬網(wǎng)格數(shù)進行數(shù)值模擬。

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下典型位置線1速度分布

6）捕集效果的影響因素。根據(jù)對污染源的特點分析和對開式捕集罩的特點，影響捕集罩捕集效率的主要影響因素為送風口向下傾斜角度、送風溫度、送排風風速、熱源溫度變化以及捕集罩的開度。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 導流板寬度的研究

適當提高送風口的風速，可以提高空氣的捕集效果。在對開式捕集罩在加料工況時，空氣幕氣流在對側(cè)捕集罩內(nèi)形成兩部分氣流，一部分氣流被排風口捕集，一部分氣流沿對側(cè)捕集罩的罩體向下形成附壁射流（如圖3所示）。

圖3 無導流板時y=2.2截面矢量

由圖3可知，無導流板時附壁射流在罩體下部泄漏出捕集罩。為了防止附壁射流從捕集罩下端開口處逃逸，在排風口的下側(cè)設(shè)置氣流導流板，引導氣流重新進入罩內(nèi)。導流板的寬度是重要的影響因素。選擇不同寬度的導流板，通過分析排風側(cè)罩體下側(cè)出口的風速（典型位置線2）判定捕集罩是否存在煙氣泄漏的情況。不同導流板寬度的典型位置線2處的風速如圖4所示。

圖4中，速度正值表示氣流經(jīng)捕集罩下端開口逃逸的趨勢。由圖4可知，在無導流板（0 mm）和導流板200 mm寬的工況下，捕集罩內(nèi)氣流經(jīng)下端開口逃逸現(xiàn)象較為嚴重，當導流板寬增至300 mm時，氣流逃逸明顯減少；導流板寬增至400 mm時，無氣流逃逸現(xiàn)象。隨著導流板寬度增加，效果越好。但實際工程中因工藝限制，導流板不宜設(shè)置過寬。因此本研究對象選用導流板寬度為600 mm。

圖4 不同導流板寬度情況典型位置線2速度分布

3.2 送風口射流方向?qū)Σ都植都Ч挠绊懷芯?/h3>

送風口送出的氣流所形成的空氣幕受浮射流的影響，宜造成空氣幕氣流逃逸出捕集罩。送風口適當向下傾斜，使得空氣幕具有向下的動量。在浮射流向上的動量作用下，空氣幕氣流會出現(xiàn)向上彎曲并逃逸的現(xiàn)象。本文選取10°、20°和30°三個角度，通過數(shù)值模擬的方法分析捕集罩捕集效果如圖5和圖6所示。

圖5 送風口向下傾斜不同角度下y=2.2截面速度矢量

圖6 送風口向下傾斜不同角度下典型位置線3速度分布

由圖5可知，在水平和傾斜角度為10°、20°時，吹吸氣流逃逸出罩外。當傾斜角度增加到30°時，吹吸氣流在捕集罩內(nèi)并被排風口捕集，捕集效果好。由圖6可知，在浮射流向上的動量作用下，氣流呈彎曲狀態(tài)，典型位置線3在不同的送風角度時并不在射流中，因此，當送風角度為30°時，其速度曲線在開口部位速度較低。研究結(jié)果表明，針對所研究的3種角度中，30°時可以抵御浮射流的向上的動量的影響，捕集效果較好。

3.3 送排風風速對捕集罩捕集效果的影響研究

送風口和排風口風速是空氣幕捕集效果的重要影響因素。送風風速為主要影響因素，為了確定最佳的送排風速度，在流量比為1∶2.9的情況下，對不同送排風組合的速度矢量圖進行了模擬研究（如圖7所示）。

圖7 不同送排風風速下y=2.2截面速度矢量

由圖7可知，在送排風風速為6.5 m/s和4.5 m/s時，空氣幕與浮射流混合后的含塵氣流被排風口捕集效果較好。送排風風速為5.5 m/s和3.8 m/s，在上升氣流作用下，送風氣流氣流會上升彎曲，部分煙氣從排風罩逃逸，捕集效果不佳。當送排風風速為4 m/s和2.7 m/s時，吹吸氣流從罩子逃逸量較大，捕集效果最差。研究結(jié)果表明，在捕集罩系統(tǒng)設(shè)計時，在最佳流量比約束下，送、排風速度是重要的影響因素。

3.4 污染源溫度對捕集罩捕集效果的影響研究

感應電爐在不同的熔煉階段和不同的操作情況下，爐子及煙氣的溫度不同。為了研究在不同的污染源溫度情況下捕集罩的捕集效果，對污染源溫度為200℃、500℃和1 000℃等3種溫度情況下典型位置線3、4的速度變化對比（如圖8、圖9所示）。

圖8 典型位置線3速度分布

圖9 典型位置線4速度分布

由圖8和圖9可知，在熱源溫度200℃時吹吸氣流可防止浮射流逃逸，吹吸氣流連續(xù)性好，捕集效果好。在熱源溫度500℃時吹吸氣流已破裂，熱源溫度升至1 000℃時吹吸氣流完全破裂，吹吸氣流已不能控制污染氣流，污染氣流從捕集罩頂部開口逃逸。這是由于熱源溫度越高，靠近熱源的氣體受熱而溫度升高，與周圍空氣之間的密度差越大，浮升力就越大，速度變化和密度變化相耦合，那么軸心速度就相應增大（如圖9所示）。因此需要有抵御浮射流上升氣流所需的動量也增大。所以污染源溫度升高時，所需送排風風速也應相應增大或減小。由圖10可知，熱源溫度1 000℃時，加大風速可以保證捕集效果。

圖10 熱源溫度1 000℃下y=2.2截面速度矢量

3.5 捕集罩在不同開度工況下通風量的研究

在感應電爐不同的操作階段，對開式捕集罩的開度不同。為了研究不同開度情況下的污染物捕集效果，對開度為0、1、2、3 m情況的通風量進行了研究（如圖11、圖12所示）。

由圖11和圖12可知，控制上升氣流是成功捕集污染物的最重要因素。而送風氣流是控制上升氣流的主要因素，必須克服上升氣流流動速度。隨著捕集罩中間開口縮小，送、排風口距離縮短，送風氣流流速衰減少，因此降低射流速度可以控制上升氣流，并使上升氣流在送風氣流的卷吸作用下流向排風口。所以，在保證捕集效果的前提下，捕集罩中間開口縮小，所需射流初始動量越少，風量減少。

圖11 不同開度下y=2.2截面速度矢量

圖12 不同開度下送排風風量變化

3.6 送風氣流溫度對捕集罩捕集效率的影響研究

當送風空氣采用罩內(nèi)的空氣時，可以適當削弱源強，提高捕集罩的捕集效率。罩內(nèi)的空氣在不同的操作階段的溫度存在差異。為了研究不同送風溫度工況下捕集罩的捕集效果，選取20℃、100℃和200℃等3種不同溫度情況下典型位置線的速度分布（如圖13所示），分析捕集罩的捕集效果。

圖13 不同送風溫度下典型位置線3速度分布

由圖13可知，送風溫度20℃時，捕集罩的捕集效果好。隨著送風溫度升高，送風氣流經(jīng)送風口送出后向上流動趨勢越明顯。當溫度升至200℃時，煙氣逃逸出捕集罩。其原因是送風氣流溫度升高，密度減小，送風氣流經(jīng)送風口射出后會因低于周圍環(huán)境流體密度而產(chǎn)生浮力向上流動，送風氣流與周圍環(huán)境流體溫差越大導致浮力增大，因此需要更大的動量來抵消浮射流向上動量的影響，避免含塵煙氣從捕集罩頂部逃逸。

送風溫度升高到200℃時，原設(shè)定風速出現(xiàn)煙氣逃逸現(xiàn)象，捕集效果不好。為了保證煙氣的捕集效果，通過增大送排風風速為15 m/s、9.8 m/s，其捕集效果如圖14所示。由圖14可知，送風溫度200℃時，通過加大送排風風速可以保證煙氣的捕集效果。

圖14 送風溫度200℃下y=2.2截面速度矢量

4 結(jié)論

1）通過在排風側(cè)捕集罩的下部設(shè)置導流板，可以有效優(yōu)化捕集罩內(nèi)的氣流組織。針對研究對象研究了導流板的寬度大于300 mm時，導流板的寬度越寬，捕集效果越好。

2）研究結(jié)果表明，通過增加送風口向下傾斜角度可以提高捕集罩的捕集效果。

3）在流量比一定情況下，送排風風速對煙氣的捕集效果影響較大。本研究對象在送排風風速為6.5 m/s、4.5 m/s的情況，可以獲得較好的捕集效果。

4）在爐子煙氣溫度為1 000℃時，將送排風風速調(diào)整為11 m/s、9.3 m/s時，可以獲得較好的捕集效果。

5）對開式捕集罩的開度越小，相同條件下的污染物捕集效果越好。

6）隨著送風溫度的提升，送、排風口的風速需要相應提高。當送風溫度達到200℃時，送排風風速為15 m/s、9.8 m/s時，可以達到煙氣捕集的效果。