一種新型轉爐爐前排煙罩的分析及設計

劉昌健 肖萍 黃艷秋

【摘 要】典型轉爐爐前排煙罩由于捕集效率低，煙氣外逸嚴重，往往需要增設屋頂三次除塵來改善車間內環(huán)境，造成了初投資及運行費用的增加。本文設計了一種新型爐前排煙罩，經過理論分析及工程實踐，表明此種新型爐前排煙罩可以實現(xiàn)高效、低耗的捕集，從而不用設置低效、高耗的屋頂三次煙氣除塵裝置，達到了節(jié)能減排的目的。

【關鍵詞】新型轉爐爐前排煙罩 數(shù)值模擬 高效低耗

1 前言

在煉鋼轉爐二次煙氣捕集中，門型結構的爐前排煙罩已經成為一種典型形式。目前普遍存在的問題是爐前排煙罩的捕集效率低下，相應產生的粉塵逃逸成為影響鋼鐵企業(yè)煉鋼車間環(huán)境質量和工人工作環(huán)境的主要問題。國內各大鋼廠及研究機構對轉爐二次煙氣的捕集研究主要集中在優(yōu)化管路設計及增加抽塵點、增加系統(tǒng)風量上，其中CFD計算技術得到了應用[1]。中冶賽迪采用了CFD技術對轉爐二次煙氣捕集進行了模擬及驗證，初步分析了爐前排煙罩風量與煙塵捕集率之間的關系[2]，文章認為除塵風量是影響爐前排煙罩捕集效率的關鍵因素，但是對于既定的爐前排煙罩，風量提高到一定程度后，煙氣的捕集率提升程度就非常有限，所以除塵風量存在一個最佳值。Tom Plikas等人采用CFD計算也得出了相近的結論[3]。在提高爐前排煙罩除塵風量仍不能解決煙氣逃逸問題的情況下，通常設置屋頂三次除塵系統(tǒng)來彌補爐前排煙罩煙氣外的缺陷，但是三次除塵系統(tǒng)的風量一般較大，往往大于對應爐前排煙罩的風量，這種對于整個除塵系統(tǒng)風量的增加，往往帶來設備初投資及運行維護成本的增加，不符合國家節(jié)能減排的政策，同時也不適應鋼鐵工業(yè)現(xiàn)代化和大型化的需求。

隨著霧霾問題日益受到關注，國家法律法規(guī)也在強力推動環(huán)境治理，各鋼鐵企業(yè)均對廠區(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，設計了一種高效、低耗的轉爐爐前排煙罩。

2 二次煙氣氣流組織分析

2.1 典型轉爐二次煙氣捕集裝置

煉鋼車間典型的轉爐二次煙氣捕集裝置如圖1所示：爐前排煙罩懸掛于轉爐正上方，其吸風口正對于轉爐爐口，進入爐前排煙罩的風量主要由三部分組成： G1（運輸通道環(huán)境側進風）、G2（運輸通道廠房側進風）、G3（廠房內部進風）。傳統(tǒng)的典型爐前排煙罩由于其捕集效率不高，其逃逸的煙氣進入廠房內而影響室內工作環(huán)境，危害工人健康。為了更好的對G1、G2、G3的氣流組織進行研究，我們采用CFD計算技術對二次煙氣的氣流組織進行計算分析。

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

2.2 典型爐前排煙罩數(shù)值模擬

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

圖2 CFD計算模型

圖2 中爐前排煙罩為典型爐前排煙罩結構形式，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-抽風管）

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

（2）邊界條件及模型參數(shù)設置。本研究根據(jù)設計參數(shù)及現(xiàn)場實際情況，主要邊界條件設置如下：爐前排煙罩抽風量70萬m?/h（工況），轉爐爐口煙氣量為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。車間整體空氣流動為可以視為低速流動，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，計算區(qū)域為氣固兩相流。為有效計算煙塵的運動軌跡和煙塵捕集效率，采用拉格朗日粒子追蹤模型。

（3）計算結果。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，運輸通道環(huán)境側和廠房側的氣流均流入運輸通道然后進入防煙室，進入防煙室的氣流一部分進入爐前排煙罩，一部分進入廠房內。定義爐前排煙罩的抽風量為G，CFD計算結果見表1。

圖4 流場及煙塵軌跡圖

表1 典型爐前排煙罩CFD模擬結果

序號 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，嚴重污染了廠房環(huán)境?，F(xiàn)場實際情況見圖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，進入爐前排煙罩的氣流主要來自三個地方：運輸通道環(huán)境側、運輸通道廠房側以及爐前排煙罩所處的廠房內，而對爐前排煙罩起積極作用的為廠房內進入爐前排煙罩的氣流，因為它可以抑制煙塵朝廠房內擴散，進而提高了排煙罩的捕集效率。運輸通道環(huán)境側及廠房側的氣流是從防煙室的下部進入，并不能有效抑制煙塵朝廠房內擴散，相反由于其占據(jù)了爐前排煙罩抽風量的一部分，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。

圖6 進入爐前排煙罩的氣流組織

從表1及圖6可以進一步得出，由于 、 偏大，從廠房內進入爐前排煙罩的氣流很少，這是導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量G不變的情況下，減小 、 的值（降低 的比值），提高廠房內進入爐前排煙罩的風量，是爐前排煙罩設計的一個重要考慮因素。

3 新型爐前排煙罩設計

在保持爐前排煙罩的抽風量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，同時減小廠房內進入爐前排煙罩的氣流通道的阻力。為此我們設計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-轉動軸、6-活動翼板、7-風管、8-轉爐、9鐵水罐、10-吊車橫梁）

其工作過程為：當轉爐兌鐵水工作開始時，轉爐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爐8，此時吊車橫梁10接近除塵罩本體結構的前斜板1和前面板2，通過設置合理的前斜板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。當鐵水罐9傾斜開始往轉爐8倒鐵水時，將會產生大量的高溫煙氣，此時爐前排煙罩本體開始工作抽風。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，同時前斜板的設置減小了廠房內進入爐前排煙罩的氣流通道的阻力。后面板和可活動翼板類似于阻力元件，位于運輸通道氣流進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用

對圖7中新型爐前排煙罩進行CFD模擬，分別設置三種工況，爐前排煙罩本體、廠房結構尺寸及未列出的參數(shù)與ξ2.2節(jié)設置相同。計算結果見表2。

表2 新型爐前排煙罩CFD模擬工況

序號 新型爐前排煙罩結構形式 爐前排煙罩抽風量×104m（工況） 轉爐爐口煙氣量×104m（工況）

工況一 僅后面板設置活動翼板 70 35

工況二 僅前面板設置前斜板 70 35

工況三 同時設置活動翼板及前斜板 70 35

表3 新型爐前排煙罩CFD模擬結果

序號 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%，對于爐前排煙罩來說，增大了野風的流通阻力，對煙氣捕集產生了積極效果，相應的煙塵捕集率有了較大的提高，在理想情況下，可以實現(xiàn)爐口無明顯煙氣外逸。我們在某鋼廠新建300t轉爐上設計并應用了新型爐前排煙罩，現(xiàn)場運行情況見圖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到較高的捕集率，從而可以實現(xiàn)高效、低耗的二次煙氣捕集，進而可以取消三次煙氣捕集裝置，達到煙氣捕集高效、低耗的目標。

5 結語

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

參考文獻：

[1] 王福軍.計算流體力學[M].清華大學出版社，2004.

[2]陳俊，代洪浪，李治友.CFD在轉爐二次除塵系統(tǒng)設計中的應用，第5屆中國金屬學會青年學術年會論文集，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.

基金項目：本文受國家自然科學基金重點項目：工業(yè)建筑高效通風設計理論與研究方法（項目號：51238010）資助。