對(duì)開式電爐煙氣二次捕集罩的氣流組織優(yōu)化研究

宋高舉 徐宏錦 池佳春 耿昌涵

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450007；2.西安工程大學(xué)，西安 710600；3.中原工學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

鑄造工業(yè)在踐行綠色發(fā)展理念、推進(jìn)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(diǎn)問題之一。對(duì)于中小型感應(yīng)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(shí)，部分煙氣難以捕集而逃逸，對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(duì)電爐煙氣捕集罩的捕集效果進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱羽流的特性及捕集進(jìn)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(fēng)是捕集熱羽流的重要形式之一。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展，專家學(xué)者借助CFD軟件對(duì)吹吸式通風(fēng)進(jìn)行模擬分析，并利用先進(jìn)的測(cè)試儀器進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。CHERN M J等［5］利用CFD軟件模擬分析了吹吸式通風(fēng)系統(tǒng)的基本流動(dòng)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(duì)流場(chǎng)的影響。GONZALEZ E等［6］研究了吹吸式排風(fēng)罩的幾何特性對(duì)污染物捕集效率的影響。

針對(duì)現(xiàn)有中小型感應(yīng)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(fēng)量捕集感應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(diǎn)：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(qiáng)變化大，時(shí)間不固定?；谔右轃煔庠吹奶攸c(diǎn)，在實(shí)施逃逸煙氣二次捕集改造過程中，存在以下幾個(gè)問題：①二次捕集通風(fēng)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(yùn)行和管理費(fèi)用高。

2 數(shù)值模擬

1）物理模型。本文以某鑄造廠10 t感應(yīng)電爐為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了對(duì)開式煙氣二次捕集罩（如圖1所示）。對(duì)開式捕集罩在罩子頂端一側(cè)設(shè)置送風(fēng)口，在對(duì)側(cè)設(shè)置排風(fēng)口。通過送風(fēng)口和排風(fēng)口在對(duì)開式捕集罩開口部分形成空氣幕，當(dāng)逃逸煙氣在浮升力作用下上升至空氣幕時(shí)被空氣幕捕集并送至排風(fēng)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(fēng)口尺寸為5.2 m×0.16 m，排風(fēng)口尺寸為7 m×0.5 m，捕集罩中部和導(dǎo)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(dòng)必須遵循的基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律、湍流輸運(yùn)方程。

3）邊界條件。熱源，送風(fēng)口和排風(fēng)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(xué)模型及求解方法。計(jì)算采用RNG k-湍流模型，選取二階迎風(fēng)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(dǎo)熱系數(shù)在溫度變化的過程中會(huì)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(duì)密度等物性參數(shù)進(jìn)行線性差分處理。

5）網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。本文以相同的劃分方式對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)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(jìn)行了網(wǎng)格相關(guān)性驗(yàn)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(jì)算精確度和計(jì)算機(jī)的硬件條件，本研究選用81萬網(wǎng)格數(shù)進(jìn)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(duì)污染源的特點(diǎn)分析和對(duì)開式捕集罩的特點(diǎn)，影響捕集罩捕集效率的主要影響因素為送風(fēng)口向下傾斜角度、送風(fēng)溫度、送排風(fēng)風(fēng)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(dǎo)流板寬度的研究

適當(dāng)提高送風(fēng)口的風(fēng)速，可以提高空氣的捕集效果。在對(duì)開式捕集罩在加料工況時(shí)，空氣幕氣流在對(duì)側(cè)捕集罩內(nèi)形成兩部分氣流，一部分氣流被排風(fēng)口捕集，一部分氣流沿對(duì)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(dǎo)流板時(shí)y=2.2截面矢量

由圖3可知，無導(dǎo)流板時(shí)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(fēng)口的下側(cè)設(shè)置氣流導(dǎo)流板，引導(dǎo)氣流重新進(jìn)入罩內(nèi)。導(dǎo)流板的寬度是重要的影響因素。選擇不同寬度的導(dǎo)流板，通過分析排風(fēng)側(cè)罩體下側(cè)出口的風(fēng)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(dǎo)流板寬度的典型位置線2處的風(fēng)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(shì)。由圖4可知，在無導(dǎo)流板（0 mm）和導(dǎo)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(yán)重，當(dāng)導(dǎo)流板寬增至300 mm時(shí)，氣流逃逸明顯減少；導(dǎo)流板寬增至400 mm時(shí)，無氣流逃逸現(xiàn)象。隨著導(dǎo)流板寬度增加，效果越好。但實(shí)際工程中因工藝限制，導(dǎo)流板不宜設(shè)置過寬。因此本研究對(duì)象選用導(dǎo)流板寬度為600 mm。

圖4 不同導(dǎo)流板寬度情況典型位置線2速度分布

3.2 送風(fēng)口射流方向?qū)Σ都植都Ч挠绊懷芯?/h3>

送風(fēng)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(fēng)口適當(dāng)向下傾斜，使得空氣幕具有向下的動(dòng)量。在浮射流向上的動(dòng)量作用下，空氣幕氣流會(huì)出現(xiàn)向上彎曲并逃逸的現(xiàn)象。本文選取10°、20°和30°三個(gè)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(fēng)口向下傾斜不同角度下y=2.2截面速度矢量

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

3.3 送排風(fēng)風(fēng)速對(duì)捕集罩捕集效果的影響研究

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

圖7 不同送排風(fēng)風(fēng)速下y=2.2截面速度矢量

由圖7可知，在送排風(fēng)風(fēng)速為6.5 m/s和4.5 m/s時(shí)，空氣幕與浮射流混合后的含塵氣流被排風(fēng)口捕集效果較好。送排風(fēng)風(fēng)速為5.5 m/s和3.8 m/s，在上升氣流作用下，送風(fēng)氣流氣流會(huì)上升彎曲，部分煙氣從排風(fēng)罩逃逸，捕集效果不佳。當(dāng)送排風(fēng)風(fēng)速為4 m/s和2.7 m/s時(shí)，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(jì)時(shí)，在最佳流量比約束下，送、排風(fēng)速度是重要的影響因素。

3.4 污染源溫度對(duì)捕集罩捕集效果的影響研究

感應(yīng)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)吹吸氣流已破裂，熱源溫度升至1 000℃時(shí)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(yīng)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(dòng)量也增大。所以污染源溫度升高時(shí)，所需送排風(fēng)風(fēng)速也應(yīng)相應(yīng)增大或減小。由圖10可知，熱源溫度1 000℃時(shí)，加大風(fēng)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(fēng)量的研究

在感應(yīng)電爐不同的操作階段，對(duì)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(duì)開度為0、1、2、3 m情況的通風(fēng)量進(jìn)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(fēng)氣流是控制上升氣流的主要因素，必須克服上升氣流流動(dòng)速度。隨著捕集罩中間開口縮小，送、排風(fēng)口距離縮短，送風(fēng)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(fēng)氣流的卷吸作用下流向排風(fēng)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(dòng)量越少，風(fēng)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(fēng)風(fēng)量變化

3.6 送風(fēng)氣流溫度對(duì)捕集罩捕集效率的影響研究

當(dāng)送風(fēng)空氣采用罩內(nèi)的空氣時(shí)，可以適當(dāng)削弱源強(qiáng)，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(fēng)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(fēng)溫度下典型位置線3速度分布

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

送風(fēng)溫度升高到200℃時(shí)，原設(shè)定風(fēng)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(fēng)風(fēng)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(fēng)溫度200℃時(shí)，通過加大送排風(fēng)風(fēng)速可以保證煙氣的捕集效果。

圖14 送風(fēng)溫度200℃下y=2.2截面速度矢量

4 結(jié)論

1）通過在排風(fēng)側(cè)捕集罩的下部設(shè)置導(dǎo)流板，可以有效優(yōu)化捕集罩內(nèi)的氣流組織。針對(duì)研究對(duì)象研究了導(dǎo)流板的寬度大于300 mm時(shí)，導(dǎo)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(fēng)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(fēng)風(fēng)速對(duì)煙氣的捕集效果影響較大。本研究對(duì)象在送排風(fēng)風(fēng)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(shí)，將送排風(fēng)風(fēng)速調(diào)整為11 m/s、9.3 m/s時(shí)，可以獲得較好的捕集效果。

5）對(duì)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(fēng)溫度的提升，送、排風(fēng)口的風(fēng)速需要相應(yīng)提高。當(dāng)送風(fēng)溫度達(dá)到200℃時(shí)，送排風(fēng)風(fēng)速為15 m/s、9.8 m/s時(shí)，可以達(dá)到煙氣捕集的效果。