沖天爐除塵風量與“防塵規程”中的疏誤

張 明（威海科興鑄造機械有限公司，山東威海市 264205）

沖天爐除塵風量與“防塵規程”中的疏誤

張 明（威海科興鑄造機械有限公司，山東威海市 264205）

本文圍繞2007年版《鑄造防塵技術規程》中有關沖天爐的除塵風量，在說明沖天爐除塵風量計算方法的基礎上，分析了該規程產生疏誤的原因，指出了其中的疏誤，對沖天爐除塵系統的設計與施工有一定參考意義。

沖天爐；除塵技術；國家標準

沖天爐除塵系統風量與沖天爐的熔化率及除塵接口的結構形式有關，在保證工作環境符合衛生標準、粉塵濃度達標排放的基礎上，減少除塵風量有利于降低除塵設備投資及其運轉費用。由于工作原因，筆者反復研讀了2007年版《鑄造防塵技術規程》（GB8959—2007）文本，發現該標準在沖天爐除塵風量的計算原則與推薦數據兩方面均存在一些疏誤，因此寫成此文供討論研究。

沖天爐的除塵風量來源于焦炭燃燒產生的爐氣、通過除塵系統中的口洞進入的空氣兩大部分，分別說明如下。

1 焦炭燃燒產生的爐氣量估算

焦炭燃燒產生的爐氣量可根據焦炭成分及其消耗、熔劑及其消耗、空氣中的水分、爐氣成分等進行計算，但有關計算比較繁復，得到的結果也不一定有意義，因此一般用沖天爐的入爐風量估算焦炭燃燒所產生的爐氣量。沖天爐的入爐風量一般按其熔化率計算，如下式：

式中：Q風——沖天爐的入爐風量，Nm3/min；

β——單位熔化率的入爐風量，（Nm3/min）/（t/ h），一般取β=12.5（Nm3/min）/（t/h）[1]；

q——沖天爐的熔化率，t/h。

如果忽略空氣與焦炭中的水分、焦炭中的硫分、石灰石分解生成的CO2，不計爐氣中的水蒸氣、SO2、HF、NOX等其它氣體,僅計算其中的N2、CO2與CO三種氣體，則可以通過燃燒比得到（計算過程略）焦炭燃燒所產生的爐氣量與入爐風量之間的關系：

式中：Q0——焦炭燃燒所產生的爐氣量，Nm3/h；

ην——沖天爐的燃燒比。

焦炭燃燒產生的爐氣量與入爐風量之間的比值可稱之為爐氣量計算系數α，顯然：

按照上式得到表1，可以清楚看出燃燒比ην與計算系數α之間的數值關系。

表1 燃燒比ην與計算系數α之間的數值關系

在此應該特別指出，燃燒比按脫離焦炭層后的爐氣成分計算所得。而爐氣脫離焦炭層后，其中的CO可能在加料口、或者在爐氣燃燒器中與空氣燃燒生成CO2，使爐氣的量值發生變化，因此計入除塵系統的爐氣量并不一定等于焦炭燃燒產生的爐氣量。同時應該指出，用入爐風量估算焦炭燃燒產生的爐氣量，其中忽略了爐氣中的水蒸氣、SO2、HF、NOX等成分。

2 進入除塵系統的空氣量

沖天爐除塵系統內一般呈負壓狀態，空氣可能從沖天爐的加料口、煙囪、包括管道縫隙等處進入除塵系統，增加系統的爐氣處理量。進入除塵系統的空氣量與沖天爐與除塵系統的結構有關，圖1、圖2、圖3按照除塵接口與加料口的相對位置，分別歸納了除塵接口的類型。各種除塵接口所對應的空氣進入量分別說明如下：

2.1 除塵接口位于加料口上部

除塵接口位于加料口上部時（見圖1），進入除塵系統的空氣量取決于加料口的大小及其開口風速，如果空氣可以通過煙囪口進入除塵系統，煙囪的直徑及其開口風速也決定進入除塵系統的空氣量。

圖1 除塵接口位于加料口上部1.除塵接口 2.加料口 3.煙囪 4.煙囪頂蓋

圖1（a）中，空氣可以通過加料口進入除塵系統，還可以通過煙囪進入，空氣量按下式計算：

式中：Q空——進入除塵系統的空氣量，Nm3/h；

a，b——加料口的高度與寬度，mm；

ν加——加料口的開口風速，m/s；

d煙——煙囪內徑，mm；

ν煙——煙囪口的開口風速，m/s。

圖1（b）不存在空氣通過煙囪進入系統的可能性，通過加料口進入系統的空氣量按下式計算：

Q空=3.6abν加×10-3

圖1（c）中煙囪設有頂蓋，頂蓋開啟時空氣可以通過煙囪進入除塵系統，其空氣量計算方法同圖1（a）；煙囪頂蓋關閉時，空氣量計算方法同圖1（b）。

2.2 除塵接口位于加料口下部

當除塵接口位于加料口下部時（見圖2），空氣通過加料喉部進入除塵系統，進入除塵系統的空氣量不受加料口尺寸的影響，影響空氣量的因素包括加料喉部直徑、喉部斷面風速、爐料柱的阻力等。

圖2 除塵接口位于加料口下部1.除塵接口 2.加料口 3.爐料柱 4.冷卻水套

圖2（a）中的除塵接口在滿料時被爐料覆蓋，空料時暴露在大氣中。由于爐料的阻隔作用和料面波動的原因，進入除塵系統的空氣量有一定波動。料面最低（空料）時進入除塵系統的空氣量最大，其最大量為：

式中：Q空m——由加料喉部進入除塵系統空氣的最大量，Nm3/h；

d喉——加料喉部直徑，mm；

ν喉——加料喉部斷面風速，m/s。

圖2（b）中的除塵接口始終處于料面以下，由于爐料柱的阻隔作用，進入除塵系統的空氣量稍小于圖2（a），進入除塵系統的空氣量也有一定波動。

圖2（c）為熱風水冷長爐齡沖天爐常用的爐氣接口，空氣始終需要穿透一定高度的爐料柱才能到達除塵接口。由于爐料柱對空氣的阻隔作用，進入除塵系統的空氣量最小。進入系統的空氣量可用下式計算：

式中：Q空——由加料喉部進入除塵系統的空氣量，Nm3/h；

λ——空氣穿透爐料柱的斷面風速，m/s。

2.3 除塵接口位于加料口對面

除塵接口位于加料口對面時（見圖3），進入除塵系統的空氣量取決于抽取爐氣的罩面面積、罩面的空隙率與罩面風速等，不再取決于加料口及其開口風速、煙囪直徑及其開口風速，其具體計算方法需要參考通風除塵設計手冊的有關部分。

圖3 接口位于加料口對面

3 沖天爐除塵風量

計算沖天爐的除塵風量需首先考慮熔化率的波動范圍，按照最大熔化率確定焦炭燃燒所產生的爐氣量，同時要根據除塵接口的具體結構分析由有關孔洞進入除塵系統的空氣量。

3.1 加料口上部抽風且加料口與煙囪口敞開的除塵風量

在圖1（a）中,如果取單位熔化率的入爐風量β= 12.5（Nm3/min）/（t/h）、爐氣量計算系數α=1.05、加料口與煙囪口的開口風速ν加=ν煙=1.2m/s、沖天爐的最大熔化率為名義熔化率的1.25～1.35倍，可以計算出1～20t/h上部抽風且加料口與煙囪口敞開沖天爐的除塵風量（見表2），供參考。

3.2 沖天爐加料口下部抽風的除塵風量

在圖2（a）中,如果取單位熔化率的入爐風量β= 12.5（Nm3/min）/（t/h）、爐氣量計算系數α=1.05、加料喉部的斷面風速ν喉=1.2m/s、沖天爐最大熔化率為名義熔化率的1.25～1.35倍，可以計算出下部抽風1～20t/h沖天爐的除塵風量（見表3）。

應該說明，由于本文圍繞著《鑄造防塵技術規程》中的疏誤展開，計算盡量采用了該標準所推薦的有關數值，因此上述計算所得的除塵風量并非完全合理可靠。

3.3 除塵風量與入爐風量的關系

①加料口上部抽風。表4以表2數據為基礎，分析了上部抽風且加料口與煙囪敞開沖天爐的除塵風量與最大入爐風量（單位已換算成Nm3/h）、焦炭燃燒產生的爐氣量等之間的比值?？梢钥闯?，上部抽風且加料口與煙囪敞開的1～20t/h沖天爐，其除塵風量與最大入爐風量的比值在3.00～5.81之間，除塵風量與焦炭燃燒產生的爐氣量的比值在2.85～5.53之間。

②加料口下部抽風：表5以表3數據為基礎，分析了下部抽風沖天爐的除塵風量與最大入爐風量（單位已換算成Nm3/h）、焦炭燃燒產生的爐氣量等之間的比值。下部抽風時，控制爐氣不從加料口外溢的關鍵截面為加料喉部尺寸，而非加料口尺寸?？梢钥闯?，下部抽風的1～20t/h沖天爐，其除塵風量與最大入爐風量的比值在1.55～1.64之間，除塵風量與焦炭燃燒產生的爐氣量的比值在1.48～1.56之間。

表2 上部抽風且加料口與煙囪口敞開的除塵風量

表3 沖天爐下部抽風時的除塵風量

表4 加料口上部抽風沖天爐的除塵風量與最大入爐風量的比值

表5 沖天爐下部抽風時的除塵風量

3.4 沖天爐有關著述的疏誤

①《沖天爐手冊》：該手冊在國內影響很大，在其沖天爐煙氣除塵凈化部分曾論斷[2]：沖天爐的煙氣由燃燒產生的爐氣與加料口吸入的冷空氣兩部分組成，冷空氣的吸入量約為爐氣量的4倍左右，并給出了除塵風量的計算公式。由于在標準狀態下，焦炭燃燒產生的爐氣量近似等于入爐風量，因此按此論斷容易得出沖天爐的除塵風量約為其送風量5倍的結論。該手冊提出的有關論斷存在一定疏誤，通過送風量（或焦炭燃燒產生的爐氣量）計算沖天爐的除塵風量容易造成資源浪費，因此不能作為沖天爐除塵風量計算的依據。該手冊的有關論斷可能對《鑄造防塵技術規程》產生了一定的誤導作用。

②《沖天爐技術手冊》：新出版的《沖天爐技術手冊》[3]在沿用《沖天爐手冊》有關論斷的基礎上，提出了“沖天爐的排風量約為送風量的2.5～4倍”的論斷。但是該手冊給出的1～15t/h加料口敞開沖天爐的除塵風量（見表6）接近于本文表2數據，兩者的差別可能源于計算所用沖天爐的結構尺寸不同。該手冊給出的加料口封閉沖天爐的排風量與2007年版的《鑄造防塵技術規程》中的有關數據非常接近，10t/h與15t/h沖天爐的排風量同樣不可信地相差11m3/ min，因此有關數據很可能來源于《鑄造防塵技術規程》，見表6與表7。

4 《鑄造防塵技術規程》中的疏誤

《鑄造防塵技術規程》（GB8959—2007）[4]，在沖天爐除塵風量計算原則、除塵風量推薦值兩個方面存在著明顯的疏誤，分別說明如下。

表6 1～15t/h沖天爐的排風量

表7 沖天爐的排風量（該標準附錄A節錄）

4.1 規定的除塵風量計算原則存在疏誤

該標準第9條為“爐窯的除塵措施”，其中第9.2為沖天爐的除塵措施，包含5個條款。第9.2.4款規定：“沖天爐的設計排風量按爐子鼓風量乘以1.05～1.10系數與加料口進風量之和考慮。加料口的入口風速宜按1.0～1.2m/s計算?！痹摋l款存在下列問題：

①該標準的第9.2條款屬于沖天爐除塵的原則與方法，但其中未根據沖天爐除塵風量與爐氣溫度波動范圍大、粉塵濃度高等特殊技術問題作相關規定。該標準第9.1.3條款規定：煉鋼電爐“通風除塵系統的設計參數應按冶煉氧化期最大煙氣量考慮”，但對沖天爐未作相應規定。

②該條款僅僅考慮了空氣由加料口進入除塵系統，忽視了空氣通過煙囪、加料喉部進入系統的可能性，存在著明顯的疏漏。

③該條款中的“加料口的入口風速宜按1.0～1.2m/s計算”，有死板教條之嫌。規定開口風速的目的在于防止爐氣外逸，加料口較小的沖天爐，爐氣不易外逸，可取較小的開口風速，否則取較大開口風速。應該將開口風速的推薦范圍擴大至1.0～1.5m/s，由設計者根據項目的實際靈活選用。

4.2 附錄推薦的除塵風量存在明顯疏誤

該標準在資料性附錄A中給出了熔化率在1～20t/h沖天爐的排風量（即除塵風量），見表7。

該標準附錄A中關于沖天爐除塵風量的推薦數據所存在的問題，分別說明如下：

①附錄A中有關沖天爐排風量數據與該標準第9.2.4款的有關規定無任何聯系，兩者之間缺乏必要的邏輯性。

②在附錄A有關沖天爐排風量的數據中，加料口下部抽風且加料口敞開的排風量，可以通過加料口封閉的排風量、加料口尺寸、開口風速等計算得到（例如1t/h的沖天爐加料口敞開的風量：1760+0.9× 0.58×1.2×3600=4015≈4020，m3/h），除此之外的其它數據均無來由，缺乏可信性。

③如果加料口下部抽風，進入除塵系統的空氣量取決于加料喉部的直徑及其斷面風速，與加料口尺寸及其是否敞開沒有關系。該標準附錄A給出了加料口下部抽風、加料口啟閉兩種狀態的除塵風量，說明該標準疏忽了此狀態下的爐氣流動路徑，忽視了使爐氣不外逸的關鍵斷面所在。

④加料口上部抽風且加料口設有啟閉裝置時，為防止加料口敞開期間爐氣外逸,需要考慮通過加料口進入的空氣量。但不管加料口是否存在啟閉裝置,沖天爐的最大除塵風量均指加料口開啟時的風量。將加料口分為封閉與敞開兩種狀態，對確定除塵風量無任何實際意義,同時容易混淆除塵風量的概念。

⑤附錄A中僅僅給出了沖天爐加料口的尺寸，未給出其它有關的結構尺寸，例如煙囪直徑、加料喉部直徑等，也未涉及沖天爐熔化率的波動問題，未說明有關數據的應用條件，主要數據未經過嚴密的計算，可信度低，缺乏使用或參考價值。

⑥附錄A中推薦的下部抽風沖天爐的除塵風量明顯偏大，熔化率較大的上部抽風沖天爐的除塵風量接近于成倍偏大，極易對沖天爐除塵項目的設計與施工造成誤導，導致資源的極大浪費。

《鑄造防塵技術規程》作為鑄造行業防塵的基本技術標準，涉及多種門類鑄造設備的防塵問題，不可能對沖天爐的除塵問題作過于詳細的規定。但是，《鑄造防塵技術規程》畢竟屬于國家標準，應該具有一定的科學性、權威性和指導性，起碼應該做到正確無誤。建議及早修正2007年版《鑄造防塵技術規程》中存在的疏誤，使該標準在沖天爐除塵領域發揮應有作用。

[1]GB/T2234.1—2008 沖天爐形式和基本參數.北京：中國標準出版社.

[2]劉幼華，胡起萱.沖天爐手冊.北京：機械工業出版社，1996：444.

[3] 沖天爐技術手冊編寫組.沖天爐技術手冊.北京：機械工業出版社，2010:555,591.

[4]GB8959—2007 鑄造防塵技術規程.北京：中國標準出版社.

鳴謝：西安交通大學的陸文華先生，在百忙中審閱了該文，提出了重要的修改意見，特表示最衷心的感謝！

Error in Specifications of Dustproof and Wind for Dust Remove from Cupola

ZHANG Ming

（Weihai Kexing Foundry Machinery Co.Ltd.，Weihai 264205，Shandong China）

Aiming at error of wind for dust remove revolved in national standards，upon calculation method of wind for dust remove from cupola,the causes of error have been analysed hence certain reference for design and construction of cupola dust remove system.

Cupola；Dust remove technology；National standards

R136;

A；

1006－9658（2010）03－5

2010－01－07

2010－002

張明（1958-），男，工學學士。目前主要從事水冷長爐齡沖天爐、高溫熱風沖天爐的技術研究與工程項目的設計、規劃與施工