鉛電解陽極熔鉛鍋吸塵罩的設計與應用

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團有限公司， 湖南 衡陽 421513)

鉛電解陽極熔鉛鍋吸塵罩的設計與應用

袁培新

(湖南水口山有色金屬集團有限公司， 湖南 衡陽 421513)

水口山三廠擬對鉛電解陽極熔鍋鉛煙塵進行治理，采用計算及fluent軟件模擬流場相結合的方法，對吸塵罩進行設計，最終確定出吹吸式吸塵罩的主要尺寸與合理的吸風口風量、吸風口角度、送風風量和送風角度等工藝參數。

熔鉛鍋；鉛煙塵；吸塵罩；數值模擬

湖南水口山有色金屬有限責任公司第三冶煉廠(簡稱水口山三廠)鉛電解陽極生產車間現有四口熔鉛鍋，日均生產鉛陽極板約400 t，粗鉛在熔鉛鍋中熔化、壓渣、撈渣、加殘極續鍋、降溫熔析、加煤粉除銅等過程中產生大量的含鉛蒸汽。原熔鉛鍋的排煙氣系統配套建設了一套側吸罩+反吹風布袋除塵系統，由于煙氣中含有大量的霧沫，該套設施的布袋表面經常粘附煙塵引起布袋板結，布袋除塵器無法正常工作，車間低空污染嚴重。

為了有效治理鉛煙塵，水口山三廠聯合五礦環保公司擬開發一種多級噴霧塔裝置來高效處理水口山三廠鉛電解陽極熔鉛鍋鉛煙塵的濕法除塵工藝，但由于吸塵罩受車間場地、生產操作及加殘極時產生的爆發性煙氣難以收集等的約束，設計工作較為困難，通過充分考慮車間場地和生產操作的因素，選取最合適的吸塵罩結構，并借助于fluent軟件模擬，以確定最佳尺寸和參數。

1 吸塵罩的選擇

吸塵罩是系統中捕集發塵源所產生的煙塵的設備。本系統生產工藝為采用熔鉛鍋將粗鉛及電解后的殘極片進行熔化，供電解工藝陽極板鑄型用，熔鉛鍋的直徑為3 m左右，鉛液溫度大概為550 ℃，生產過程中，液面會產生浮渣，需要經常進行攪拌、撈渣，上述操作一般均由行車配合攪拌機或撈渣裝置在熔鉛鍋上部進行，所以吸塵罩的選用與設計必須考慮熔鉛鍋的操作特點。

現吸塵罩的形式主要有密閉式吸塵罩及敞開式吸塵罩兩大類，密閉式吸塵罩是利用吸塵罩將塵源籠罩起來，隔斷了塵源與外界氣流，借助引風機在罩內形成負壓，煙塵通過吸塵罩進入除塵器，過程無逃逸，吸入的外界氣流少，總煙氣量少，缺點是收塵過程中不能進行敞開操作。

敞口吸塵罩主要有單吸氣式、吹吸式吸塵罩等。單吸氣式吸塵罩只有一個敞開的罩子，當吸氣口吸氣時，在吸氣口附近形成負壓，周轉空氣從四面八方流向吸氣口，形成吸入氣流，根據流體力學，位于自由空間的“點匯”吸氣口吸氣量為[1]：

(1)

式中Q—氣體流量，m3/s；v1、v2—球面1和球面2上的氣流速度，m/s；

r1、r2—球面1和球面2上的半徑，m。

v1/v2=(r2/r1)2

(2)

由公式(2)可見，“點匯”外某一點的流速與該點至吸氣口距離的平方成反比。由此可見吸塵罩口速度衰減很快，所以設計吸塵罩時，從提高捕集效率考慮，罩口應盡量靠近污染源。

吹吸式吸塵罩是在塵源的正對兩側分別設吹氣口和吸氣口，吹氣流與吸氣流產生的聯合氣幕包裹塵源氣流，全部的塵源氣流、大部分的吹氣流和少量的周圍空氣被吸氣口吸入形成吸氣氣流，以煙氣的形式通過煙道進入除塵器。吹氣氣流形成的氣幕作用距離較長，而吸氣氣流速度衰減很快，所以與單吸式吸塵罩相比，達到同樣的捕集效果，吹吸式吸塵罩需要的風量小，因而除塵器處理的煙氣量少，除塵效率高。因此在環境工程中得以廣泛應用[1]。

當污染氣體量為確定值時，隨著吹吸式吸塵罩的吹風量的增加，吸風量會相應減少，但當吹風量超過一定值后，隨著吹風量的增加，吸風量反而增加，這是因為吹風量過大會吹散塵源氣流，為了能收集塵源氣流就必須加大吸氣氣流，可見吹氣流存在一個臨界值。所以在吹吸式吸塵罩的設計過程中，尋找合適的吹風角度和臨界送風量，可有效降低成本。

綜上所述，密閉式吸塵罩對塵源的工藝操作有要求，單吸式吸塵罩吸風量太大，不適合捕集爆發性煙氣，所以都不適用于本系統，而吹吸式吸塵罩不受工藝操作影響并且所需吸氣量及吹氣量均較小，故本系統選用吹吸式吸塵罩。

2 吸塵罩的設計

由于吹吸氣流的運動情況較為復雜，現還缺乏統一的計算方法，所以采用計算及fluent軟件模擬吹吸式吸塵罩氣流流場相結合的方法，對該吸塵罩進行設計，從而最終確定出吹吸式吸塵罩的主要尺寸與合理的吸風口風量、吸風口角度、送風風量和送風角度等工藝參數。

2.1 模型的建立

2.2.1物理模型

由于生產過程中的加粗鉛、加殘極、攪拌、撈渣和舀鉛水等都需要行車吊裝并進行垂直操作，同時，攪拌和撈渣操作需要熔鉛鍋口有足夠的空間，所以吹風口要與熔鉛鍋有一定的距離和高度，吸塵罩口距熔鉛鍋要有一定的距離，并有足夠的高度。

根據車間場地和操作要求設計的主要物理尺寸有，熔鉛鍋直徑3000 mm，吹風口3320 mm×150 mm，吹風口距離熔鉛鍋邊線600 mm，吹風口高度為587 mm，吸塵罩口為3300 mm×1445 mm和3300 mm×800 mm矩形拼接，排風罩與排風管道銜接口為1900 mm×700 mm，吸塵罩口底邊距離熔鉛鍋邊線95 mm，送風與水平方向的夾角為α，吸塵罩的水平傾斜角β取向下傾斜15°，具體如圖1所示。

圖1 吸塵罩模型

2.2.2邊界條件

(1)排風罩與排風管道接口設為速度出口；

(2)熔鉛鍋液面內圈(熔鉛鍋液面中心Φ2000 mm圓區域)、熔鉛鍋液面外圈(外圓環區域)和吹風口設為速度入口；

(3)操作臺面設為無滑移壁面邊界；

u=v=w=0

(3)

(4)

(4)其余面由于該界面上壓力為近大氣壓而速度未知，故選壓力出口。

2.2.3初始條件

由于生產過程各工況中，加殘極續鍋產生爆發性煙氣，所以產生的煙氣量最大，煙氣流速最快，收集難度最大，所以初始條件取加殘極工況，具體數據如下：

(1)入口

熔鉛鍋液面內圈處(熔鉛鍋液面中心Φ2000 mm圓區域)，為加殘極時的爆發性煙氣，根據現場所測速度為3～5 m/s，本文取5 m/s；熔鉛鍋口外圓環區域為熔鉛蒸氣，根據現場所測速度為0.2～0.4 m/s最高可達0.7 m/s，本文取0.7 m/s；送風口風速設為v1。

(2)出口

排風口速度為15 m/s。(由于加殘極時熔鉛鍋液面中心Φ2000 mm圓區域產生爆發性煙氣，煙氣流速為3～5 m/s，周邊圓環區域產生熔鉛煙氣，煙氣流速為0.2～0.4 m/s，所以加殘極時產生的鉛煙氣約50000 m3/h，考慮到排放口所吸煙氣由全部的熔鉛鍋鉛煙塵、大部分的送風和少量的周邊空氣組成，故設計取排風量70000 m3/h進行估算，可確定排風口速度為15 m/s。)

2.2 數值計算

2.2.1基本假設

(1)通風氣流及鉛煙視為不可壓縮理想空氣處理，忽略溫度變化對煙氣密度以及速度的影響；

(2)鉛煙運動方式不考慮熱泳力的影響。

2.2.2計算方法

借助于Fluent軟件模擬，采用連續性方程、N-S方程和標準K-E湍流模型來描述，用非耦合隱式求解器進行求解。

取排風風速為15 m/s不變，吹風角度α取0°的前提下，分別對送風速度v1為10 m/s、13 m/s、15 m/s、17 m/s和19 m/s進行模擬，得出該條件下的合理送風風速。

取排風風速為15 m/s，送風角度α分別為向下傾斜10°、向下傾斜5°、0°、向上5°和向上10°進行模擬，比較臨界送風風速，得出最佳送風角度α值。

2.3 模擬結果與討論

(1)送風風速v1的確定

取排風風速為15 m/s不變，吹風角度α取0°的前提下，分別對送風速度v1為10 m/s、13 m/s、15 m/s、17 m/s和19 m/s進行模擬，發現當送風風速從高到低，所形成的射流氣幕風速也在減少，當降到15 m/s時，射流軌跡開始出現彎曲傾向如圖2所示，當送風風速降至13 m/s時，已基本不能形成完整的射流氣幕，鉛煙氣出現逃逸，可見該條件下送風風速v1為15 m/s時，接近臨界送風風速。

圖2 送風風速為15 m/s時流場速度矢量分布圖

(2)送風角度的確定

圖3 塵源煙塵流線速度場分布圖

取排風風速為15 m/s，送風角度α分別為向下傾斜10°、向下傾斜5°、0°、向上5°和向上10°進行模擬。當α為向下傾斜10°時，排風口的吸風氣流和送風口的吹風氣流無法形成完整的氣幕包裹鉛煙氣，鉛煙氣有逃逸；當α為向下傾斜5°時，此時送風口的臨界送風風速為14.45 m/s，鉛煙塵流線軌跡如圖3，鉛煙氣不但完全被捕集，且流線軌跡彎曲明顯；當α為0°時，此時送風口的臨界送風風速為14.83 m/s；當α為向上傾斜5°時，此時送風口的臨界送風風速為16.15 m/s；當α為向上傾斜10°時，此時送風口的臨界送風風速為18.20 m/s。可見，當α為向下傾斜5°到向上傾斜5°較為合適，由于α為向下傾斜5°時，送風風量最小，本設計將α定為向下傾斜5°。

(3)主要工藝參數

通過Fluent軟件對吹吸式吸塵罩氣流流場的模擬結果，得出既能很好避免生產過程中鉛煙塵的逃逸，又能不影響生產操作的最優吹吸式吸塵罩的主要工藝參數見表1。

實際生產過程中由于系統要對四口熔鉛鍋做功，所以系統設計了兩臺風機，1#風機100000 m3/h風量，2#風機50000 m3/h風量，可以分別對四口熔鉛鍋切換使用。當生產處于低煙氣量的熔鉛階段時，只開啟2#小風機做功，當向某口熔鉛鍋加殘極續鍋時，可開啟1#風機單獨對該熔鉛鍋做功，此時若有其他熔鉛鍋存在攪拌或撈渣等其他操作時，可同時切換到1#風機，此時1#風機同時對兩口熔鉛鍋做功，過程中確保加殘極熔鉛鍋抽風風量大于71640 m3/h。實踐證明，該靈活多變的切換使用方式，不但可以有效地收集鉛煙氣，同時可以減少用電量，降低生產成本。

表1 吸塵罩主要參數

3 結論

(1)陽極熔鉛鍋加殘極時產生的爆發性煙氣，不但煙氣量大，而且煙氣流速快，收集難度大，吹吸式吸塵罩不但不受工藝操作影響并且所需吸氣量及吹氣量均較小，故本系統選用吹吸式吸塵罩。

(2)根據車間生產場地和生產操作要求，設計出吸塵罩基本尺寸，并取吸塵罩排氣口與水平方向的夾角β為向下傾斜15°；根據加殘極時煙氣量的計算值最大約50000 m3/h，模擬取排風口風速為15 m/s；借助Fluent軟件模擬得出送風角α為向下傾斜5°時臨界送風速最小，且臨界送風風速在15 m/s左右，所以吸塵罩設計取送風角α為向下傾斜5°，送風風速為15 m/s。

(3)生產過程中，由于系統要同時對四口熔鉛鍋做功，系統的兩臺引風機，1#風機100000 m3/h風量，2#風機50000 m3/h風量，根據生產需要進行切換，過程中確保加殘極的熔鉛鍋送風量在27000 m3/h，排風量大于71640 m3/h，即可滿足生產要求。

[1] 張殿印，王純.除塵工程設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2003.

DesignandApplicationofDustHoodinLeadElectrolyticAnodeMeltingPot

YUAN Pei-xin
(Hunan Shuikoushan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. Hengyang 421513, China)

The 3rd factory of Shuikoushan Nonferrous Metals Group Co., Ltd. plans to control the lead dust from lead electrolytic anode melting pot. The paper designs the dust hood, uses methods of calculation and fluent software in flow field simulation, and determines the main dimensions and reasonable air flow and angle of suction mouth, air flow and angle of air outlet of blowing and absorbing dust hood in the end.

lead anode pot； lead dust； dust hood； numerical simulation

2014-08-16

袁培新(1973-)，男，湖南婁底人，高級工程師，碩士研究生，主要從事有色金屬冶煉生產工藝和設備管理。

TU834

B

1003-8884(2014)06-0033-04