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，達到了節能減排的目的。

【關鍵詞】新型轉爐爐前排煙罩 數值模擬 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煉鋼車間環境質量和工人工作環境的主要問題。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化管路設計及增加抽塵點、增加系統風量上，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來彌補爐前排煙罩煙氣外的缺陷，但是三次除塵系統的風量一般較大，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，不符合國家節能減排的政策，同時也不適應鋼鐵工業現代化和大型化的需求。

隨著霧霾問題日益受到關注，國家法律法規也在強力推動環境治理，各鋼鐵企業均對廠區環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（運輸通道環境側進風）、G2（運輸通道廠房側進風）、G3（廠房內部進風）。傳統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 典型爐前排煙罩數值模擬

（1）CFD計算模型。根據某鋼廠轉爐車間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境相通（環境側），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設置。本研究根據設計參數及現場實際情況，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，嚴重污染了廠房環境?，F場實際情況見圖5：

圖5 現場爐前排煙罩工作狀態

根據圖1、圖5以及現場觀測，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，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與ξ2.2節設置相同。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，現場運行情況見圖8。

圖8 新型爐前排煙罩工作狀態

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高效、低耗的捕集，在設計條件下，可以實現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：工業建筑高效通風設計理論與研究方法（項目號：51238010）資助。