高爐出鐵場擺動流嘴排煙罩的改造措施及優(yōu)化設(shè)計

文 福 舒 剛 周紀(jì)帥 黃艷秋

（1、中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢430223 2、西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710055）

1 概述

擺動流嘴是鋼鐵企業(yè)高爐出鐵場的專用設(shè)備，其作用是把高爐冶煉產(chǎn)生的鐵水注入出鐵場平臺下的任意一個鐵水罐中。高爐出鐵過程產(chǎn)生的高溫鐵水首先從鐵水溝流進擺動流嘴，然后從擺動流嘴傾瀉至鐵水罐。其過程由于存在較大高差，鐵水速度快，流量大，高溫鐵水與周圍空氣短時間接觸形成強熱浮射流現(xiàn)象并裹挾大量煙塵[2-3]。

擺動流嘴排煙罩一般安裝在擺動流嘴上部，采用側(cè)部抽風(fēng)的形式，將罩內(nèi)煙塵抽至出鐵場除塵系統(tǒng)，通過除塵器凈化后排放[1]。為便于人員及車輛通行，排煙罩頂部與出鐵場平臺平齊，罩頂還設(shè)置了觀察孔，操作工通過觀察孔觀察鐵水從擺動流嘴流入鐵水罐的情況。若排煙效果不佳，會有大量的煙塵從觀察孔冒出，不僅影響出鐵場車間內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生，還會導(dǎo)致操作人員無法及時觀察到鐵水流動情況，造成生產(chǎn)事故。

隨著計算流體力學(xué)（CFD）和數(shù)值傳熱學(xué)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究室內(nèi)通風(fēng)氣流組織的重要手段。國內(nèi)學(xué)者對于鋼鐵企業(yè)煉鐵廠高溫?zé)煔饬鲌鰯?shù)值模擬計算方法及局部排風(fēng)罩捕集效率進行了詳細(xì)研究[5-6]，通過理論研究表明，煉鐵廠高溫?zé)煔馀艧熣謫慰吭龃蟪轱L(fēng)量提高捕集效率的效果并不明顯[9]，可通過優(yōu)化排煙罩幾何形式[7-8]，降低罩頂部相對壓力，改善排煙效果。

本文針對一種實際排煙效果不佳的擺動流嘴排煙罩，提出便于實施的改造措施，并進行數(shù)值模擬對比分析，為工程實際提供參考。

2 數(shù)值模擬分析

某鋼鐵企業(yè)煉鐵廠高爐出鐵場除塵系統(tǒng)擺動流嘴排煙罩采用三排風(fēng)口側(cè)抽的形式，布置如圖1 所示：擺動流嘴布置在出鐵場平臺下部，擺動流嘴上方設(shè)排煙罩，罩頂與出鐵場平臺平齊，擺動流嘴兩端的下方設(shè)置鐵水罐。排煙罩側(cè)部設(shè)有三個抽風(fēng)口分別于出鐵場除塵系統(tǒng)管道相連。投產(chǎn)后實際排煙效果不佳，部分煙氣從罩頂部觀察孔逃逸至出鐵場車間擺動流嘴操作區(qū)（如圖2 所示），嚴(yán)重影響操作工身體健康和現(xiàn)場觀察操作。由于出鐵場除塵系統(tǒng)已建設(shè)完畢，除塵風(fēng)機已滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，排煙罩各抽風(fēng)口的風(fēng)量不能再增大；排煙罩根據(jù)擺動溜嘴工藝已設(shè)置完畢，所接除塵管道敷設(shè)在出鐵場平臺下部，排煙罩幾何尺寸和抽風(fēng)口數(shù)量修改困難。本項目計劃對宜實施的抽風(fēng)口幾何尺寸和底部進風(fēng)區(qū)域進行優(yōu)化改造，并采用數(shù)值模擬技術(shù)對要采取的改造方案進行理論驗證分析。

圖2 擺動流嘴排煙罩（Case1）運行情況

2.1 物理模型及參數(shù)設(shè)置

原始物理模型（Case1）采用現(xiàn)場實際尺寸，排煙罩尺寸11550x4900x4050mm ( 長 x 寬 x 高)； 抽 風(fēng) 口 尺 寸 為1600x1600mm，共三個，位于排煙罩的三個側(cè)面頂部；罩子頂部開設(shè)直徑300mm 的觀察孔3 個；下部鐵水罐直徑1400mm，共兩個；擺動溜嘴形狀、位置按設(shè)計等比例建模放置。計算工況參數(shù)設(shè)定如下：煙塵粒子溫度1400K；鐵水溫度1732K；煙塵散發(fā)量20kg/s；煙塵最大粒徑0.3mm；煙塵最小粒徑1um；煙塵平均粒徑10 um；煙塵粒子密度1550 kg/m3；排煙罩壁面溫度設(shè)定為600K；抽風(fēng)口1 風(fēng)量110000 m3/h；抽風(fēng)口2 抽風(fēng)量80000 m3/h；抽風(fēng)口3 抽風(fēng)量110000 m3/h（布置位置如圖1 所示）。

2.2 對比工況模擬結(jié)果分析

本次模擬采用罩內(nèi)頂部相對壓力分布和煙塵捕集效率來評價排煙效果的優(yōu)劣。捕集效率計算公式[6]：η=捕集到的粒子數(shù)/示蹤粒子總數(shù)。原始工況(Case1)排煙罩頂部區(qū)域相對壓力分布如圖3 所示：觀察孔處均為正壓（觀察孔1 處相對壓力約2Pa、觀察孔2 處相對壓力約4Pa、觀察孔3 處相對壓力約1Pa），可以判斷觀察孔處罩內(nèi)煙氣會出現(xiàn)冒出現(xiàn)象。為降低罩頂部相對壓力，嘗試采取降低抽風(fēng)口標(biāo)高和減少底部進風(fēng)口面積的措施。三個抽風(fēng)口標(biāo)高降低400mm(工況Case2)的罩頂部區(qū)域相對壓力分布如圖4 所示：觀察孔區(qū)域相對壓力有所降低，觀察孔3 處相對壓力降為負(fù)值，煙塵捕集效率也較原始工況(Case1)有所提高（見表1）。說明適當(dāng)降低抽風(fēng)口高度可以改善排煙效果，減少觀察孔處煙塵逃逸。但Case2 工況觀察孔2 處區(qū)域相對壓力仍為正值，單靠降低抽風(fēng)口高度不能實現(xiàn)全部觀察孔處煙塵無逃逸。在工況Case2 的基礎(chǔ)上，減少底部進風(fēng)口面積（工況Case3，如圖6 所示），進風(fēng)區(qū)縮小為兩個方孔（2500x2500mm），頂部區(qū)域相對壓力分布如圖6 所示：排煙罩頂部區(qū)域相對壓力明顯降低，三個觀察孔相對壓力均為負(fù)值，可以判斷觀察孔呈現(xiàn)罩外空氣吸入狀態(tài)，煙塵捕集效率也提高至100%（見表1），實現(xiàn)了全部煙塵無逃逸。

圖3 Case1 排煙罩頂部相對壓力分布圖

圖4 Case2 排煙罩頂部相對壓力分布圖

圖5 Case3 排煙罩頂部相對壓力分布圖

圖6 Case3 工況模型示意圖

表1 各工況捕集效率的對比

3 改造措施

通過數(shù)值模擬理論分析可得，在三抽風(fēng)口風(fēng)量不變的條件下，減少底部進風(fēng)區(qū)域面積，適當(dāng)降低抽風(fēng)口標(biāo)高，可以有效改善排煙效果，實現(xiàn)觀察孔處煙塵無逃逸。本項目改造過程中，結(jié)合現(xiàn)場實際情況具體采取了以下改造措施：

3.1 對原有擺動流嘴下部進風(fēng)區(qū)域進行改造，增加底板，并根據(jù)擺動溜嘴傾倒鐵水進入下部鐵水罐的實際情況開設(shè)梯形孔（如圖7 所示）。底板上設(shè)置隔熱保溫層，并鋪設(shè)沙墊層，便于定期清掃。

3.2 修改擺動流嘴排煙罩抽風(fēng)口尺寸，兩個抽風(fēng)口修改為2000mm×1200mm (寬x 高)，一個抽風(fēng)口修改為1600mm×1200mm(寬x 高)，使三個抽風(fēng)口頂部標(biāo)高降低400mm。

圖7 擺動溜嘴下部底板開孔示意圖

采取上述措施改造完成后，出鐵場車間擺動流嘴操作區(qū)工作環(huán)境得到明顯改善，經(jīng)現(xiàn)場檢測工作區(qū)最大平均粉塵濃度由改造前的47mg/Nm3，降低至4mg/Nm3。觀察孔處全部呈現(xiàn)空氣吸入狀態(tài)，操作工可以清楚觀察鐵水傾倒過程和罐內(nèi)鐵水高度，為實現(xiàn)安全生產(chǎn)提供了保證。

4 擺動流嘴排煙罩優(yōu)化設(shè)計

擺動流嘴排煙罩采取底部增加擋板措施，雖然可以有效改善排煙效果，但底部擋板處易積灰，罩內(nèi)溫度高，工作環(huán)境惡劣，人工清理困難。通過改變抽風(fēng)口個數(shù)、布局等排煙罩構(gòu)造形式，進行多種工況的數(shù)值模擬結(jié)果對比分析研究，我方優(yōu)化設(shè)計出了一種新型的兩抽口楔形擺動流嘴排煙罩，其模型如圖8所示。其主要特征為：兩抽風(fēng)口采用排煙罩長邊對角布置的形式，抽風(fēng)口的中心距短邊為2000mm～3000mm，抽風(fēng)口頂標(biāo)高位于頂蓋下200～500mm 處；捕集罩底部采用楔形減少進風(fēng)面積，同時大顆粒灰塵可以滑落至罩外地面，罩內(nèi)不易積灰。在某鋼鐵企業(yè)新建高爐出鐵場采用了此新型擺動流嘴排煙罩，現(xiàn)場運行情況如圖9 所示，罩內(nèi)頂部始終控制在負(fù)壓狀態(tài)，觀察孔無煙氣外溢，現(xiàn)場檢測工人操作區(qū)平均粉塵濃度≤4mg/Nm3。

圖8 新型擺動流嘴排煙罩模型

圖9 新型擺動流嘴排煙罩現(xiàn)場使用效果

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析和工程實踐表明：減少底部進風(fēng)區(qū)域面積及適當(dāng)降低抽風(fēng)口標(biāo)高，可以作為改善擺動流嘴排煙罩排煙效果的有效措施。在工程實際允許的條件下，采用兩抽口楔形擺動流嘴排煙罩，可以實現(xiàn)良好的排煙效果，同時底部不易積灰，減少罩內(nèi)日常清灰維護工作。