某放射性廢金屬熔煉爐接受式排風罩優(yōu)化研究

吳慶東，張貽良，曾 灌，薛向明，古曉娜，段宇建，劉沛瑤，戰(zhàn)景明

(1.中國輻射防護研究院，太原 030006；2.湖南核工業(yè)宏華機械有限公司，湖南 衡陽 421002)

核設(shè)施退役中的一個重要內(nèi)容是對被污染的設(shè)備、管道、閥門等進行熔煉去污，以降低其放射性水平，便于處置或重復利用[1]，其工藝主要通過熔煉放射性廢金屬，同時加入助溶劑進行反應(yīng)、造渣，進而將廢金屬中的放射性核素融合在熔渣中去除[2]。熔煉去污技術(shù)有很可觀的減容系數(shù)(對金屬為2至10倍)[3]，通過熔煉去污技術(shù)可以回收很多寶貴金屬[4]。試驗表明，金屬廢物熔煉去污可達清潔解控水平[5]。但是，核設(shè)施廢金屬在回爐熔煉時會產(chǎn)生放射性氣溶膠，對勞動者健康及環(huán)境潛在危害嚴重。針對放射性廢金屬熔煉去污過程中熔煉爐口產(chǎn)生的放射性氣溶膠的無組織排放且危害較大的問題，亟待整治。

目前，針對流體研究主要有理論分析法、實驗研究法和數(shù)值模擬法。數(shù)值模擬法在三維建模和網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，運用計算流體力學(簡稱CFD)計算和模擬有害物質(zhì)的流動、擴散、沉積過程和影響因素。CFD數(shù)值模擬方法通過使用計算機軟件，模擬流體的運動、傳質(zhì)、傳熱及其化學反應(yīng)過程[6]，計算放射性氣溶膠粒子在擴散輸運時的運動軌跡，并計算相關(guān)流場分布、溫度場分布，形成可視化效果。1983年，Popiolec[7]通過對熱源產(chǎn)生的熱射流進行數(shù)值模擬，并通過實驗進行驗證，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。2013年，Butenko等[8]對熔煉車間電弧煉鋼爐(DSP-200)及其通風系統(tǒng)進行建模，并對五種主要類型的通風系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，解決了工作區(qū)域內(nèi)的通風優(yōu)化問題。2020年，Panjwanj等人[9]運用數(shù)值模擬方法模擬熔煉車間中顆粒的擴散和收集，得出罩口形狀、顆粒密度、顆粒大小、通風量和吸風率決定最終的收塵效率的結(jié)論，進而指導通風系統(tǒng)的設(shè)計。可以看出，關(guān)于熱射流的理論計算方面已經(jīng)成熟，近幾年國外學者主要通過數(shù)值模擬方法對熔煉廠房通風系統(tǒng)優(yōu)化進行了較為細致的研究。我國針對熔煉設(shè)施通風系統(tǒng)研究相對較少。2011年，唐煉[10]使用數(shù)值模擬方法對煉鋼電爐產(chǎn)生的煙塵擴散進行了模擬，分別模擬了風速1.2 m/s時設(shè)置一扇進風門(方案一)和風速1.2 m/s時設(shè)置一扇進風門和一扇出風門(方案二)情況，得出方案二排煙效果較好，并對方案二進行不同風速的模擬，進風口風速大于4 m/s時，即使關(guān)閉出風口處的大門，車間內(nèi)煙塵濃度可符合衛(wèi)生標準的結(jié)論，指導廠房排風設(shè)計。2016年，李福強[11]采用數(shù)值模擬方法對冶煉廠房污染物上方的局部排風罩的形狀、吸氣壓力、高度參數(shù)進行優(yōu)化，最終得到相對較好的局部排氣罩的方案。

綜上所述，國內(nèi)外對熔煉廠房通風已有一些研究，CFD數(shù)值模擬方法已成為目前流體研究的主流。核設(shè)施廢金屬熔煉時不僅會產(chǎn)生煙塵，同時也伴隨著放射性氣溶膠的擴散，在前人的研究基礎(chǔ)上，采用理論計算的經(jīng)驗公式設(shè)計熔煉爐接受式排風罩，用數(shù)值模擬技術(shù)對其進行優(yōu)化，以便在有效排除放射性氣溶膠的前提下節(jié)約能源，節(jié)省空間。

1 理論計算

熔煉廠房放射性氣溶膠的擴散是在熱源的作用下形成熱射流，攜帶放射性氣溶膠在廠房內(nèi)擴散。通過計算一定熱源高度上熱射流直徑和流量，進而確定其所需的局部排風罩尺寸。

1.1 對流散熱量的確定

熱源的對流散熱量可按以下公式進行計算[12]：

Q=αAΔT

(1)

(2)

式中，Q為對流散熱量，kJ/s；A為熱源的對流放熱面積，m2；ΔT為熱源表面與周圍空氣的溫度差，℃；α為對流放熱系數(shù)，J/(m2·s·℃)；a為系數(shù)，對于水平散熱面，a=1.7，垂直散熱面a=1.13。

本研究計算的對流散熱量見表1。

表1 散熱量計算

1.2 熱源上部熱射流計算

(1)流量的計算

不同高度上熱射流的流量按下式進行計算[12]：

LZ=0.04Q1/3Z3/2

(3)

Z=H+1.26B

(4)

式中,LZ為Z高度上熱射流的流量，m3/s；Q為熱源的對流散熱量，kJ/s；Z為假想點源至計算斷面的距離，m；H為熱源至計算斷面的距離，m；B為熱源水平投影的直徑或長邊尺寸，m。

H/B在0.9～7.4的范圍內(nèi)。

(2)熱射流直徑的計算

在某一高度上熱射流的斷面直徑DZ為：

DZ=0.36H+B

(5)

1.3 排風罩尺寸計算

高懸罩均采用圓形罩，罩口尺寸D按下式確定：

D=DZ+0.8H

(6)

1.4 排風量計算

高懸罩的排風量L：

L=LZ+v′A′

(7)

式中，LZ為罩口斷面上的熱射流流量，m3/s；A′為罩口的擴大面積，即罩口面積減去熱射流的斷面積，m2；v′為擴大面積上空氣的吸入速度，m/s，v′=0.5～0.75 m/s。

1.5 基于理論計算的排風罩設(shè)計方案

根據(jù)上述理論計算經(jīng)驗公式，某廢金屬熔煉去污廠房布置1臺中頻感應(yīng)爐進行黑色金屬熔煉，其排風罩在高度為1 m、1.5 m處的風量和直徑見表2。

表2 排風罩計算參數(shù)

2 放射性廢金屬熔煉爐接受式排風罩優(yōu)化研究

2.1 模型建立及邊界條件

2.1.1數(shù)學模型

計算流體力學的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[13]。

(1)質(zhì)量守恒方程(又稱連續(xù)性方程)

(8)

式中，μx、vy、wz為流體速度矢量在x、y、z方向上的分量，t為時間，ρ為密度。

(2)動量守恒方程(牛頓第二定律)

x方向上的動量方程：

(9)

y方向上的動量方程：

(10)

z方向上的動量方程：

(11)

(3)能量守恒方程

(12)

2.1.2幾何模型

設(shè)置局部排風系統(tǒng)，與真實廠房物理邊界及尺寸相關(guān)性較小，因此本研究建立以熔煉爐口為中心的方形虛擬尺寸的計算域模型，模型尺寸為8 m×8 m×6 m，爐口尺寸為d=0.5 m，熱煙氣從爐口表面逸出，爐口上方設(shè)置排風罩。如圖1所示。

圖1 計算域模型

模型網(wǎng)格采用四面體/混合網(wǎng)格劃分方法，連續(xù)和曲率函數(shù)自動劃分網(wǎng)格，并對熔煉爐入口處的網(wǎng)格進行加密，以避開有害物質(zhì)散發(fā)過程中濃度變化比較大而影響計算結(jié)果的情況，提高模擬的準確度。最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量為113 586，最大網(wǎng)格尺寸為0.562 m，最小網(wǎng)格尺寸為0.009 m。網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.1.3邊界條件

熔煉產(chǎn)生的放射性氣溶膠顆粒粒徑范圍主要為0～1 μm，且在該范圍內(nèi)分布較為均勻。研究使用 Rosin-Rammler分布來定義熔煉去污過程中產(chǎn)生放射性氣溶膠的粒徑。

假定廠房內(nèi)無風，即不考慮外界橫風對廠房內(nèi)煙氣擴散的影響。同時模擬的污染物僅考慮放射性氣溶膠的細顆粒物擴散，忽略少量污染氣體的影響。其他假設(shè)如下：

(1)低速、密度不變、不可壓流體流動；

(2)符合氣體狀態(tài)方程的等壓流動；

(3)符合Boussinesq假設(shè)；

(4)自然對流下的的湍流流動。

(5)顆粒運動過程中不考慮顆粒間的碰撞、凝并等作用。

設(shè)置計算域側(cè)面為速度入口邊界，值為0；上下面和排氣罩壁面為wall邊界；排氣罩口設(shè)置為速度出口邊界，根據(jù)排氣罩高度分別設(shè)置為-0.437 m/s、-0.451 m/s。污染面為高溫壁面，直徑D=0.5 m，溫度1 650 ℃，并設(shè)置為DPM模型的顆粒注射面，顆粒粒徑服從Rosin-Rammler分布，并在0～10 s內(nèi)進行注射，總質(zhì)量流量設(shè)置為2×10-3kg/s。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1罩口高度的影響

確定一個罩口尺寸，研究不同罩口高度對放射性氣溶膠的排除效果，選擇排風罩高度為1 m時的計算罩口尺寸1.66 m。使用Fluent軟件對排風罩高度為1 m、1.5 m時，罩口直徑為1.66 m進行數(shù)值模擬，圖3、圖4模擬結(jié)果表明排風罩高度為1 m和1.5 m時均能有效排出熔煉爐產(chǎn)生的放射性氣溶膠，并存在一定的冗余。但是，排風罩高度太低會影響熔煉去污廠房勞動者的正常操作，因此本研究方案取1.5 m高度較為適宜。

圖3 放射性氣溶膠分布，排風罩高度H=1 m，D=1.66 m

圖4 放射性氣溶膠分布，排風罩高度 H=1.5 m，D=1.66 m

2.2.2罩口尺寸的影響

使用Fluent軟件對排風罩高度為1.5 m時，罩口直徑分別為1.66 m、2.24 m進行數(shù)值模擬(見圖5)，結(jié)果表明罩口直徑為2.24 m時風量產(chǎn)生更大的冗余。

圖5 放射性氣溶膠分布圖，左圖D=1.66 m，右圖D=2.24 m

2.2.3干擾風的影響

根據(jù)實際運行條件，在考慮0.3 m/s橫風狀態(tài)(根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，廠房內(nèi)爐旁風速最大值為0.3 m/s)下對熔煉爐放射性氣溶膠分布進行模擬，取罩口高度為1.5 m，此時熱射流斷面直徑為1.04 m，因此所選罩口不應(yīng)小于熱射流斷面直徑，取罩口直徑分別為1.2 m、1.3 m、1.4 m。

模擬條件：X軸方向取速度入口，風速0.3 m/s，排風罩高度1.5 m，罩口直徑1.2 m、1.3 m、1.4 m，排風量分別為0.85 m3/s、1.00 m3/s、1.16 m3/s，進行數(shù)值模擬。

圖6為模擬結(jié)果。由圖6可見，排風罩直徑為1.2 m、1.3 m時，放射性氣溶膠會大量逃逸出排風罩控制范圍而擴散至廠房內(nèi)，當排風罩直徑為1.4 m時可有效捕捉產(chǎn)生的放射性氣溶膠顆粒。

圖6 放射性氣溶膠分布

表3 不同排風罩高度下放射性氣溶膠捕捉率

3 結(jié)果與討論

當污染物在廠房內(nèi)定點發(fā)生時，采用局部排風措施是最有效的治理措施。本文通過理論計算和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對某熔煉去污廠房的局部排風系統(tǒng)進行了設(shè)計。利用CFD技術(shù)優(yōu)化的最佳排氣罩設(shè)計為：排風罩的最佳距地高度為1.5 m，為了保證對煙塵顆粒的控制效果，當下部污染源面直徑為0.5 m時，存在0.3 m/s的橫風狀態(tài)下，排風罩為直徑D=1.4 m的圓形罩，與理論計算設(shè)計相比，直徑減少了0.84 m，風量減少了0.616 m3/s，這樣設(shè)計不僅可以有效去除熔煉爐產(chǎn)生的放射性氣溶膠，而且節(jié)省空間，節(jié)約能源。

CFD數(shù)值模擬的結(jié)果準確度非常依賴網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)置。簡單的CFD模擬可以較為準確的預(yù)測流體流動，這點毋庸置疑，但精確的模擬需要使用更高質(zhì)量的網(wǎng)格以及精確的邊界條件，并使用理論計算或?qū)嶒炑芯繉ζ溥M行驗證。因此，使用CFD數(shù)值模擬方法時應(yīng)盡量提高網(wǎng)格的質(zhì)量和準確設(shè)置邊界條件，這就需要對工作場所進行詳細的現(xiàn)場調(diào)查，掌握可能影響有害物質(zhì)擴散及風流的各項因素。本研究使用CFD數(shù)值模擬建模時對工作場所進行了必要的簡化，而且未考慮勞動者作業(yè)時所產(chǎn)生的風流阻擋等作用。且出于保守的考慮，將爐口溫度設(shè)置為1 650 ℃，但實際生產(chǎn)過程中，爐口溫度僅在準備出料時可以達到1 650 ℃，投料及扒渣及升溫過程中溫度均低于1 650 ℃。這些都是后期需要再詳細考慮加以補充的內(nèi)容。

4 結(jié)論

(1)使用CFD數(shù)值模擬方法對排風罩優(yōu)化后的結(jié)果為直徑D=1.4 m的圓形罩。

(2)與理論計算設(shè)計相比，排風罩直徑減少了0.84 m，風量減少了0.616 m3/s，節(jié)省空間，節(jié)約能源，但模擬時未考慮人員操作，可能對最終罩口尺寸產(chǎn)生少量影響。考慮可進行現(xiàn)場實驗，進一步驗證本研究得到的排風罩對放射性氣溶膠的去除效率，為工程防護改造提供依據(jù)。

(3)由于熔煉爐產(chǎn)生的煙塵擴散機理基本一致，因此本文也可供其他熔煉爐排風罩的設(shè)計參考借鑒。

本研究立足于放射性氣溶膠的通風防治技術(shù)，使用CFD數(shù)值模擬與理論計算相結(jié)合的方法對熔煉爐接受式排風罩進行優(yōu)化，可以為下一步進行熔煉爐放射性氣溶膠的工程防護提供指導。后期將進一步優(yōu)化網(wǎng)格，模擬人員生產(chǎn)操作狀態(tài)下的放射性氣溶膠的擴散，并開展相關(guān)實驗驗證，以設(shè)計完整的通風系統(tǒng)改造方案，全面改善放射性廢舊金屬熔煉廠房工作環(huán)境。