运输通道进风阻力对转炉炉前排烟罩捕集效率的影响

文_刘昌健 黄艳秋 肖萍 易勇兵

1.中冶南方工程技术有限公司 2.西安建筑科技大学

炼钢车间烟气治理目前的焦点集中在转炉本体的烟气治理中，包括转炉本体煤气净化与回收、转炉二次及三次烟气除尘。转炉煤气净化与回收通常采用湿式和干式工艺，在系统设计选型正确及运行稳定的前提下，对厂房内几乎不会造成烟尘污染，所以炼钢车间烟气治理的关键在于转炉二次及三次除尘。

转炉三次除尘系统可以有效防止烟尘从厂房顶外逸，由于炼钢厂房比较高大，三次除尘捕集罩与污染源距离远，且受到厂房内横向风等因素的影响，三次除尘的捕集效率较低，同时三次除尘风量比较大，初投资也很高，所以在解决烟尘不外逸的情况下，如何降低三次除尘系统风量也是急需解决的问题之一。

经过多年的研究应用，通过提高二次烟气除尘系统效率来降低三次除尘的初投资和运行成本是比较合理的手段，而提高二次烟气除尘系统效率的关键在于如何提高炉前排烟罩的捕集效率。本文采用CFD 计算技术对二次烟气的气流组织进行计算，分析运输通道阻力与炉前排烟罩捕集效率的关系，提出了通过在运输通道两侧设置阻力可调节的进风装置，提高炉前排烟罩捕集效率的改进措施。

1 运输通道进风阻力的数值分析

1.1 转炉二次烟气捕集装置

炼钢车间典型的转炉二次烟气捕集装置如图1 所示，炉前排烟罩悬挂于转炉正上方，其吸风口正对于转炉炉口，进入炉前排烟罩的风量主要由三部分组成：G1（运输通道环境侧进风）、G2（运输通道厂房侧进风）、G3（厂房内部进风）。为了分析运输通道阻力与炉前排烟罩捕集效率的关系，我们对运输通道环境侧进风、运输通道厂房侧进风、厂房内部进风所构成的混合流场进行数值模拟，并定义炉前排烟罩的抽风量为G。

图1 典型转炉二次烟气捕集装置 （a）三维示意图 （b）侧视图

1.2 边界条件及模型参数设置

本研究根据设计参数及现场实际情况，主要边界条件设置：炉前排烟罩抽风量70 万m3/h(工况)，转炉炉口烟气量为35 万m3/h(工况)，室外环境温度为32℃，厂房内温度为38℃，含尘烟气主要成分为石墨和三氧化二铁。

车间整体空气流动可以视为低速流动，将空气近似为不可压缩流体考虑，模拟过程中考虑基于密度变化的热压作用，计算区域为气固两相流。为有效计算烟尘的运动轨迹和烟尘捕集效率，采用拉格朗日粒子追踪模型。

1.3 计算模型

根据某钢厂转炉车间300t 转炉实际情况建立了CFD 计算模型如图2 所示，炉前排烟罩悬挂于转炉炉口正上方，转炉周围设置防烟室，转炉下方为运输通道，运输通道一侧与厂方内部相通（厂房侧），另一侧与厂房外部环境相通（环境侧），铁水罐依靠吊车来进行吊运。为了更加接近实际情况，运输通道进风阻力通过进风口有效面积系数（进风口有效进风面积与进风口总面积的比值）来定性分析，同时运输通道两侧的进风口有效面积系数通过几何结构来实现详情见图3。图3 中的（a）、（b）分别对应于工况二、工况三，工况一为两侧进风口完全封闭，工况四为两侧进风口均无遮挡。

图2 CFD 计算的物理模型

图3 进风口有效面积系数的设置

1.4 计算工况（见表1）

表1 计算工况

1.5 计算结果

从图4 中，可以看出从运输通道两侧有大量的进风，在保持炉前排烟罩的抽风量G 不变的情况下，降低的比值可以提高炉前排烟罩的捕集效率。

图4 气流组织图（运动轨迹）

对比表1、表2 中的工况一和工况二，减小进风口有效面积系数，增加运输通道两侧的进风阻力可以有效地减少运输通道总进风量，从而提高烟气的捕集效率。但是当运输通道两侧的进风口有效面积系数一致时，捕集效率提升幅度并不明显。当环境侧进风口有效面积系数明显高于厂房侧进风口有效面积系数时，捕集效率有较大幅度的提升，见工况三。工况四也进一步说明了，运输通道两侧需将进风阻力比例调节至一定的值，否则即使关闭运输通道两侧，捕集效率的提升幅度也不明显，同时工况四也说明，通过封闭运输通道两侧的进风口来降低（G1+G2）/G的比值，对提高炉前排烟罩的效率是十分有限的，说明既要合理地控制从运输通道的总进风量，同时要调节运输通道的两侧的进风比例，才能有效地提高炉前排烟罩的捕集效率。

表2 计算结果

2 运输通道防尘门的设计

在钢、渣运输通道两侧分别设置了一个进风阻力可调式防尘电动门，它能够有效地调节、减少从钢、渣运输通道进入防烟室的风量，并与放烟室形成一个相对密闭的空间，从而减少进入设置在转炉上方的捕集罩的野风量，这有利于捕集罩在转炉二次烟气没有大量扩散前将之高效、低耗的捕获。运输通道防尘门位置见图5 所示。

图5 防尘门安装位置示意图

防尘门与冶炼工艺进行连锁，当钢水罐车开进、开出运输通道时，防尘门处于打开状态，当铁水罐车处于预定的接收钢水或者钢渣位置时，防尘门处于关闭状态。

由于数值模拟考虑的边界条件与实际有一定差异，其计算结果有偏差，如果防尘门的进风阻力系数是定值，使用过程中的误差无法及时修正，所以防尘门设置成双层百叶式结构如图6 所示。通过电动执行机构，调节百叶的开启角度，从而达到调节进风阻力的效果，运输通道两侧的百叶开启角度不一样，环境侧防尘门百叶的开启角度要大。

3 运输通道阻力调节措施的改进

根据对现场防尘门使用的反馈，防尘门存在弊端：①使用一段时间后，容易变形，导致开启和关闭不灵活，容易影响生产。②钢渣运输通道下方容易堆积钢渣，影响防尘门正常使用。所以对运输通道阻力调节装置进行改进。

改进措施为在钢、渣运输通道两侧分别设置一套吹吸装置见图7 所示。吹吸装置由风机、电机、风管、喷嘴、条缝型回风口、固定装置、吊架组成，它能够形成两道气幕，有效的调节、减小从钢、渣运输通道进入防烟室的风量，并与钢、渣运输通道、防烟室形成一个相对密闭的空间，从而减小进入设置在转炉上方的捕集罩的野风量，以提高炉前排烟罩的捕集效率。

风机的风量可以通过变频电机的转速来调节，形成一个合理的进风气流组织及可变的局部阻力。

4 结语

本文在转炉炉前排烟罩抽风量一定时，通过改变运输通道两侧进风口有效面积系数，采用CFD 数值模拟的方法，计算了不同进风阻力下炉前排烟罩的捕集效率，分析可得运输通道进风阻力对炉前排烟罩的捕集效率存在显著影响：①增加运输通道两侧进风阻力可以提高炉前排烟罩的捕集效率。②封闭运输通道两侧的进风口对提升炉前排烟罩的捕集效率有限。③当运输通道环境侧进风阻力明显小于厂房侧进风阻力时，炉前排烟罩可以获得更高的捕集效率。

通过生产实践，设计中采用阻力可调节的防尘门可以提高炉前排烟罩的捕集效率，而吹吸式阻力调节装置更加适应转炉生产环境。