耿曉偉，閻晶雪

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(遼寧工程技術(shù)大學(xué))，遼寧 阜新 123000)

0 引言

我國(guó)作為鋼鐵大國(guó)，2019年，中國(guó)鋼鏈及其零部件出口量為1 424 018.8 t，同比增長(zhǎng)9.45%。2019年，鋼鐵鏈條及零部件出口達(dá)到779 261.5萬(wàn)美元，同比增長(zhǎng)9.72%。在鋼鐵的冶煉與生產(chǎn)中，在燒結(jié)配料、高爐出鐵、轉(zhuǎn)爐吹煉、轉(zhuǎn)爐加造渣材料和出鋼時(shí)都會(huì)有大量的粉塵排出，電爐車間在鋼鐵冶煉的過(guò)程中，會(huì)不斷有大量的電爐粉塵產(chǎn)生與排出，嚴(yán)重的甚至?xí)廴倦姞t周邊環(huán)境。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，電爐的工作區(qū)域空氣平均含塵濃度96.2～105 mg/m3，遠(yuǎn)超國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重磨損，安全性與使用性能下降，造成作業(yè)人員的身心健康及財(cái)產(chǎn)危害。因此，對(duì)鋼鐵企業(yè)的粉塵治理具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域粉塵的特性進(jìn)行研究，早于19世紀(jì)70年代末在對(duì)于顆粒接觸力有關(guān)的研究中，Cundall和Strack就對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，并提出采用離散模擬對(duì)這種顆粒物質(zhì)進(jìn)行分析的正確想法[4]；2000年,Tsuji在顆粒碰撞方面進(jìn)行性能計(jì)算時(shí)，采用1種修正函數(shù)算法對(duì)顆粒之間發(fā)生碰撞的具體狀態(tài)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正研究，但這種修正方法對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高[5]；張濤等[6]于2013年根據(jù)Fluent中氣固兩相流離散相模型仿真，提出離散相模擬仿真優(yōu)化的措施；同年，來(lái)璟濤[7]運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，通過(guò)對(duì)不同邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到工業(yè)生產(chǎn)中氣流特性及污染物逃逸的規(guī)律，并提出了有效的解決方案；2015年，王怡等[8]以大型冶金鋼鐵企業(yè)為例，結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量與捕集效率的非線性規(guī)律，最終闡述了高溫含塵氣流捕集效率的途徑。

本文通過(guò)對(duì)FLUENT粒子流場(chǎng)理論的研究，利用DPM顆粒運(yùn)動(dòng)軌道中的離散運(yùn)動(dòng)模型，計(jì)算粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)對(duì)逃逸擴(kuò)散粉塵的分析，來(lái)綜合總結(jié)對(duì)車間環(huán)境所造成的影響。最后針對(duì)分析出的結(jié)果，確定集氣罩的安裝位置與尺寸大小，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)改進(jìn)措施提供理論依據(jù)。

1 模擬參數(shù)設(shè)定

1.1 模型建立

以某鋼鐵廠電爐車間實(shí)際情況為背景，其廠房主要簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

1-窗戶；2-門(mén)；3-天窗；4-中頻電爐；5-水泥工作臺(tái)。圖1 某電爐車間設(shè)備布置Fig.1 Equipment layout drawing of an electric furnace workshop

車間長(zhǎng)35 m，寬15 m，高9 m。車間進(jìn)出大門(mén)寬4.5 m，高6 m；室內(nèi)玻璃窗戶寬2 m，高3 m，距離車間室內(nèi)的地面高2 m；車間頂部的天窗寬1.5 m，長(zhǎng)4.5 m；內(nèi)有1個(gè)水泥澆筑的大型煉鋼專用電爐工作臺(tái)，長(zhǎng)15 m，寬5 m，高1.5 m；有3臺(tái)煉鋼中頻電爐，高1.6 m，直徑1.0 m，位于爐頂?shù)臒焿m排放口，直徑為0.6 m。該廠電爐車間有3臺(tái)1 t的中頻電爐，這3臺(tái)電爐的無(wú)組織煙氣的排放濃度為55 mg/m3，根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定[9]，車間廠房?jī)?nèi)的電爐煙塵無(wú)組織煙氣的最高允許排放濃度為8 mg/m3，該車間排放量超出規(guī)定要求。

1.2 網(wǎng)格劃分

利用數(shù)值模擬軟件FLUENT對(duì)有熱源的生產(chǎn)車間粉塵擴(kuò)散的規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)對(duì)某鋼鐵廠電爐車間的實(shí)地測(cè)量，在ICEM軟件上建立1∶1的比例模型。數(shù)值模型采用的是Realizablek-ε湍流模型隱式迭代，運(yùn)用SIMPLE算法，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(圖2)，網(wǎng)格數(shù)為2 590 000個(gè)。

圖2 工廠幾何模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Factory geometric model mesh

1.3 污染物離散相設(shè)置

在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，加載DPM離散相顆粒，進(jìn)行兩相流設(shè)置。主要研究伴隨熱射流中粉塵污染物逃逸現(xiàn)象影響因素以及逃逸粉塵的分布特性[10]。在模擬軟件中，對(duì)于離散相的設(shè)置有2種形式：即離散相粒徑服從均勻分布uniform和Rosin-Rammler分布。前者是認(rèn)為顆粒粒徑是單一的，整個(gè)粒子群以1個(gè)確定粒子直徑進(jìn)行運(yùn)算；而后者則是認(rèn)為粒子群中粒徑大小不一，存在一定分布規(guī)律，并按照這種粒徑分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算[11]。本文對(duì)粉塵分布規(guī)律的研究中，上述2種分布方式都會(huì)用到。

本文中，采集的粉塵污染物來(lái)源于某煉鋼廠電爐車間，使用粉塵粒徑測(cè)量?jī)x器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，得到顆粒粒徑分布情況見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試的粒徑分布 Table 1 Tested particle size distribution

Rosin-Rammler分布假定顆粒直徑d與大于d的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yd存在指數(shù)關(guān)系，如式(1)所示：

(1)

圖3 顆粒質(zhì)量累計(jì)率分布Fig.3 Distribution graph of particle mass cumulative rate

(2)

1.4 逃逸率的定義

把熱源面作為污染源散發(fā)面，在散發(fā)面處釋放粒子，將排風(fēng)口作為捕集面，運(yùn)動(dòng)到排風(fēng)口的粒子認(rèn)為是捕集到的粒子，不能運(yùn)動(dòng)到排風(fēng)口的粒子認(rèn)為是逃逸的粒子，污染源散發(fā)的粒子的逃逸定義為式(3)：

(3)

式中：N1為釋放的總粒子數(shù)；N2為捕集到的粒子數(shù)；η為逃逸率。

2 粉塵粒徑對(duì)粉塵逃逸的影響

前面對(duì)于粒徑分布下的粉塵粒子的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。當(dāng)粉塵粒子粒徑不同時(shí)，其自身性質(zhì)(如質(zhì)量、黏性)等會(huì)發(fā)生變化，這種變化必然會(huì)造成其受力情況變化，從而使得其運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生改變。本文研究粉塵顆粒粒徑不同時(shí)，其逃逸性及分布特性的變化規(guī)律。

2.1 對(duì)粉塵逃逸率的影響

研究粉塵顆粒粒徑對(duì)逃逸率的影響，其他參數(shù)選擇最靠近電爐車間實(shí)際情況的邊界條件，即溫度為1 272 K，熱射流速度為1.25 m/s，橫向氣流速度為1 m/s。設(shè)置粒徑分布服從單一分布(uniform)，分別設(shè)置粒徑為10，20，30，40 μm共4種工況進(jìn)行模擬。散發(fā)粒子總數(shù)設(shè)定為1 368，將模擬結(jié)果繪制出不同粉塵粒徑下的粒子數(shù)量與逃逸率如圖4所示。

圖4 不同粉塵粒徑下的粒子數(shù)量與逃逸率Fig.4 The number of particles and the escape rate under different dust particle sizes

利用圖4中的數(shù)據(jù)計(jì)算得知粉塵粒徑從10～40 μm這4種工況，粉塵逃逸率分別為93%，65%，54%，42%。說(shuō)明當(dāng)粉塵顆粒粒徑增大時(shí)，粉塵的逃逸率在不斷減小。粒徑為40 μm時(shí)，逃逸率最小。這是由于粉塵顆粒，熱射流和橫向氣流的作用下，粒徑較小的粉塵顆粒會(huì)比粒徑較大顆粒更容易被2種氣流改變運(yùn)動(dòng)方向；并且由于粉塵粒徑較小，重力對(duì)粉塵的影響較小，重力的沉降作用遠(yuǎn)小于高溫引起的上升浮力作用，因此，小粒徑的逃逸率比大粒徑的高。

2.2 對(duì)粉塵空間分布的影響

不同粒徑的粉塵顆粒，在車間中呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，不同粉塵粒徑運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 不同粉塵粒徑的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Trajectory of different dust particle size

小粒徑粉塵與熱射流的跟隨性較好，粉塵粒徑在30 μm以下的粉塵顆粒，隨著熱射流運(yùn)動(dòng)到排風(fēng)口，在房間頂部聚集形成污染層，其中只有小部分與工廠頂部發(fā)生碰撞而反射回污染層下部。而當(dāng)粉塵顆粒大于30 μm時(shí)，粉塵顆粒與熱射流的跟隨性較差，保持原有的上升運(yùn)動(dòng)，直至被排風(fēng)口捕集。

3 逃逸粉塵控制策略研究

上面分析了造成粉塵逃逸的一些影響因素，以及粉塵分布情況，接下來(lái)主要研究對(duì)逃逸粉塵的控制，提出集氣罩最合理擺放位置、尺寸的大小。

3.1 集氣罩的高度對(duì)流場(chǎng)特性的影響

根據(jù)上文粉塵的分布情況，在工廠內(nèi)加裝集氣罩，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，與沒(méi)有加集氣罩時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)值模擬采取的基礎(chǔ)工況為熱射流初速度1.25 m/s，溫度1 272 K，橫向氣流初速度為1 m/s。排風(fēng)罩的最佳設(shè)置位置應(yīng)該在電爐的正上方，因此，將車間上方的排風(fēng)口全部去除，設(shè)置成集氣罩，對(duì)集氣罩不同設(shè)置位置對(duì)流場(chǎng)特性的影響進(jìn)行分析。

由于車間生產(chǎn)工藝的限制，不能在電爐附近設(shè)置密閉罩，因此，采取沿電爐正上方軸線方向設(shè)置集氣罩，即在電爐正上方垂直提升集氣罩的安放位置，以保證集氣罩在電爐排出的熱射流以及伴生污染物在集氣罩的正上方，分別取距地面高度 4，5，6 m，3種工況的數(shù)值模擬粉塵分布結(jié)果，如圖6所示。

圖6 不同集氣罩高度的粉塵分布Fig.6 Dust distribution maps with different hood heights

由圖6可以看出集氣罩升高，粉塵的逃逸性較強(qiáng)，脫離集氣罩的控制越明顯；當(dāng)集氣罩升高時(shí)，由于橫向氣流和室內(nèi)外壓強(qiáng)的共同作用下，逃逸出的粉塵顆粒有向周圍窗口移動(dòng)的趨勢(shì)，集氣罩高度越高，這種趨勢(shì)越明顯；集氣罩的高度在6 m處時(shí)，橫向氣流對(duì)2股熱射流產(chǎn)生了較大的影響，集氣罩不能有效地對(duì)粉塵進(jìn)行捕集，但橫向氣流對(duì)距離門(mén)最遠(yuǎn)的排風(fēng)罩的粉塵捕集效率影響不大。

圖7可以看出當(dāng)集氣罩高度較低時(shí)，對(duì)粉塵的捕集效果較好，當(dāng)高度為4 m時(shí)，熱射流中全部的粉塵顆粒被集氣罩捕集到；而當(dāng)高度為6 m時(shí)，粉塵的逃逸率為93%，可認(rèn)為集氣罩已經(jīng)失去對(duì)粉塵的捕集作用，在此高度設(shè)置集氣罩視為無(wú)效。

圖7 不同集氣罩高度下的粒子數(shù)量與逃逸率Fig.7 The number of particles and the escape rate under different heights of the gas hood

3.2 集氣罩的尺寸對(duì)流場(chǎng)特性的影響

由上文可得到當(dāng)集氣罩在4 m的高度時(shí)，對(duì)熱射流及其伴隨污染的控制相對(duì)最為理想，因此,在集氣罩高度為4 m時(shí)，對(duì)集氣罩不同尺寸對(duì)熱射流及其污染物的空間分布規(guī)律進(jìn)行研究。

根據(jù)電爐車間的具體設(shè)備的布置情況，相鄰集氣罩的寬度不能超過(guò)3 m[13]，且由于煉鋼過(guò)程中需要將鐵水傾倒出，因此，電爐周圍需要布置行車，在工藝條件允許的情況下，選擇集氣罩的尺寸分別為1.5，2，3 m的正方形罩口的集氣罩作為研究對(duì)象。由于本文將模型簡(jiǎn)化，集氣罩面積增大時(shí)，模型會(huì)占有部分空間，會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生誤差，但是這種誤差是在模擬結(jié)果的誤差允許范圍內(nèi)的，具體布置形式如圖8所示(a=2 m的模擬與圖6中h=4 m是相同工況，因此不再列出)。不同集氣罩尺寸下的粒子數(shù)量與逃逸率如圖9所示。

圖8 集氣罩不同尺寸時(shí)粉塵分布Fig.8 Dust collection map for different sizes of the hood

圖9 不同集氣罩尺寸下的粒子數(shù)量與逃逸率Fig.9 The number of particles and the escape rate under different gas hood sizes

從圖9中可以看出當(dāng)集氣罩的尺寸增加時(shí)，對(duì)較少粉塵的逃逸率影響不大，雖然在尺寸為1.5 m時(shí)，有少量粉塵逃逸出來(lái)，但還在相關(guān)規(guī)定允許范圍內(nèi)，因此，結(jié)合集氣罩的捕集能力和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，當(dāng)集氣罩尺寸為1.5 m時(shí)，最為合適。

3.3 模擬結(jié)果對(duì)比

根據(jù)上述模擬結(jié)果，與蔡樹(shù)中的機(jī)械排風(fēng)作用下熱射流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比[14]。由上述實(shí)驗(yàn)所得熱射流在機(jī)械排風(fēng)時(shí)，考慮氣體浮力和集氣罩抽力的總和作用，熱射流的軸心速度如式(4)所示：

(4)

式中：vm為熱射流軸心速度，m/s；h為距熱源頂面距離，m；Z為熱源頂面到罩的距離，m；vA為罩口中心速度，m/s；b為罩高度，m；y為距罩口中心距離，m。

根據(jù)式(4)，選擇該車間最佳集氣罩的設(shè)置高度及尺寸，即集氣罩高度為4 m，集氣罩邊長(zhǎng)為1.5 m，將理論值與模擬結(jié)果列出，如圖10所示。

圖10 理論值與模擬值對(duì)比Fig.10 Comparison chart of theoretical value and simulated value

從圖10中可以看出，模擬結(jié)果與理論值的趨勢(shì)基本相同，但是數(shù)值相差較大，出現(xiàn)這種情況是因?yàn)椋o公式是在熱射流自由散發(fā)的情況下進(jìn)行的，熱射流自身沒(méi)有一個(gè)固定的初始速度，而本文研究的是熱射流有初速度的機(jī)械排風(fēng)情況下熱射流的速度分布情況，但整體符合熱射流的相關(guān)規(guī)律。

4 結(jié)論

1)粉塵粒徑越小，對(duì)氣流的跟隨性越好，排風(fēng)口對(duì)粉塵的捕集效果越差，當(dāng)粒子粒徑為10 μm時(shí)，逃逸率為93%，排風(fēng)口失去了對(duì)粉塵的捕集作用。

2)集氣罩距污染源越近捕集效果越好，當(dāng)集氣罩距塵源面6 m左右時(shí)，粉塵的逃逸率為93%，由熱射流攜帶的大部分粉塵脫離集氣罩的控制擴(kuò)散到車間的工作面上，影響工作人員的正常工作。

3)集氣罩尺寸越大對(duì)粉塵的捕集效果越好，但是由于工藝條件限制以及降低安裝成本，在國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)允許的情況下，選擇尺寸最小的集氣罩，當(dāng)集氣罩的尺寸為1.5 m時(shí)雖然有少量粉塵逃逸出來(lái)，但是已經(jīng)控制在國(guó)家允許的排放標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。