李永超

（1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029；2：中冶長材軋鋼工程技術(shù)中心 北京 100029）

1 前言

在軋鋼生產(chǎn)過程中，鋼坯在加熱爐內(nèi)產(chǎn)生的氧化鐵皮稱為初次氧化鐵皮，片狀而且較厚，在剝落時(shí)是成塊剝落的，不會(huì)造成粉塵污染。軋件受冷卻和變形熱作用生成的氧化鐵皮為粉末狀并附著在紅鋼表面，這些氧化鐵皮會(huì)隨著軋件的振動(dòng)和軋輥的擠壓而逸出并擴(kuò)散，成為軋鋼車間粉塵的主要來源。

當(dāng)前軋鋼車間主流除塵方式有濕法除塵和燒結(jié)板除塵，除塵工藝流程為吸塵罩－管道－除塵設(shè)備－風(fēng)機(jī)－煙囪。其中吸塵罩決定了吸塵率，除塵設(shè)備決定了除塵率，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然煙囪排放濃度達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，但車間內(nèi)崗位濃度依然較高，由于除塵設(shè)備大多是后期改造施工，車間環(huán)境復(fù)雜且管線及配套設(shè)備較多，吸塵罩距離鋼坯較遠(yuǎn)，導(dǎo)致部分粉塵不能被吸塵罩吸收以致擴(kuò)散到周邊空氣中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析，粉塵產(chǎn)生于軋輥之間，且大多數(shù)由前后導(dǎo)衛(wèi)口擴(kuò)散到車間中，現(xiàn)設(shè)計(jì)增加導(dǎo)衛(wèi)噴霧除塵設(shè)施，增加除塵效率并降低后方除塵壓力，該設(shè)計(jì)方式將濕式除塵技術(shù)和干式塑燒板技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合使用，致力于減少資源浪費(fèi)并提高除塵效率［1］。

2 現(xiàn)狀分析

通過對(duì)市場(chǎng)的充分調(diào)研總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，雖然霧化除塵技術(shù)較多，但適合軋鋼車間的主要包括超聲波霧化除塵、泡沫除塵、微細(xì)水霧除塵。

超聲波霧化除塵技術(shù)主要是在提高霧化程度方面解決問題，提高噴霧霧滴與粉塵的相互結(jié)合能力，來達(dá)到去除車間粉塵的目的。其原理是應(yīng)用壓縮空氣的影響產(chǎn)生超聲波，超聲波把水霧化成直徑很小的液滴，當(dāng)霧滴噴入灰塵空間時(shí)，因?yàn)橐旱瘟胶苄?，可以在很短的時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)并懸浮于該區(qū)域，此后就開始了凝聚合并的微物理過程。該技術(shù)重點(diǎn)是對(duì)聲波發(fā)生器的使用，不僅有常規(guī)噴霧除塵的優(yōu)點(diǎn)，而且還提高了噴霧效果，并同時(shí)降低了耗水量。此外，聲波發(fā)生器震動(dòng)產(chǎn)生的高頻高能聲波，將已經(jīng)破碎霧化的水滴進(jìn)行二次霧化，使霧化水滴的粒徑更加微細(xì)，并提高了霧化水滴與粉塵的聚集凝結(jié)效果。

泡沫除塵技術(shù)主要是在水中添加了發(fā)泡劑和表面活性劑，通過專用的發(fā)泡裝置，引入壓風(fēng)后，在霧化噴射作用下產(chǎn)生大量的泡沫群，增加了泡沫液滴與粉塵顆粒的接觸面積，提高了噴霧除塵的作用效果。

微細(xì)水霧除塵技術(shù)主要根據(jù)“云”物理學(xué)作用、斯蒂芬流運(yùn)輸機(jī)理和空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)粉塵顆粒粒徑與微細(xì)水霧相差不大時(shí)，微細(xì)水霧能更加有效地去除車間中的粉塵，而當(dāng)微細(xì)水霧蒸發(fā)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵鈺r(shí)，冷卻凝聚核化機(jī)理起主導(dǎo)作用，即微細(xì)水霧大量蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致周圍空氣濕度迅速飽和，達(dá)到飽和狀態(tài)后的水蒸氣會(huì)直接與粉塵顆粒發(fā)生凝聚作用，使聚集后的粉塵顆粒粒徑不斷變大，當(dāng)粒徑增大使顆粒重力大于浮力時(shí)就會(huì)自行降落，或因粒徑過大被一般的水霧吸附除去。

陳明紹在對(duì)水霧除塵的捕集分離原理進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉塵顆粒與水霧凝聚并隨噴射作用接近粉塵捕集裝置時(shí)，在慣性及相互碰撞等多種綜合作用下完成除塵，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了計(jì)算霧化除塵效率的一些方法和理論。

葉鐘元在研究噴霧除塵效率的問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，除塵效率與粉塵和水霧液滴之間的相對(duì)粒度相關(guān)，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得相對(duì)粒度在100～150之間時(shí)霧化除塵的效果最好。

王光旭建立了超聲波霧化除塵與旋風(fēng)除塵聯(lián)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在添加聲波霧化后，系統(tǒng)的除塵效率得到了明顯提高。

劉國對(duì)聲波霧化除塵的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究表明，聲波霧化霧滴分散更細(xì)，相較于普通壓力噴霧除塵效果更好且節(jié)能，但此技術(shù)存在噪音等問題。

從上述的噴霧除塵技術(shù)的各種研究中，國內(nèi)的學(xué)者分別從不同方向進(jìn)行研究，不論是從各種因素對(duì)于除塵效率影響的研究還是噴霧除塵方法的研究上，均對(duì)霧化除塵技術(shù)的快速發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。不僅豐富了噴霧除塵的技術(shù)理論，還為霧化除塵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

3 噴霧除塵理論

含塵氣體與液滴相遇，在液滴前yd處開始繞過液滴運(yùn)動(dòng)，慣性較大的粉塵顆粒繼續(xù)保持原來的直線運(yùn)動(dòng)。塵粒從脫離流線路徑到慣性運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)所移動(dòng)的直線距離為粒子的停止距離ys，若ys＞yd，塵粒和液滴就會(huì)發(fā)生碰撞。根據(jù)物理學(xué)知識(shí)，物理慣性只與物體的質(zhì)量有關(guān)，則塵粒的質(zhì)量越大，發(fā)生碰撞的概率越高，假定塵粒為密度均勻的球狀物，則直徑越大的粉塵，越容易發(fā)生碰撞并被液滴吸附。根據(jù)噴霧除塵理論的研究表明，當(dāng)水霧顆粒與粉塵顆粒發(fā)生彈性碰撞時(shí)，水霧顆粒不會(huì)與粉塵結(jié)合在一起，而只會(huì)改變粉塵的運(yùn)動(dòng)方向；當(dāng)水霧顆粒與粉塵顆粒直徑的一定倍數(shù)相近時(shí)，會(huì)發(fā)生非彈性碰撞，水霧顆粒與粉塵顆粒進(jìn)行有效的吸附而聚結(jié)成團(tuán)不斷長大，最后受重力作用而沉降，從而達(dá)到抑塵、除塵的作用。

定義慣性碰撞參數(shù)Mi：停止距離ys與液滴直徑dD的比值。對(duì)斯托克斯粒子：

式中：ρp—粒子密度，kg／m3；

up—粒子運(yùn)動(dòng)速度，m／s；

uD—液滴運(yùn)動(dòng)速度，m／s；

dD—液滴直徑，m／s；

dp—粉塵粒徑，m／s。

由上式可知：

在液滴直徑和粉塵粒徑相同的情況下，粒子運(yùn)動(dòng)速度和液滴運(yùn)動(dòng)速度差值越大，Mi值越大；

在粒子運(yùn)動(dòng)速度、液滴運(yùn)動(dòng)速度差值以及粉塵粒徑相同的情況下，液滴直徑越小，Mi值越大；

在粒子運(yùn)動(dòng)速度、液滴運(yùn)動(dòng)速度差值以及液滴粒徑相同的情況下，粉塵粒徑越大，Mi值越大。

一般情況下，根據(jù)John Stone等人的研究結(jié)果：

式中：K—關(guān)聯(lián)系數(shù)，該值取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)操作條件，一般取1～2；

L—液氣比，1L／m3。

由上式可知，Mi越大，η越大。此外由于蒸發(fā)作用，水滴的粒徑不能太小。在同樣情況下水滴的直徑越小，蒸發(fā)所花費(fèi)的時(shí)間也越短，所以即使小直徑的水滴捕捉到了粉塵，在它沉降的過程中也會(huì)因水滴的蒸發(fā)作用而降低降塵的效果。

4 噴管設(shè)計(jì)方式探究

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，大部分導(dǎo)衛(wèi)除塵均采用單流體噴嘴，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單但水壓大，所需壓力一般為10bar，所以在控制閥前通常需要安裝增壓閥。但實(shí)際生產(chǎn)中車間能提供的水壓一般為5bar左右，導(dǎo)致霧化效果差，起不到除塵作用。本文設(shè)計(jì)采用雙流體噴嘴，工作壓力為5bar，且噴霧經(jīng)過壓縮空氣噴吹后霧化顆粒更小、更均勻、且能保證大部分完全蒸發(fā)，增大了霧化水霧的覆蓋面積［2］。

本文設(shè)計(jì)在導(dǎo)衛(wèi)進(jìn)口和出口處分別安裝雙流體噴嘴，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)算，當(dāng)鉛垂線與噴嘴軸線為15°角時(shí)，噴霧覆蓋的面積最大，噴射的水流能將熱材表面的氧化鐵屑沖掉，從而不會(huì)有粉塵向空氣中擴(kuò)散，此角度需根據(jù)導(dǎo)衛(wèi)尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整［3］。

圖1 導(dǎo)衛(wèi)除塵設(shè)施示意圖

該設(shè)計(jì)將電動(dòng)排水閥集成進(jìn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以軋輥咬鋼為信號(hào)開啟噴霧，以軋輥拋鋼為信號(hào)關(guān)閥，不僅節(jié)約用水，還減少了噴霧對(duì)鋼材溫降的影響。

5 結(jié)語

在棒線材生產(chǎn)中，鋼材軋制時(shí)產(chǎn)生的粉塵對(duì)車間環(huán)境及生產(chǎn)健康安全造成了嚴(yán)重的影響，本文分析了導(dǎo)衛(wèi)除塵的相關(guān)理論及技術(shù)，另外對(duì)微細(xì)水霧除塵進(jìn)行了理論計(jì)算研究。在通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，軋鋼車間粉塵濃度大大減少、檢測(cè)元件故障率大幅降低，除塵設(shè)備風(fēng)壓穩(wěn)定并且內(nèi)部燒結(jié)板使用壽命得到明顯提升，該設(shè)計(jì)研發(fā)不僅是生產(chǎn)技改項(xiàng)目，更是一項(xiàng)適合車間環(huán)保減排的項(xiàng)目，符合當(dāng)下國家節(jié)能減排的發(fā)展規(guī)劃，是一項(xiàng)值得在軋鋼廠推廣的項(xiàng)目。