羅 鵬，雷澤勇，鐘 林

(南華大學(xué) 機械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

國內(nèi)外核設(shè)施每年會產(chǎn)生大量的退役金屬，其中鋼和不銹鋼每年可達幾十萬噸，這些廢金屬通過熔煉去污可直接返回核工業(yè)使用[1]。廢金屬在熔煉去污過程中會不斷產(chǎn)生高溫氣體與顆粒，并且向四周散發(fā)大量熱量和有害粉塵，粉塵排放檢測濃度為86.2～95 mg/m3，遠超國家規(guī)定標準[2-3]，導(dǎo)致設(shè)備安全性與使用性能下降，造成作業(yè)人員的身心健康及財產(chǎn)危害[4]。因此，如何有效控制放射性氣溶膠排放對鋼鐵企業(yè)的粉塵治理具有十分重要的意義。由于工藝條件的限制，無法直接采用爐口密封吸塵，而且單純的增大吸塵口徑與增大吸風(fēng)量是不現(xiàn)實的。因此，在諸多限制條件下研究對粉塵的有效控制十分必要。有學(xué)者采用離散渦方法進行試驗，證明了吸塵罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)、法蘭長度與傾斜角度會對吸塵效率產(chǎn)生影響[5]。來璟濤[6]運用合理的湍流模型分析了造成逃逸現(xiàn)象的因秦，得出了工業(yè)生產(chǎn)中粒子的運動軌跡，并提出了增大原排風(fēng)量、為原吸塵罩增設(shè)擋板以及增設(shè)二次吸塵罩的有效解決方案。黃艷秋等[2]也采用了數(shù)值模擬的方法研究高溫條件下氣固兩相流的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了吸塵罩距熱源的高度、通風(fēng)量、吸塵罩與熱源軸線偏移量是影響高溫粉塵逃逸的關(guān)鍵因素，并且提出了通過改變吸塵罩距熱源高度、偏移量和吸塵罩的通風(fēng)量可有效地控制高溫粉塵逃逸。郗 元 、成凱等[7]利用Fluent對吸塵口內(nèi)的氣固兩相流特性進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，吸塵口前擋板傾角和吸塵口壓降的增加能提高吸塵效率；而為了控制能源消耗，可以通過優(yōu)化參數(shù)，得到最佳前傾角和壓降。王國志、譚元文[8]運用Fluent對吸塵罩工作過程進行分析，得出吸塵口徑、離地高度、吸塵口肩部高度對吸塵效率有影響。這些研究對吸塵罩的設(shè)計優(yōu)化起到了一定的指導(dǎo)意義，但是這些只是對粉塵的運移規(guī)律和吸塵罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究，并沒有考慮到各個參數(shù)對除塵效果影響的交互作用，單一地研究某一因素已經(jīng)不能滿足設(shè)計需求。因此，筆者基于原有的通風(fēng)系統(tǒng)，采用Fluent分析粉塵的運移規(guī)律與吸塵罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵效果的影響，通過高溫粉塵控制的關(guān)鍵因素得出最優(yōu)參數(shù)，進一步優(yōu)化吸塵罩結(jié)構(gòu)并進行工程驗證。

1 熔煉車間通風(fēng)系統(tǒng)形式及粉塵特性

1.1 熔煉車間通風(fēng)系統(tǒng)形式

按照熔煉工藝需要對吸塵罩位置進行布置，熔煉車間內(nèi)有兩個熔煉爐，其中一個為備用爐。在熔煉過程中高溫?zé)嵩磿l(fā)大量粉塵，含塵氣體的溫度極高，熱壓作用強烈。因此熔煉爐上方的吸塵罩就顯得極為重要，它能夠?qū)Ψ蹓m和熱浪起到一定的控制效果。但是由于通風(fēng)系統(tǒng)的布置和工藝條件的限制，吸塵罩的位置離爐口較遠。由于熔煉爐需要翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)平臺與二樓平臺不可避免地存在間隙，這些都是粉塵逃逸的主要通道。另外，在熔煉爐側(cè)方墻壁上設(shè)置有耐高溫攝像頭，能保證在熔煉過程中通過此攝像頭觀察爐內(nèi)情況。同時頂部設(shè)置有吸風(fēng)口，側(cè)面設(shè)置一個送風(fēng)風(fēng)道，方便空氣循環(huán)。圖1為爐口及其翻轉(zhuǎn)平臺與排風(fēng)口示意圖。

圖1 熔煉車間結(jié)構(gòu)1.送風(fēng)口 2.頂部吸塵口 3.吸塵罩 4.爐口

1.2 顆粒粒徑分布

采集熔煉車間的粉塵，使用粉塵粒徑測量儀對樣本進行測試分析，得到顆粒粒徑分布結(jié)果，如表1所列。

表1 測試的顆粒粒徑分布

對采集的粉塵顆粒進行粒徑分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，確定粒徑范圍及質(zhì)量分數(shù)所占比例，如圖2所示。

離散相中對粒徑的設(shè)置有兩種形式，對于粒子群以單一粒徑分布的適合采用Uniform進行運算，對于粒子群粒徑分布不一且有一定規(guī)律的適合采用Rosin-Rammler進行運算[8]。根據(jù)熔煉車間內(nèi)的實際情況，文中對粉塵分布規(guī)律的研究采用Rosin-Rammler進行運算。

采用Rosin-Rammler分布對粉塵粒徑進行擬合，依據(jù)分析結(jié)果與擬合計算結(jié)果對Fluent中Discrete Phase Model (離散相模型)的粒徑分布進行設(shè)置[9]。熔煉車間內(nèi)的流動屬于湍流流動，實測熔煉口下附近粉塵濃度值86.2～95 mg/m3，堆積密度為1 700 kg/m，屬于稀疏氣固兩相流動。顆粒粒徑分布符合 Rosin-Rammler，計算公式為：

(1)

把測試數(shù)據(jù)擬合成Rosin-Rammler指數(shù)方程的形式，以此來確定相關(guān)參數(shù)，再進行數(shù)據(jù)整合[10]。

2 數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)定

2.1 物理模型

測試可知粉塵在空氣中的體積分數(shù)遠小于10%，為使模擬結(jié)果與真實結(jié)果更為接近，文中采用離散相模型DPM (Discrete Phase Model) 模型，根據(jù)實際情況模擬計算不同粒徑大小的粉塵顆粒在熔煉車間的跡線與流線，分析流場中粒子的運動規(guī)律，為優(yōu)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

采用SolidWorks構(gòu)建熔煉車間模型[11]。對模型適當簡化，模擬對象為某熔煉車間高大廠房局部平臺下部放置的圓柱形高溫?zé)嵩?，簡化模型如圖3所示。簡化模型參數(shù)為7.7 m×5.8 m×6 m(長×寬×高)，熱源尺寸為0.2 m ×1.4 m(高×直徑)，熱源溫度設(shè)定為1 300 K。爐口中心位置如圖3所示，爐口的側(cè)面看做絕熱，只有吸塵罩散熱，即將其看作距離地面0.2 m的熱源。

圖3 熔煉車間簡化模型 圖4 熔煉車間幾何模型網(wǎng)格劃分

2.2 網(wǎng)格劃分

將熔煉車間模型導(dǎo)入Meshing進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)熔煉車間空間布局特點，采用六面體網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm。為保證計算精度，進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，檢驗發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm，網(wǎng)格數(shù)為2 621 567個時能保證計算精度。為保證后續(xù)處理正常進行，在完成幾何造型和網(wǎng)格劃分后，要進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，以防止在某些區(qū)域出現(xiàn)畸變過大的情況，并對噴射源表面，吸塵罩與排風(fēng)口等關(guān)鍵部位進行網(wǎng)格加密，以提高計算精度。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)為2 621 567個。

數(shù)值模型采用的是Realizablek-ε湍流模型隱式迭代，運用 SIMPLE與二階迎風(fēng)進行算法求解。

2.3 邊界條件設(shè)置

在流場計算的基礎(chǔ)上，加載DPM離散相顆粒，進行氣固兩相流參數(shù)設(shè)置。對流場的仿真模擬采用速度進口inlet、壓力出口outlet的邊界條件。其中兩個送風(fēng)口與一個熱源邊界條件設(shè)置為速度入口，吸塵罩與兩個通風(fēng)口的邊界條件設(shè)置為壓力出口。近熱源口壁面邊界條件設(shè)置為逃逸，遠熱源壁面與墻面邊界條件設(shè)置為反射，出口邊界條件設(shè)置為陷入。根據(jù)現(xiàn)場測量與計算模擬，采取的基礎(chǔ)工況為熱射流初速度1.32 m/s，熱源溫度設(shè)置為1 300 K，吸塵罩位置在爐口上方。

2.4 粉塵捕捉率的定義

把熱源面作為粉塵噴發(fā)面，在噴發(fā)面釋放粒子，將排風(fēng)口與吸塵罩口作為捕捉面，在流場中將運動到排風(fēng)口與吸塵罩口的粒子定義為被捕捉粒子，未能運動到排風(fēng)口與吸塵罩口的粒子定義為逃逸粒子，污染源散發(fā)的粒子的逃逸定義為式(2)：

(2)

式中:N1為釋放的總粒子數(shù);N2為逃逸的粒子數(shù);η為捕捉率。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 通風(fēng)量對粉塵捕捉率的影響

吸塵罩的捕捉效率會隨著通風(fēng)量的增大而提升，在保證排除余熱的前提下，通過研究不同的通風(fēng)量對粉塵的控制效果來確定最佳通風(fēng)量。如圖5所示為爐口位置關(guān)系剖視圖，吸塵罩距離爐口2 600 mm，吸塵罩軸線與爐口軸線距離為1 830 mm。只改變通風(fēng)量，來確定通風(fēng)量對粉塵捕捉的效果。

圖5 爐口位置關(guān)系剖視圖

圖6給出了以爐口位置為剖面的不同通風(fēng)量下的熱浪流場圖，從云圖中發(fā)現(xiàn)熱浪的熱量大部分通過吸塵罩排出，也有少部分熱量向周圍散發(fā)，隨著通風(fēng)量的增加，吸塵罩帶走的熱量增多。圖7給出了不同通風(fēng)量下爐口余熱的控制和對粉塵的捕捉效率，從圖中看出通風(fēng)量從1 728 m3/h增大到4 302 m3/h時，吸塵罩口處的余熱值迅速下降到合理范圍，同時吸塵罩對顆粒的捕捉效率也迅速提高；隨著通風(fēng)量繼續(xù)增大，余熱值和顆粒捕捉效率增大的幅度變得很小。為了將余熱值控制在合理范圍內(nèi)，同時盡可能達到較好的顆粒捕捉效率，綜合考慮選取的通風(fēng)量為4 302 m3/h。

圖6 不同通風(fēng)量的爐口溫度場

圖7 不同通風(fēng)量下的吸塵口處溫度和顆粒捕捉率

3.2 吸塵口高度對粉塵捕捉率的影響

根據(jù)上文通風(fēng)量與粉塵分布情況，對吸塵罩與爐口垂直距離設(shè)置不同高度，進行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬采用的基礎(chǔ)工況為：熱流噴射速度為1.32 m/s，溫度1 300 K，通風(fēng)量為4 302 m3/h。根據(jù)原有工藝和現(xiàn)場條件，吸塵罩位置只能在爐口側(cè)上方2.6～3.4 m范圍內(nèi)調(diào)動，并且在軸線距離1 830 mm的位置，分別取距離地面2.6、2.8、3.0、3.2、3.4 m，5種工況的數(shù)值模擬粉塵的運動軌跡，模擬結(jié)果繪制的不同高度下的捕捉粒子數(shù)量與逃逸率如圖8所示。

圖8 不同吸塵罩高度下的粒子捕捉數(shù)量與逃逸率

由圖8看出，吸塵罩位置在升高的過程中，捕捉顆粒數(shù)量在減少，逃逸率升高；當吸塵罩高度在上升時，在通風(fēng)氣流和室內(nèi)外壓差的影響下，逃逸的顆粒數(shù)量有升高趨勢并且對熱流產(chǎn)生較大的影響，吸塵罩對顆粒的捕捉效率下降。當吸塵罩高度較低時，吸塵罩對顆粒的捕捉效果較好，當吸塵罩高度為2.6 m時熱流中的97.6%顆粒被捕捉，顆粒捕捉效果最好。而吸塵罩高度在3.4 m時，吸塵罩對熱流中的顆粒捕捉率為51.5%，可認為吸塵罩已經(jīng)失去對顆粒的捕捉作用，在此高度設(shè)置吸塵罩無效。

3.3 粒徑大小對粉塵捕捉率的影響

研究不同粒徑的粉塵顆粒對逃逸率的影響，基礎(chǔ)工況為：爐口粉塵顆粒初始速度為1.32 m/s,爐口溫度為1 300 K，通風(fēng)量為4 302 m3/h，設(shè)置顆粒粒徑服從單一分布(uniform)，分別設(shè)置顆粒粒徑為40、30、20、10、4 μm，共5種不同粒徑的粉塵顆粒進行模擬，在相同的通風(fēng)條件下，呈現(xiàn)出不同的運動軌跡，不同粒徑的運動軌跡如圖9所示，不同粒徑下的粒子捕捉數(shù)與逃逸率如圖10所示。

圖9 不同顆粒粒徑的運動軌跡

圖10 不同顆粒粒徑下的粒子捕捉數(shù)與逃逸率

由圖10可知，在相同工況條件下，不同粒子粒徑對氣流的跟隨性不同，在4、10、20、30、40 μm 5種粒子直徑下，逃逸率分別為30%、12.5%、6.6%、5%、4.2%。說明當粒子粒徑越小，粒子逃逸率越大。由于越小的顆粒受自身重力與介質(zhì)阻力越小，對氣流跟隨性越強，因此顆粒粒徑越小逃逸率越高。

4 結(jié) 論

針對金屬在熔煉過程中產(chǎn)生的高溫粉塵逃逸的問題，通過數(shù)值模擬，分析吸塵罩高度、通風(fēng)量、及粒徑大小對粉塵捕捉率的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1) 在通風(fēng)量從1 728 m3/h增大到4 302 m3/h時，吸塵罩對高溫顆粒和余熱的控制有明顯提升，之后單純地依靠增大通風(fēng)量來提高吸塵罩對顆粒的捕捉效果并不明顯，考慮到節(jié)能性與經(jīng)濟性因素，選取通風(fēng)量為4 302 m3/h最為合適。

(2) 吸塵罩距爐口位置越近對高溫顆粒的捕捉率越高，當吸塵罩距離爐口垂直距離為2.6 m時，高溫顆粒的捕捉效率為97.6%，能夠控制住粉塵擴散，保證了工作人員的正常工作。

(3) 顆粒粒徑越小，越易受流場影響，導(dǎo)致吸塵罩對高溫顆粒的捕捉變?nèi)?，當粒徑? μm時，顆粒的逃逸率增大，吸塵罩對顆粒的捕捉失效。

利用數(shù)值模擬得到了熔煉過程中的高溫粉塵的運動規(guī)律，此規(guī)律適用于優(yōu)化熔煉車間的通風(fēng)系統(tǒng)、減少粒子逃逸率等問題。對優(yōu)化各類金屬熔煉車間的通風(fēng)系統(tǒng)有參照意義。