趙然，鄧成豪

（馬鋼股份有限公司煉焦總廠，安徽馬鞍山243000）

在傳統(tǒng)的煉焦工藝過程中，焦爐在煉焦生產(chǎn)時或多或少會向大氣環(huán)境排放煙塵。其中，焦爐在推焦車將焦炭推出炭化室過程中會產(chǎn)生大量黃色煙霧，其熱輻射強，二氧化硫濃度高；推焦時排放的污染物質(zhì)占焦爐總污染物質(zhì)的30%～40%[1]。推焦過程中帶出的煙塵不僅污染環(huán)境，還對現(xiàn)場操作人員的健康產(chǎn)生重大危害。因此，研究推焦通風除塵控制技術(shù)對積極改善煉焦作業(yè)環(huán)境和保護環(huán)境具有重要意義。馬鋼7.63 m 焦爐于2007年投產(chǎn)，焦側(cè)除塵配置為地面除塵站，機側(cè)除塵選用機載除塵，機側(cè)除塵基礎(chǔ)參數(shù)均是根據(jù)當時煉焦化學工業(yè)污染物排放標準設(shè)計。通過表1 可以看出環(huán)保要求日益嚴格，同時焦爐爐齡在不斷增長，焦爐機側(cè)除塵設(shè)備的原有設(shè)計參數(shù)已經(jīng)遠遠滿足不了現(xiàn)在國家的環(huán)保要求。此次準備對機側(cè)除塵進行改造。為了有效收集機側(cè)煙塵，先根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行研究探討[2]。

表1 不同時期推焦過程中的大氣污染物排放濃度限值

1 機側(cè)除塵現(xiàn)狀及存在問題

7.63 m 焦爐機側(cè)除塵為機載除塵。除塵系統(tǒng)主要包括集塵罩、清門煙罩、除塵管道、除塵本體、放灰裝置。除塵器放置在推焦車二層平臺，并設(shè)置跟隨推焦車一起移動的集塵罩。當推焦車移動到生產(chǎn)爐號，集塵罩向上展開，除塵風機先低速啟動，收集爐門處散發(fā)的煙塵；當摘取爐門或平煤前，除塵風機高速啟動，收集作業(yè)時炭化室散發(fā)的煙塵、部分荒煤氣焦炭和可燃氣體燃燒產(chǎn)生的廢氣、焦炭破碎落入尾焦斗產(chǎn)生的煙塵以及清門時產(chǎn)生的青煙。

推焦車機載除塵的最大風量僅為80 000 m3/h，正常生產(chǎn)中仍然不能收集全部煙塵；同時由于焦爐周圍存在強烈的自然對流，炭化室打開時亦存在強烈熱對流，焦爐與推焦車之間會有強烈的橫風將煙塵吹散，使得煙塵不能全部收集。由表2可以看出，兩座7.63 m焦爐在2019年排放污染物濃度只是剛剛達到國家標準。隨著環(huán)保整治力度加大，現(xiàn)有的除塵系統(tǒng)改造勢在必行。針對以上兩點問題結(jié)合實際情況進行分析探討，使用經(jīng)驗公式對除塵所需風量重新計算，并通過有限元分析橫風對煙塵收集的影響，為機側(cè)機載除塵改造提供理論支持。

表2 7.63 m焦爐車間排放物成分

圖1 機側(cè)除塵系統(tǒng)組成

2 問題分析

2.1機側(cè)除塵所需風量分析

機側(cè)除塵所需風量可用下式計算。除塵所需總風量為Q，計算公式為：

式中：B-集塵罩的寬，m；Δt-熱源與周圍空氣的溫差，℃；L -集塵罩的長，m。

此計算式為熱過程傘形罩方法[3]，是綜合集塵罩口徑大小、所需的稀釋風量、除塵器阻力以及熱對流對煙氣的吸力影響總結(jié)出來的經(jīng)驗計算式。綜合現(xiàn)場情況，推焦車吸塵點共兩個：一是收集推焦及平煤外逸的煙氣；另一則是收集清門時的煙氣。結(jié)合圖紙，得出集塵罩區(qū)域 L 為 6.57 m，B 為 2.829 m；清門煙罩區(qū)域 L 為1.641 m，B 為1.641 m。紅焦溫度應(yīng)在1 000℃以上，工作溫度設(shè)定在30℃。 經(jīng)計算所得除塵所需總風量為111 380 m3/h。

考慮除塵管道內(nèi)壁與吸入氣體的摩擦阻力，氣體通過彎頭、三通處產(chǎn)生局部渦流所引起的局部阻力，接口及法蘭處密封不嚴，以及除塵器濾袋種類差異造成的風量損失。風機選型計算風量為Q風機，計算公式為：

式中：Q風機─風機選型計算風量，m3/h；Q ─ 除塵管網(wǎng)所需總風量，m3/h；K1─ 管網(wǎng)漏風附加系數(shù)，除塵系統(tǒng)為1.1～1.15；K2─設(shè)備漏風附加系數(shù)，一般為1.02～1.05。

通過上式計算所得最后風機選型風量應(yīng)不低于134 491.35 m3/h，遠高于現(xiàn)在使用的80 000風量風機[4]。

2.2有限元分析橫風對除塵造成的影響

圖2 集塵罩吸塵口與爐體截面2D示意圖

在生產(chǎn)中，焦爐機焦側(cè)存在強烈的橫風影響。本文將使用ADINA 有限元分析軟件對除塵時的橫風進行模擬。本次分析不考慮熱對流，主要分析橫風對除塵效果的影響。如圖2，將集塵罩與爐體間區(qū)域制成俯視剖面圖，ADINA 軟件背景為黑色。圖中白色區(qū)域均為空氣，中間黑色矩形為煙氣，左右兩側(cè)邊界為焦爐和推焦車之間的通道，下側(cè)出口為吸塵口，上方則為焦爐一側(cè)。以原集塵罩尺寸、吸塵管道口直徑制圖。

煙氣、空氣可以視為牛頓流體，為了更直觀地感受橫風對煙氣收集的影響，采用VOF模型進行分析。VOF模型可以精確地觀察流體的移動、擴散以及不同流體的混合。設(shè)置兩種模型，除了風速外，其他條件均不改變，重點分析橫風的有無對除塵效果的影響。

邊界條件：圖3中粗線條設(shè)置為墻壁條件,其他區(qū)域介質(zhì)可以進出；介質(zhì)參數(shù)：如表3 所示（參數(shù)溫度環(huán)境為30℃）；時間條件：共9 s；負載條件：圖3中箭頭所示。模型1 在吸塵口處添加除塵風速10 m/s，在兩側(cè)通道的右側(cè)界面添加橫風(Wind)風速條件2.5 m/s；模型2 只在吸塵口處添加除塵風速（Suction）10 m/s。

表3 氣體參數(shù)

圖3 ADINA模型基本參數(shù)設(shè)置

將模型網(wǎng)格化后進行有限元分析。中間矩形黑色方塊為煙氣，周邊黑色為軟件自帶背景。本次分析是以VOF 模型為基礎(chǔ)，圖中黑色煙氣周邊存在漸變顏色，表示煙氣擴散到空氣中，與空氣混合，隨著顏色越淡，說明煙氣成分越少。

圖4 為有橫風模擬模型。觀察發(fā)現(xiàn)雖然除塵口風速遠大于橫風風速，但橫風仍將大量煙氣吹走、吹散，使除塵不能有效地收集煙塵。同時觀察圖5 氣體粒子運動軌跡圖發(fā)現(xiàn)，隨著橫風的持續(xù)移動，大量空氣被吸入除塵口，使得除塵對煙氣的收集效率大大降低。

圖4 有橫風模擬模型（模型2）

圖5 有橫風情況下氣體粒子運動軌跡圖（時間：8 s）

圖6是無橫風分析結(jié)果圖像。觀察發(fā)現(xiàn)當不受橫風影響時，除塵能夠有效地收集煙氣。觀察圖7 氣體粒子運動軌跡圖發(fā)現(xiàn)，隨著吸力的持續(xù)，周邊空氣形成了氣流對煙氣區(qū)域的介質(zhì)進行擠壓，使得煙氣擴散速度大幅度減少，大大提升了煙氣的收集效率。

表4 可以更直觀地看出有無橫風情況下煙氣的吸收效率，無橫風時可以高達92.3%。分析表明，橫風的存在會大大降低除塵效率。要想提高除塵效果，必須避免橫風的存在。

表4 煙氣吸收效率對比

圖6 無橫風模擬結(jié)果（模型1）

圖7 無橫風情況下氣體粒子運動軌跡圖（時間：8 s）

3 結(jié)論

針對7.63 m 焦爐機側(cè)除塵兩大主要問題進行了計算、模擬、分析，通過使用最新的經(jīng)驗公式計算后，得出風機選型風量應(yīng)不低于134 491.35 m3/h，遠高于現(xiàn)在使用的80 000 m3/h 風量風機。使用有限元分析發(fā)現(xiàn)，廠區(qū)橫風不僅使除塵口吸入了大量空氣，還使煙氣迅速擴散，嚴重降低了機側(cè)除塵的除塵效率，同時通過不同橫風速度發(fā)現(xiàn)，橫風的速度與除塵效率成反比。

分析探討后，建議機側(cè)除塵改造時，加大除塵系統(tǒng)的總風量，并且在推焦車與焦爐之間的兩側(cè)區(qū)域加設(shè)擋風裝置，減少橫風對除塵的影響，從而提升除塵效率，打造無煙焦爐。