趙 然，鄧成豪

（馬鋼股份有限公司煉焦總廠，安徽 馬鞍山 243000）

摘要：針對馬鋼7.63 m焦爐推焦車機載除塵存在煙塵不能有效收集問題進行分析探討，使用除塵風量經驗公式對除塵器所需風量進行計算，并在ADINA有限元分析軟件上使用VOF模型對除塵時橫風的有無進行模擬，探討廠區橫風對機側除塵效率的影響。對機側除塵的改造提供了重要的理論依據。

關鍵詞：機側除塵；有限元分析；除塵效率；VOF

在傳統的煉焦工藝過程中，焦爐在煉焦生產時或多或少會向大氣環境排放煙塵。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占焦爐總污染物質的30％~40%^[1]。推焦過程中帶出的煙塵不僅污染環境，還對現場操作人員的健康產生重大危害。因此，研究推焦通風除塵控制技術對積極改善煉焦作業環境和保護環境具有重要意義。馬鋼7.63 m焦爐于2007年投產，焦側除塵配置為地面除塵站，機側除塵選用機載除塵，機側除塵基礎參數均是根據當時煉焦化學工業污染物排放標準設計。通過表1可以看出環保要求日益嚴格，同時焦爐爐齡在不斷增長，焦爐機側除塵設備的原有設計參數已經遠遠滿足不了現在國家的環保要求。此次準備對機側除塵進行改造。為了有效收集機側煙塵，先根據現場實際情況進行研究探討^[2]。

 機側除塵現狀及存在問題7.63 m焦爐機側除塵為機載除塵。除塵系統主要包括集塵罩、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，并設置跟隨推焦車一起移動的集塵罩。當推焦車移動到生產爐號，集塵罩向上展開，除塵風機先低速啟動，收集爐門處散發的煙塵；當摘取爐門或平煤前，除塵風機高速啟動，收集作業時炭化室散發的煙塵、部分荒煤氣焦炭和可燃氣體燃燒產生的廢氣、焦炭破碎落入尾焦斗產生的煙塵以及清門時產生的青煙。

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。隨著環保整治力度加大，現有的除塵系統改造勢在必行。針對以上兩點問題結合實際情況進行分析探討，使用經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，為機側機載除塵改造提供理論支持。

2 問題分析

2.1機側除塵所需風量分析

機側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出來的經驗計算式。綜合現場情況，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。結合圖紙，得出集塵罩區域 L 為 6.57 m，B 為 2.829 m；清門煙罩區域 L 為 1.641 m，B 為 1.641 m。紅焦溫度應在 1 000℃以上，工作溫度設定在 30℃。 經計算所得除塵所需總風量為111 380 m³/h。

考慮除塵管道內壁與吸入氣體的摩擦阻力，氣體通過彎頭、三通處產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： Q 風機=K1K2Q式中：Q 風機─風機選型計算風量，m³/h；Q ─ 除塵管網所需總風量，m³/h；K1 ─ 管網漏風附加系數，除塵系統為1.1～1.15；K2 ─設備漏風附加系數，一般為1.02～ 1.05。

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

2.2有限元分析橫風對除塵造成的影響

在生產中，焦爐機焦側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域制成俯視剖面圖，ADINA軟件背景為黑色。圖中白色區域均為空氣，中間黑色矩形為煙氣，左右兩側邊界為焦爐和推焦車之間的通道，下側出口為吸塵口，上方則為焦爐一側。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中粗線條設置為墻壁條件，其他區域介質可以進出；介質參數：如表3所示（參數溫度環境為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，在兩側通道的右側界面添加橫風(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。

將模型網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，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。觀察發現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現，隨著橫風的持續移動，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6是無橫風分析結果圖像。觀察發現當不受橫風影響時，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現，隨著吸力的持續，周邊空氣形成了氣流對煙氣區域的介質進行擠壓，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。

3  結論

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

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

參 考 文 獻

[1] 譚德彪. 焦爐裝煤、推焦煙塵治理問題探討[J]. 攀枝花學院學報，2005(2):22.

[2] GB 16171-2012，煉焦化學工業污染物排放標準[S].

[3] 胡學毅,薄以勻. 焦爐煉焦除塵[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

 [4] HJ 2020-2012，袋式除塵工程通用技術規范[P].