冲天炉除尘风量与“防尘规程”中的疏误
2010-11-04威海科兴铸造机械有限公司山东威海市264205
张 明（威海科兴铸造机械有限公司，山东威海市 264205）
冲天炉除尘风量与“防尘规程”中的疏误
张 明（威海科兴铸造机械有限公司，山东威海市 264205）
本文围绕2007年版《铸造防尘技术规程》中有关冲天炉的除尘风量，在说明冲天炉除尘风量计算方法的基础上，分析了该规程产生疏误的原因，指出了其中的疏误，对冲天炉除尘系统的设计与施工有一定参考意义。
冲天炉；除尘技术；国家标准
冲天炉除尘系统风量与冲天炉的熔化率及除尘接口的结构形式有关，在保证工作环境符合卫生标准、粉尘浓度达标排放的基础上，减少除尘风量有利于降低除尘设备投资及其运转费用。由于工作原因，笔者反复研读了2007年版《铸造防尘技术规程》（GB8959—2007）文本，发现该标准在冲天炉除尘风量的计算原则与推荐数据两方面均存在一些疏误，因此写成此文供讨论研究。
冲天炉的除尘风量来源于焦炭燃烧产生的炉气、通过除尘系统中的口洞进入的空气两大部分，分别说明如下。
1 焦炭燃烧产生的炉气量估算
焦炭燃烧产生的炉气量可根据焦炭成分及其消耗、熔剂及其消耗、空气中的水分、炉气成分等进行计算，但有关计算比较繁复，得到的结果也不一定有意义，因此一般用冲天炉的入炉风量估算焦炭燃烧所产生的炉气量。冲天炉的入炉风量一般按其熔化率计算，如下式：
式中：Q风——冲天炉的入炉风量，Nm3/min；
β——单位熔化率的入炉风量，（Nm3/min）/（t/ h），一般取β=12.5（Nm3/min）/（t/h）[1]；
q——冲天炉的熔化率，t/h。
如果忽略空气与焦炭中的水分、焦炭中的硫分、石灰石分解生成的CO2，不计炉气中的水蒸气、SO2、HF、NOX等其它气体,仅计算其中的N2、CO2与CO三种气体，则可以通过燃烧比得到（计算过程略）焦炭燃烧所产生的炉气量与入炉风量之间的关系：
式中：Q0——焦炭燃烧所产生的炉气量，Nm3/h；
ην——冲天炉的燃烧比。
焦炭燃烧产生的炉气量与入炉风量之间的比值可称之为炉气量计算系数α，显然：
按照上式得到表1，可以清楚看出燃烧比ην与计算系数α之间的数值关系。
表1 燃烧比ην与计算系数α之间的数值关系
在此应该特别指出，燃烧比按脱离焦炭层后的炉气成分计算所得。而炉气脱离焦炭层后，其中的CO可能在加料口、或者在炉气燃烧器中与空气燃烧生成CO2，使炉气的量值发生变化，因此计入除尘系统的炉气量并不一定等于焦炭燃烧产生的炉气量。同时应该指出，用入炉风量估算焦炭燃烧产生的炉气量，其中忽略了炉气中的水蒸气、SO2、HF、NOX等成分。
2 进入除尘系统的空气量
冲天炉除尘系统内一般呈负压状态，空气可能从冲天炉的加料口、烟囱、包括管道缝隙等处进入除尘系统，增加系统的炉气处理量。进入除尘系统的空气量与冲天炉与除尘系统的结构有关，图1、图2、图3按照除尘接口与加料口的相对位置，分别归纳了除尘接口的类型。各种除尘接口所对应的空气进入量分别说明如下：
2.1 除尘接口位于加料口上部
除尘接口位于加料口上部时（见图1），进入除尘系统的空气量取决于加料口的大小及其开口风速，如果空气可以通过烟囱口进入除尘系统，烟囱的直径及其开口风速也决定进入除尘系统的空气量。
图1 除尘接口位于加料口上部1.除尘接口 2.加料口 3.烟囱 4.烟囱顶盖
图1（a）中，空气可以通过加料口进入除尘系统，还可以通过烟囱进入，空气量按下式计算：
式中：Q空——进入除尘系统的空气量，Nm3/h；
a，b——加料口的高度与宽度，mm；
ν加——加料口的开口风速，m/s；
d烟——烟囱内径，mm；
ν烟——烟囱口的开口风速，m/s。
图1（b）不存在空气通过烟囱进入系统的可能性，通过加料口进入系统的空气量按下式计算：
Q空=3.6abν加×10-3
图1（c）中烟囱设有顶盖，顶盖开启时空气可以通过烟囱进入除尘系统，其空气量计算方法同图1（a）；烟囱顶盖关闭时，空气量计算方法同图1（b）。
2.2 除尘接口位于加料口下部
当除尘接口位于加料口下部时（见图2），空气通过加料喉部进入除尘系统，进入除尘系统的空气量不受加料口尺寸的影响，影响空气量的因素包括加料喉部直径、喉部断面风速、炉料柱的阻力等。
图2 除尘接口位于加料口下部1.除尘接口 2.加料口 3.炉料柱 4.冷却水套
图2（a）中的除尘接口在满料时被炉料覆盖，空料时暴露在大气中。由于炉料的阻隔作用和料面波动的原因，进入除尘系统的空气量有一定波动。料面最低（空料）时进入除尘系统的空气量最大，其最大量为：
式中：Q空m——由加料喉部进入除尘系统空气的最大量，Nm3/h；
d喉——加料喉部直径，mm；
ν喉——加料喉部断面风速，m/s。
图2（b）中的除尘接口始终处于料面以下，由于炉料柱的阻隔作用，进入除尘系统的空气量稍小于图2（a），进入除尘系统的空气量也有一定波动。
图2（c）为热风水冷长炉龄冲天炉常用的炉气接口，空气始终需要穿透一定高度的炉料柱才能到达除尘接口。由于炉料柱对空气的阻隔作用，进入除尘系统的空气量最小。进入系统的空气量可用下式计算：
式中：Q空——由加料喉部进入除尘系统的空气量，Nm3/h；
λ——空气穿透炉料柱的断面风速，m/s。
2.3 除尘接口位于加料口对面
除尘接口位于加料口对面时（见图3），进入除尘系统的空气量取决于抽取炉气的罩面面积、罩面的空隙率与罩面风速等，不再取决于加料口及其开口风速、烟囱直径及其开口风速，其具体计算方法需要参考通风除尘设计手册的有关部分。
图3 接口位于加料口对面
3 冲天炉除尘风量
计算冲天炉的除尘风量需首先考虑熔化率的波动范围，按照最大熔化率确定焦炭燃烧所产生的炉气量，同时要根据除尘接口的具体结构分析由有关孔洞进入除尘系统的空气量。
3.1 加料口上部抽风且加料口与烟囱口敞开的除尘风量
在图1（a）中,如果取单位熔化率的入炉风量β= 12.5（Nm3/min）/（t/h）、炉气量计算系数α=1.05、加料口与烟囱口的开口风速ν加=ν烟=1.2m/s、冲天炉的最大熔化率为名义熔化率的1.25～1.35倍，可以计算出1～20t/h上部抽风且加料口与烟囱口敞开冲天炉的除尘风量（见表2），供参考。
3.2 冲天炉加料口下部抽风的除尘风量
在图2（a）中,如果取单位熔化率的入炉风量β= 12.5（Nm3/min）/（t/h）、炉气量计算系数α=1.05、加料喉部的断面风速ν喉=1.2m/s、冲天炉最大熔化率为名义熔化率的1.25～1.35倍，可以计算出下部抽风1～20t/h冲天炉的除尘风量（见表3）。
应该说明，由于本文围绕着《铸造防尘技术规程》中的疏误展开，计算尽量采用了该标准所推荐的有关数值，因此上述计算所得的除尘风量并非完全合理可靠。
3.3 除尘风量与入炉风量的关系
①加料口上部抽风。表4以表2数据为基础，分析了上部抽风且加料口与烟囱敞开冲天炉的除尘风量与最大入炉风量（单位已换算成Nm3/h）、焦炭燃烧产生的炉气量等之间的比值。可以看出，上部抽风且加料口与烟囱敞开的1～20t/h冲天炉，其除尘风量与最大入炉风量的比值在3.00～5.81之间，除尘风量与焦炭燃烧产生的炉气量的比值在2.85～5.53之间。
②加料口下部抽风：表5以表3数据为基础，分析了下部抽风冲天炉的除尘风量与最大入炉风量（单位已换算成Nm3/h）、焦炭燃烧产生的炉气量等之间的比值。下部抽风时，控制炉气不从加料口外溢的关键截面为加料喉部尺寸，而非加料口尺寸。可以看出，下部抽风的1～20t/h冲天炉，其除尘风量与最大入炉风量的比值在1.55～1.64之间，除尘风量与焦炭燃烧产生的炉气量的比值在1.48～1.56之间。
表2 上部抽风且加料口与烟囱口敞开的除尘风量
表3 冲天炉下部抽风时的除尘风量
表4 加料口上部抽风冲天炉的除尘风量与最大入炉风量的比值
表5 冲天炉下部抽风时的除尘风量
3.4 冲天炉有关著述的疏误
①《冲天炉手册》：该手册在国内影响很大，在其冲天炉烟气除尘净化部分曾论断[2]：冲天炉的烟气由燃烧产生的炉气与加料口吸入的冷空气两部分组成，冷空气的吸入量约为炉气量的4倍左右，并给出了除尘风量的计算公式。由于在标准状态下，焦炭燃烧产生的炉气量近似等于入炉风量，因此按此论断容易得出冲天炉的除尘风量约为其送风量5倍的结论。该手册提出的有关论断存在一定疏误，通过送风量（或焦炭燃烧产生的炉气量）计算冲天炉的除尘风量容易造成资源浪费，因此不能作为冲天炉除尘风量计算的依据。该手册的有关论断可能对《铸造防尘技术规程》产生了一定的误导作用。
②《冲天炉技术手册》：新出版的《冲天炉技术手册》[3]在沿用《冲天炉手册》有关论断的基础上，提出了“冲天炉的排风量约为送风量的2.5～4倍”的论断。但是该手册给出的1～15t/h加料口敞开冲天炉的除尘风量（见表6）接近于本文表2数据，两者的差别可能源于计算所用冲天炉的结构尺寸不同。该手册给出的加料口封闭冲天炉的排风量与2007年版的《铸造防尘技术规程》中的有关数据非常接近，10t/h与15t/h冲天炉的排风量同样不可信地相差11m3/ min，因此有关数据很可能来源于《铸造防尘技术规程》，见表6与表7。
4 《铸造防尘技术规程》中的疏误
《铸造防尘技术规程》（GB8959—2007）[4]，在冲天炉除尘风量计算原则、除尘风量推荐值两个方面存在着明显的疏误，分别说明如下。
表6 1～15t/h冲天炉的排风量
表7 冲天炉的排风量（该标准附录A节录）
4.1 规定的除尘风量计算原则存在疏误
该标准第9条为“炉窑的除尘措施”，其中第9.2为冲天炉的除尘措施，包含5个条款。第9.2.4款规定：“冲天炉的设计排风量按炉子鼓风量乘以1.05～1.10系数与加料口进风量之和考虑。加料口的入口风速宜按1.0～1.2m/s计算。”该条款存在下列问题：
①该标准的第9.2条款属于冲天炉除尘的原则与方法，但其中未根据冲天炉除尘风量与炉气温度波动范围大、粉尘浓度高等特殊技术问题作相关规定。该标准第9.1.3条款规定：炼钢电炉“通风除尘系统的设计参数应按冶炼氧化期最大烟气量考虑”，但对冲天炉未作相应规定。
②该条款仅仅考虑了空气由加料口进入除尘系统，忽视了空气通过烟囱、加料喉部进入系统的可能性，存在着明显的疏漏。
③该条款中的“加料口的入口风速宜按1.0～1.2m/s计算”，有死板教条之嫌。规定开口风速的目的在于防止炉气外逸，加料口较小的冲天炉，炉气不易外逸，可取较小的开口风速，否则取较大开口风速。应该将开口风速的推荐范围扩大至1.0～1.5m/s，由设计者根据项目的实际灵活选用。
4.2 附录推荐的除尘风量存在明显疏误
该标准在资料性附录A中给出了熔化率在1～20t/h冲天炉的排风量（即除尘风量），见表7。
该标准附录A中关于冲天炉除尘风量的推荐数据所存在的问题，分别说明如下：
①附录A中有关冲天炉排风量数据与该标准第9.2.4款的有关规定无任何联系，两者之间缺乏必要的逻辑性。
②在附录A有关冲天炉排风量的数据中，加料口下部抽风且加料口敞开的排风量，可以通过加料口封闭的排风量、加料口尺寸、开口风速等计算得到（例如1t/h的冲天炉加料口敞开的风量：1760+0.9× 0.58×1.2×3600=4015≈4020，m3/h），除此之外的其它数据均无来由，缺乏可信性。
③如果加料口下部抽风，进入除尘系统的空气量取决于加料喉部的直径及其断面风速，与加料口尺寸及其是否敞开没有关系。该标准附录A给出了加料口下部抽风、加料口启闭两种状态的除尘风量，说明该标准疏忽了此状态下的炉气流动路径，忽视了使炉气不外逸的关键断面所在。
④加料口上部抽风且加料口设有启闭装置时，为防止加料口敞开期间炉气外逸,需要考虑通过加料口进入的空气量。但不管加料口是否存在启闭装置,冲天炉的最大除尘风量均指加料口开启时的风量。将加料口分为封闭与敞开两种状态，对确定除尘风量无任何实际意义,同时容易混淆除尘风量的概念。
⑤附录A中仅仅给出了冲天炉加料口的尺寸，未给出其它有关的结构尺寸，例如烟囱直径、加料喉部直径等，也未涉及冲天炉熔化率的波动问题，未说明有关数据的应用条件，主要数据未经过严密的计算，可信度低，缺乏使用或参考价值。
⑥附录A中推荐的下部抽风冲天炉的除尘风量明显偏大，熔化率较大的上部抽风冲天炉的除尘风量接近于成倍偏大，极易对冲天炉除尘项目的设计与施工造成误导，导致资源的极大浪费。
《铸造防尘技术规程》作为铸造行业防尘的基本技术标准，涉及多种门类铸造设备的防尘问题，不可能对冲天炉的除尘问题作过于详细的规定。但是，《铸造防尘技术规程》毕竟属于国家标准，应该具有一定的科学性、权威性和指导性，起码应该做到正确无误。建议及早修正2007年版《铸造防尘技术规程》中存在的疏误，使该标准在冲天炉除尘领域发挥应有作用。
[1]GB/T2234.1—2008 冲天炉形式和基本参数.北京：中国标准出版社.
[2]刘幼华，胡起萱.冲天炉手册.北京：机械工业出版社，1996：444.
[3] 冲天炉技术手册编写组.冲天炉技术手册.北京：机械工业出版社，2010:555,591.
[4]GB8959—2007 铸造防尘技术规程.北京：中国标准出版社.
鸣谢：西安交通大学的陆文华先生，在百忙中审阅了该文，提出了重要的修改意见，特表示最衷心的感谢！
Error in Specifications of Dustproof and Wind for Dust Remove from Cupola
ZHANG Ming
（Weihai Kexing Foundry Machinery Co.Ltd.，Weihai 264205，Shandong China）
Aiming at error of wind for dust remove revolved in national standards
Cupola；Dust remove technology；National standards
R136;
A；
1006－9658（2010）03－5
2010－01－07
2010－002
张明（1958-），男，工学学士。目前主要从事水冷长炉龄冲天炉、高温热风冲天炉的技术研究与工程项目的设计、规划与施工
