高炉出铁场摆动流嘴排烟罩的改造措施及优化设计

文 福 舒 刚 周纪帅 黄艳秋

（1、中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉430223 2、西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院，陕西 西安710055）

1 概述

摆动流嘴是钢铁企业高炉出铁场的专用设备，其作用是把高炉冶炼产生的铁水注入出铁场平台下的任意一个铁水罐中。高炉出铁过程产生的高温铁水首先从铁水沟流进摆动流嘴，然后从摆动流嘴倾泻至铁水罐。其过程由于存在较大高差，铁水速度快，流量大，高温铁水与周围空气短时间接触形成强热浮射流现象并裹挟大量烟尘[2-3]。

摆动流嘴排烟罩一般安装在摆动流嘴上部，采用侧部抽风的形式，将罩内烟尘抽至出铁场除尘系统，通过除尘器净化后排放[1]。为便于人员及车辆通行，排烟罩顶部与出铁场平台平齐，罩顶还设置了观察孔，操作工通过观察孔观察铁水从摆动流嘴流入铁水罐的情况。若排烟效果不佳，会有大量的烟尘从观察孔冒出，不仅影响出铁场车间内环境卫生，还会导致操作人员无法及时观察到铁水流动情况，造成生产事故。

随着计算流体力学（CFD）和数值传热学的迅速发展，数值模拟已成为研究室内通风气流组织的重要手段。国内学者对于钢铁企业炼铁厂高温烟气流场数值模拟计算方法及局部排风罩捕集效率进行了详细研究[5-6]，通过理论研究表明，炼铁厂高温烟气排烟罩单靠增大抽风量提高捕集效率的效果并不明显[9]，可通过优化排烟罩几何形式[7-8]，降低罩顶部相对压力，改善排烟效果。

本文针对一种实际排烟效果不佳的摆动流嘴排烟罩，提出便于实施的改造措施，并进行数值模拟对比分析，为工程实际提供参考。

2 数值模拟分析

某钢铁企业炼铁厂高炉出铁场除尘系统摆动流嘴排烟罩采用三排风口侧抽的形式，布置如图1 所示：摆动流嘴布置在出铁场平台下部，摆动流嘴上方设排烟罩，罩顶与出铁场平台平齐，摆动流嘴两端的下方设置铁水罐。排烟罩侧部设有三个抽风口分别于出铁场除尘系统管道相连。投产后实际排烟效果不佳，部分烟气从罩顶部观察孔逃逸至出铁场车间摆动流嘴操作区（如图2 所示），严重影响操作工身体健康和现场观察操作。由于出铁场除尘系统已建设完毕，除尘风机已满负荷运转，排烟罩各抽风口的风量不能再增大；排烟罩根据摆动溜嘴工艺已设置完毕，所接除尘管道敷设在出铁场平台下部，排烟罩几何尺寸和抽风口数量修改困难。本项目计划对宜实施的抽风口几何尺寸和底部进风区域进行优化改造，并采用数值模拟技术对要采取的改造方案进行理论验证分析。

图2 摆动流嘴排烟罩（Case1）运行情况

2.1 物理模型及参数设置

原始物理模型（Case1）采用现场实际尺寸，排烟罩尺寸11550x4900x4050mm ( 长 x 宽 x 高)； 抽 风 口 尺 寸 为1600x1600mm，共三个，位于排烟罩的三个侧面顶部；罩子顶部开设直径300mm 的观察孔3 个；下部铁水罐直径1400mm，共两个；摆动溜嘴形状、位置按设计等比例建模放置。计算工况参数设定如下：烟尘粒子温度1400K；铁水温度1732K；烟尘散发量20kg/s；烟尘最大粒径0.3mm；烟尘最小粒径1um；烟尘平均粒径10 um；烟尘粒子密度1550 kg/m3；排烟罩壁面温度设定为600K；抽风口1 风量110000 m3/h；抽风口2 抽风量80000 m3/h；抽风口3 抽风量110000 m3/h（布置位置如图1 所示）。

2.2 对比工况模拟结果分析

本次模拟采用罩内顶部相对压力分布和烟尘捕集效率来评价排烟效果的优劣。捕集效率计算公式[6]：η=捕集到的粒子数/示踪粒子总数。原始工况(Case1)排烟罩顶部区域相对压力分布如图3 所示：观察孔处均为正压（观察孔1 处相对压力约2Pa、观察孔2 处相对压力约4Pa、观察孔3 处相对压力约1Pa），可以判断观察孔处罩内烟气会出现冒出现象。为降低罩顶部相对压力，尝试采取降低抽风口标高和减少底部进风口面积的措施。三个抽风口标高降低400mm(工况Case2)的罩顶部区域相对压力分布如图4 所示：观察孔区域相对压力有所降低，观察孔3 处相对压力降为负值，烟尘捕集效率也较原始工况(Case1)有所提高（见表1）。说明适当降低抽风口高度可以改善排烟效果，减少观察孔处烟尘逃逸。但Case2 工况观察孔2 处区域相对压力仍为正值，单靠降低抽风口高度不能实现全部观察孔处烟尘无逃逸。在工况Case2 的基础上，减少底部进风口面积（工况Case3，如图6 所示），进风区缩小为两个方孔（2500x2500mm），顶部区域相对压力分布如图6 所示：排烟罩顶部区域相对压力明显降低，三个观察孔相对压力均为负值，可以判断观察孔呈现罩外空气吸入状态，烟尘捕集效率也提高至100%（见表1），实现了全部烟尘无逃逸。

图3 Case1 排烟罩顶部相对压力分布图

图4 Case2 排烟罩顶部相对压力分布图

图5 Case3 排烟罩顶部相对压力分布图

图6 Case3 工况模型示意图

表1 各工况捕集效率的对比

3 改造措施

通过数值模拟理论分析可得，在三抽风口风量不变的条件下，减少底部进风区域面积，适当降低抽风口标高，可以有效改善排烟效果，实现观察孔处烟尘无逃逸。本项目改造过程中，结合现场实际情况具体采取了以下改造措施：

3.1 对原有摆动流嘴下部进风区域进行改造，增加底板，并根据摆动溜嘴倾倒铁水进入下部铁水罐的实际情况开设梯形孔（如图7 所示）。底板上设置隔热保温层，并铺设沙垫层，便于定期清扫。

3.2 修改摆动流嘴排烟罩抽风口尺寸，两个抽风口修改为2000mm×1200mm (宽x 高)，一个抽风口修改为1600mm×1200mm(宽x 高)，使三个抽风口顶部标高降低400mm。

图7 摆动溜嘴下部底板开孔示意图

采取上述措施改造完成后，出铁场车间摆动流嘴操作区工作环境得到明显改善，经现场检测工作区最大平均粉尘浓度由改造前的47mg/Nm3，降低至4mg/Nm3。观察孔处全部呈现空气吸入状态，操作工可以清楚观察铁水倾倒过程和罐内铁水高度，为实现安全生产提供了保证。

4 摆动流嘴排烟罩优化设计

摆动流嘴排烟罩采取底部增加挡板措施，虽然可以有效改善排烟效果，但底部挡板处易积灰，罩内温度高，工作环境恶劣，人工清理困难。通过改变抽风口个数、布局等排烟罩构造形式，进行多种工况的数值模拟结果对比分析研究，我方优化设计出了一种新型的两抽口楔形摆动流嘴排烟罩，其模型如图8所示。其主要特征为：两抽风口采用排烟罩长边对角布置的形式，抽风口的中心距短边为2000mm～3000mm，抽风口顶标高位于顶盖下200～500mm 处；捕集罩底部采用楔形减少进风面积，同时大颗粒灰尘可以滑落至罩外地面，罩内不易积灰。在某钢铁企业新建高炉出铁场采用了此新型摆动流嘴排烟罩，现场运行情况如图9 所示，罩内顶部始终控制在负压状态，观察孔无烟气外溢，现场检测工人操作区平均粉尘浓度≤4mg/Nm3。

图8 新型摆动流嘴排烟罩模型

图9 新型摆动流嘴排烟罩现场使用效果

5 结论

通过数值模拟分析和工程实践表明：减少底部进风区域面积及适当降低抽风口标高，可以作为改善摆动流嘴排烟罩排烟效果的有效措施。在工程实际允许的条件下，采用两抽口楔形摆动流嘴排烟罩，可以实现良好的排烟效果，同时底部不易积灰，减少罩内日常清灰维护工作。