对开式电炉烟气二次捕集罩的气流组织优化研究

宋高举 徐宏锦 池佳春 耿昌涵

（1.机械工业第六设计研究院有限公司，郑州 450007；2.西安工程大学，西安 710600；3.中原工学院，郑州 450007）

0 引言

铸造工业在践行绿色发展理念、推进行业高质量发展过程中，电炉熔炼过程中产生的大气污染物的捕集和净化处理成为焦点问题之一。对于中小型感应电炉，一般设置有炉盖罩捕集熔炼过程中产生的烟气。但在加料、出铁操作时，部分烟气难以捕集而逃逸，对车间内职业健康环境和室外环境造成危害。

关于电炉烟气的捕集，国内外学者进行了相关的研究。电炉烟气捕集的方式包括屋顶大罩、半密闭罩等方式［1］。黄艳秋等［2］通过数值模拟的方法对电炉烟气捕集罩的捕集效果进行了研究。国内外学者对热羽流的特性及捕集进行了研究［3-4］，以便了解热羽流的特性，以便采取有效的捕集措施。吹吸式通风是捕集热羽流的重要形式之一。随着计算流体动力学（CFD）的发展，专家学者借助CFD软件对吹吸式通风进行模拟分析，并利用先进的测试仪器进行对应的实验。CHERN M J等［5］利用CFD软件模拟分析了吹吸式通风系统的基本流动现象，分析了吹吸口法兰的高度、吹吸通道的宽度和偏移距离（从污染物表面到吹吸通道）对流场的影响。GONZALEZ E等［6］研究了吹吸式排风罩的几何特性对污染物捕集效率的影响。

针对现有中小型感应电炉烟气的二次捕集改造的需求，本文提出了利用烟气的高温特性，通过设置捕集罩和优化罩内气流组织的形式，以较小的通风量捕集感应电炉在加料和出铁过程中逃逸的烟气。通过数值模拟的方法，研究了通过优化气流组织和逃逸烟气的捕集效果，为中小型感应电炉的二次烟气的捕集罩的新建和改造提供参考。

1 问题分析

感应电炉熔炼过程中加料、出铁存在含尘烟气逃逸现象。该部分逃逸烟气的特点：①受工艺的影响，局部设置捕集罩难度较大；②温度较高，烟气浮升速度较快；③污染源源强变化大，时间不固定。基于逃逸烟气源的特点，在实施逃逸烟气二次捕集改造过程中，存在以下几个问题：①二次捕集通风量大，管道布置位置不足；②室外布置除尘器的位置不足；③运行和管理费用高。

2 数值模拟

1）物理模型。本文以某铸造厂10 t感应电炉为研究对象，设计了对开式烟气二次捕集罩（如图1所示）。对开式捕集罩在罩子顶端一侧设置送风口，在对侧设置排风口。通过送风口和排风口在对开式捕集罩开口部分形成空气幕，当逃逸烟气在浮升力作用下上升至空气幕时被空气幕捕集并送至排风口。其中铁水包直径为0.973 m，电炉直径2 m，炉盖罩的直径2 m，送风口尺寸为5.2 m×0.16 m，排风口尺寸为7 m×0.5 m，捕集罩中部和导流板下侧为开口，其余面均为罩体。

图1 捕集罩结构

2）控制方程。流体流动必须遵循的基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、湍流输运方程。

3）边界条件。热源，送风口和排风口边界类型均设置为速度入口，自由面边界条件类型设置为压力出口。其余罩体边界条件类型均设置为壁面。

4）数学模型及求解方法。计算采用RNG k-湍流模型，选取二阶迎风格式作为求解的差分格式，并采用SIMPLE算法。由于空气温度较高，其密度、比热容、导热系数在温度变化的过程中会随着变化，空气被视为理想可压缩的流体，并在数值模拟过程中，对密度等物性参数进行线性差分处理。

5）网格无关性验证。本文以相同的划分方式对计算区域进行了3种不同网格数量的划分，分别为81万、114万、149万，并进行了网格相关性验证。不同网格数下典型位置线1速度分布如图2所示。

由图2可知，3种不同网格数量下典型位置线1速度分布规律基本一致，数值模拟的结果与网格数量无关。考虑到计算精确度和计算机的硬件条件，本研究选用81万网格数进行数值模拟。

图2 不同网格数下典型位置线1速度分布

6）捕集效果的影响因素。根据对污染源的特点分析和对开式捕集罩的特点，影响捕集罩捕集效率的主要影响因素为送风口向下倾斜角度、送风温度、送排风风速、热源温度变化以及捕集罩的开度。

3 数值模拟结果与分析

3.1 导流板宽度的研究

适当提高送风口的风速，可以提高空气的捕集效果。在对开式捕集罩在加料工况时，空气幕气流在对侧捕集罩内形成两部分气流，一部分气流被排风口捕集，一部分气流沿对侧捕集罩的罩体向下形成附壁射流（如图3所示）。

图3 无导流板时y=2.2截面矢量

由图3可知，无导流板时附壁射流在罩体下部泄漏出捕集罩。为了防止附壁射流从捕集罩下端开口处逃逸，在排风口的下侧设置气流导流板，引导气流重新进入罩内。导流板的宽度是重要的影响因素。选择不同宽度的导流板，通过分析排风侧罩体下侧出口的风速（典型位置线2）判定捕集罩是否存在烟气泄漏的情况。不同导流板宽度的典型位置线2处的风速如图4所示。

图4中，速度正值表示气流经捕集罩下端开口逃逸的趋势。由图4可知，在无导流板（0 mm）和导流板200 mm宽的工况下，捕集罩内气流经下端开口逃逸现象较为严重，当导流板宽增至300 mm时，气流逃逸明显减少；导流板宽增至400 mm时，无气流逃逸现象。随着导流板宽度增加，效果越好。但实际工程中因工艺限制，导流板不宜设置过宽。因此本研究对象选用导流板宽度为600 mm。

图4 不同导流板宽度情况典型位置线2速度分布

3.2 送风口射流方向对捕集罩捕集效果的影响研究

送风口送出的气流所形成的空气幕受浮射流的影响，宜造成空气幕气流逃逸出捕集罩。送风口适当向下倾斜，使得空气幕具有向下的动量。在浮射流向上的动量作用下，空气幕气流会出现向上弯曲并逃逸的现象。本文选取10°、20°和30°三个角度，通过数值模拟的方法分析捕集罩捕集效果如图5和图6所示。

图5 送风口向下倾斜不同角度下y=2.2截面速度矢量

图6 送风口向下倾斜不同角度下典型位置线3速度分布

由图5可知，在水平和倾斜角度为10°、20°时，吹吸气流逃逸出罩外。当倾斜角度增加到30°时，吹吸气流在捕集罩内并被排风口捕集，捕集效果好。由图6可知，在浮射流向上的动量作用下，气流呈弯曲状态，典型位置线3在不同的送风角度时并不在射流中，因此，当送风角度为30°时，其速度曲线在开口部位速度较低。研究结果表明，针对所研究的3种角度中，30°时可以抵御浮射流的向上的动量的影响，捕集效果较好。

3.3 送排风风速对捕集罩捕集效果的影响研究

送风口和排风口风速是空气幕捕集效果的重要影响因素。送风风速为主要影响因素，为了确定最佳的送排风速度，在流量比为1∶2.9的情况下，对不同送排风组合的速度矢量图进行了模拟研究（如图7所示）。

图7 不同送排风风速下y=2.2截面速度矢量

由图7可知，在送排风风速为6.5 m/s和4.5 m/s时，空气幕与浮射流混合后的含尘气流被排风口捕集效果较好。送排风风速为5.5 m/s和3.8 m/s，在上升气流作用下，送风气流气流会上升弯曲，部分烟气从排风罩逃逸，捕集效果不佳。当送排风风速为4 m/s和2.7 m/s时，吹吸气流从罩子逃逸量较大，捕集效果最差。研究结果表明，在捕集罩系统设计时，在最佳流量比约束下，送、排风速度是重要的影响因素。

3.4 污染源温度对捕集罩捕集效果的影响研究

感应电炉在不同的熔炼阶段和不同的操作情况下，炉子及烟气的温度不同。为了研究在不同的污染源温度情况下捕集罩的捕集效果，对污染源温度为200℃、500℃和1 000℃等3种温度情况下典型位置线3、4的速度变化对比（如图8、图9所示）。

图8 典型位置线3速度分布

图9 典型位置线4速度分布

由图8和图9可知，在热源温度200℃时吹吸气流可防止浮射流逃逸，吹吸气流连续性好，捕集效果好。在热源温度500℃时吹吸气流已破裂，热源温度升至1 000℃时吹吸气流完全破裂，吹吸气流已不能控制污染气流，污染气流从捕集罩顶部开口逃逸。这是由于热源温度越高，靠近热源的气体受热而温度升高，与周围空气之间的密度差越大，浮升力就越大，速度变化和密度变化相耦合，那么轴心速度就相应增大（如图9所示）。因此需要有抵御浮射流上升气流所需的动量也增大。所以污染源温度升高时，所需送排风风速也应相应增大或减小。由图10可知，热源温度1 000℃时，加大风速可以保证捕集效果。

图10 热源温度1 000℃下y=2.2截面速度矢量

3.5 捕集罩在不同开度工况下通风量的研究

在感应电炉不同的操作阶段，对开式捕集罩的开度不同。为了研究不同开度情况下的污染物捕集效果，对开度为0、1、2、3 m情况的通风量进行了研究（如图11、图12所示）。

由图11和图12可知，控制上升气流是成功捕集污染物的最重要因素。而送风气流是控制上升气流的主要因素，必须克服上升气流流动速度。随着捕集罩中间开口缩小，送、排风口距离缩短，送风气流流速衰减少，因此降低射流速度可以控制上升气流，并使上升气流在送风气流的卷吸作用下流向排风口。所以，在保证捕集效果的前提下，捕集罩中间开口缩小，所需射流初始动量越少，风量减少。

图11 不同开度下y=2.2截面速度矢量

图12 不同开度下送排风风量变化

3.6 送风气流温度对捕集罩捕集效率的影响研究

当送风空气采用罩内的空气时，可以适当削弱源强，提高捕集罩的捕集效率。罩内的空气在不同的操作阶段的温度存在差异。为了研究不同送风温度工况下捕集罩的捕集效果，选取20℃、100℃和200℃等3种不同温度情况下典型位置线的速度分布（如图13所示），分析捕集罩的捕集效果。

图13 不同送风温度下典型位置线3速度分布

由图13可知，送风温度20℃时，捕集罩的捕集效果好。随着送风温度升高，送风气流经送风口送出后向上流动趋势越明显。当温度升至200℃时，烟气逃逸出捕集罩。其原因是送风气流温度升高，密度减小，送风气流经送风口射出后会因低于周围环境流体密度而产生浮力向上流动，送风气流与周围环境流体温差越大导致浮力增大，因此需要更大的动量来抵消浮射流向上动量的影响，避免含尘烟气从捕集罩顶部逃逸。

送风温度升高到200℃时，原设定风速出现烟气逃逸现象，捕集效果不好。为了保证烟气的捕集效果，通过增大送排风风速为15 m/s、9.8 m/s，其捕集效果如图14所示。由图14可知，送风温度200℃时，通过加大送排风风速可以保证烟气的捕集效果。

图14 送风温度200℃下y=2.2截面速度矢量

4 结论

1）通过在排风侧捕集罩的下部设置导流板，可以有效优化捕集罩内的气流组织。针对研究对象研究了导流板的宽度大于300 mm时，导流板的宽度越宽，捕集效果越好。

2）研究结果表明，通过增加送风口向下倾斜角度可以提高捕集罩的捕集效果。

3）在流量比一定情况下，送排风风速对烟气的捕集效果影响较大。本研究对象在送排风风速为6.5 m/s、4.5 m/s的情况，可以获得较好的捕集效果。

4）在炉子烟气温度为1 000℃时，将送排风风速调整为11 m/s、9.3 m/s时，可以获得较好的捕集效果。

5）对开式捕集罩的开度越小，相同条件下的污染物捕集效果越好。

6）随着送风温度的提升，送、排风口的风速需要相应提高。当送风温度达到200℃时，送排风风速为15 m/s、9.8 m/s时，可以达到烟气捕集的效果。