焦炉两侧无组织排放收集研究.pdf

节能技术与应用54节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 2023焦炉两侧无组织排放收集研究孙国宏1 杨开敏2（1.山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250098；2.山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101）摘要：在焦炉顶部设置排风罩及风机可以有效捕集焦炉及出焦车释放的污染物。焦车处于运动状态，其产生的污染物以无组织的方式排放，对收集工作造成一定的困难。通过计算流体动力学(CFD)方法对风机布置进行模拟仿真，以改善风机对炉罩内气流组织的控制性能。以某焦炉项目为例，通过理论计算对焦炉炉罩及风机分布进行初步设计，利用Fluent软件对整个出焦过程进行数值模型，确定焦炉及焦车污染物无组织排放收集排风口的位置和关键参数。关键词：焦炉炉罩；排风量；污染物；数值模拟中图分类号：TF321 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）07-0054-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015引言炼焦生产过程会释放大量污染物，如NH3、H2S、苯并芘(BaP)等。在工作人员的活动区域，特别是出焦车附近，温度和污染物浓度均处于较高水平，会对人体产生危害。设置排风罩可以在一定程度上控制高温气体及污染物的运动，降低工作区域的温度，减少污染物向外扩散的风险1-2。但焦车在出焦过程中处于运动状态，导致高温气体及污染物无组织扩散，对工作人员的安全造成威胁。因此，在通风罩的基础上增加机械通风装置控制气流组织运动，以减少污染物扩散，降低人员工作环境温度，是保证人员安全和环境保护的必然要求。1研究对象及方法1.1项目概况以某焦炉炉体两侧加罩项目为例，焦炉尺寸为112 m19 m17 m，焦炉炉体壁面、炉顶表面温度均为80。焦车直径6.5 m、高4.7 m。拟确定焦侧和机侧的空气和污染物流动状态，通过加盖罩子和设置排风口，收集处理污染物并进行有组织排放。通过分析确定加盖罩子的尺寸、形状，排风口的位置、尺寸和机械排风所需要的排风量。1.2焦炉炉罩基本设计焦炉炉体壁面表面温度为80，高于周围空气温度，易形成热射流并诱导气流运动，同时带动生产过程中散发的污染物一起运动。出焦时，温度高达1 000 的焦炭在焦车内会继续燃烧，释放大量的热量和污染物。针对这种气流运动方式，应将排风罩设在出焦车轨道上方，保证污染气流直接进入罩内。结合工业生产利用的排风罩的类型，拟确定焦炉炉罩类型为接受罩。从理论角度分析，随着接受罩的位置增高，污染气流的捕集效果增强。但在实际过程中由于横向气流导致污染气流发生偏转，加剧污染物的扩散，会降低接收罩的捕集效率。设计时，应尽可能降低接受罩的安装高度。为了保证在焦炉生产过程中行车和其他设备的安装要求，结合现场实际，初步设计的焦炉炉罩形状如图1所示。1.3焦炉炉罩排风量的理论计算结合相关文献3-6及工程手册7-8，确定焦炉机侧炉罩的通风量为 14.67 万 m3/h，折算为标方为 13.34 万 m3/h。在焦侧，由于出焦车内高温焦炭暴露在空气内，释放大量热量，周围空气自然对流流量为163.76万m3/h。结合焦侧炉壁余热，焦侧总风量为185.77万m3/h，折算为标方为168.89万m3/h。1.4排风口条件确定结合理论计算得到的通风量并综合考虑能耗、管道阻力等因素，选取焦炉总通风量为151万m/h，对单个焦炉进行模拟计算。在标准状况下，焦车运行60 s所需通风总体积为251 667 m3。在封闭炉罩两侧的情况下，焦侧顶棚下能够容纳15 s排放的气体，即风机需要在75 s内处理热空气的排放，因此风机提供的通风速率至少为335 m/s。考虑通风阻力等问题，风口最大限制在6 m/s。通风口总面积至少为56 m2。选用直径2 m的圆形通风口，图1初步设计的焦炉炉罩形状作者简介：孙国宏（1971），女，本科，高级工程师，研究方向为通风污染物控制。收稿日期：2023-02-26引用本文：孙国宏，杨开敏.焦炉无组织排放收集研究 J.节能，2023，42（7）：54-56.节能技术与应用55NO.07 2023节能 ENERGY CONSERVATION在考虑均匀分布的情况下，焦侧风口压力为-80 Pa，风口平均流速为6.5 m/s，风口数量19个。机侧散热量相对较小，可以直接布置风口进行排风，且炉罩两侧无须封闭。由于热空气沿壁面上升，风口可以朝向热壁面，位于顶棚高位，从而更好地利用热空气浮力。机侧总通风量选取16万m3/h，对焦炉机侧排风口参数进行计算。经计算，将风口最大限制在6 m/s时，通风口总面积至少为6.8 m2。采用直径1 m的圆形通风口进行排风时，在考虑均匀分布的情况下，焦侧风口压力为-80 Pa，风口平均流速为6.0 m/s，风口数量11个。2数值计算2.1计算模型在理论计算的基础上加设排风口。由于需要考虑周围气流的影响，因此计算域的大小需在原本实际焦炉的基础上向外扩展5倍以减少边界条件对气流运动的影响。模型计算域如图2所示。在不考虑通风管道的情况下，将排风口看作圆柱体。根据理论计算结果布置风口，几何模型如图3所示。2.2计算参数焦炉污染物苯并芘(BaP)的排放速率为0.501 4 g/h；焦炉炉体壁面及炉顶表面温度均为80；出焦时焦炭的温度为1 000。根据历年气象数据可知，背景温度选取30。计算域除了地面之外的其余各面均设置为压力边界，表压为0。气候参数如表1所示。3结果与分析3.1焦侧排风口方向分析焦侧有两个热源（焦车和炉壁），分别位于顶棚中线的两侧。根据流场特征分析，将风口置于顶棚中线高点处更有利于热空气的收集。热空气上升能够汇集到顶棚顶端下方位置，当风口朝其上方吸气时，能够合理利用热空气的浮升力，使其先到达顶棚内的最高点，然后被相对靠下的风口吸收，这样布置有利于减少风口阻力。因焦车中心不与吸风口中心在同一垂线上，该布置方案能够更好地促使热空气流向内侧移动，减少热空气扩散风险。现有顶棚两端封闭的方案能够借助顶棚储存一定量的热空气，在一定程度上缓冲风口吸风量的要求。经模拟验证，当风口开口朝上、向下吸风时，气流组织较好。风口周围气流组织如图4所示。3.2出焦车在运动条件下的模拟结果分析出焦车运动30 s时的物理场如图5所示。焦车运动的过程中，周围空气沿顶棚两侧下沿流入，可以有效维持棚下热空气聚集，降低污染物向外扩散的风险，具有维持气流组织的作用，但在顶棚两侧产生涡流；同时焦车的运动使热射流产生一定的角度。热空气和污染物在热射流和排风口的作用下向顶棚聚集，但因热射流的作用，部分热空气向外溢出，由于顶棚两侧涡流的作用，部分热空气和污染物在顶棚边缘处聚集，在一定程度上阻止其进一步向外界扩散。图2模型计算域（a）焦侧几何模型侧视图（b）机侧几何模型侧视图图3几何模型表1气候参数序号1234567891011项目年平均温度/年平均降雨量/mm年最大降雨量/mm多年平均风速/(m/s)近5年平均风速/(m/s)年最多风向年平均相对湿度/%年极端最高温度/年极端最低温度/年平均日照时数/h年平均气压/Pa数据14.9513.9791.91.92.6WNW6043.9-12.72 006.71 000.5图4风口周围气流组织节能技术与应用56节能 ENERGY CONSERVATIONNO.07 2023出焦车运动60 s时的物理场如图6所示。由于焦车运动，热空气较为均匀地向上移动，为顶棚储存热空气提供一定的有利条件，使一定量的热空气保持在顶棚下部。对比图5和图6发现，经过一定时间的排风工作，顶棚边缘处热空气和污染物的聚集得到缓解。排风口起到优化组织气流的作用，降低了热空气和污染物向外扩散的风险。3.3机侧排风模拟结果分析机侧风机排风速度矢量图如图7所示。排风机朝向焦炉时，气流能够掠过焦炉表面，进而更好地消除热量。该排风机的放置条件能够较好地控制气流组织，使得周围空气流入棚下，防止污染物外溢。4结语综合考虑管道阻力、能耗等多因素，消除焦炉炉罩内余热和捕集污染物所需要的风量为151万m3/h（工况风量），消除机侧内余热所需的风量为16万m3/h（工况风量）。焦侧排风罩建议设置19个排风口，位于炉罩最高点，风口朝向上，风口平均流速为6.5 m/s，风口直径建议为2 m，风口均匀布置。机侧排风罩建议设置11个排风口，位于炉罩最高点，风口朝向焦炉壁面，风口平均流速为6.0 m/s，风口直径建议为1 m，风口均匀布置。焦车运动条件下，在运动至30 s时，存在部分污染物泄漏。在整个运动过程中，炉罩下的气流组织得到控制，降低了无组织排放的危害，出焦车释放的污染气流能够较均匀地被风口吸收。参考文献1 仵晓强.焦炉焦侧除尘系统优化设计 J.机械工程与自动化，2019，213（2）：125-126，128.2 李敏.大型焦炉拦焦炉口烟尘扩散分析及集气罩结构优化 D.太原：太原理工大学，2017.3 赵玉娇.厨房污染物控制原理与局部排烟罩性能研究 D.西安：西安建筑科技大学，2013.4 孙国宏，杨开敏，雷文君.焦炉炉罩内污染物填充规律及事故排风研究 J.节能，2022，41（5）：56-61.5 DB 13/28632018，炼焦化学工业大气污染物超低排放标准 S.6 NFPA 130 AMD 22020，Standard for fixed guideway transit and passenger rail systems S.7 关文吉.供暖通风空调设计手册 M.北京：中国建材工业出版社，2016.8 中冶焦耐工程技术有限公司，于振东，郑文华.现代焦化生产技术手册 M.北京：冶金工业出版社，2010.图7机侧风机排风速度矢量图图6出焦车运动60 s时的物理场图5出焦车运动30 s时的物理场