炼钢电炉的新型集烟除尘装置

摘要: 本文通过理论分析和实验研究，提出一种新型的集烟除尘装置。该装置是采用半密闭式集烟罩集烟，采用不锈钢纤维滤袋式电除尘器除尘。经工程应用证明半密闭集烟罩可使烟尘捕集率高达95%，且能耗低、操作维修方便；实验证明不锈钢纤维滤袋式电除尘器不仅能承受较高的烟温，而且大大加强对超细微粉尘的捕集能力，使除尘效率高达99%，既大大提高对烟气流量的处理能力、节约能耗，还可使除尘装置结构紧凑、简单。本成果在国内集烟与除尘技术中是一项创新，不仅可用于炼钢电炉，也棵用于类似的工业炉窑的排烟除尘系统。

关键词: 集烟罩，电除尘，集烟效率，除尘效率

1. 引言

   目前，在工业炉窑排烟中，普遍存在温度高与含尘量多的问题，以炼钢电炉为例，其排烟初始温度和含尘量分别高达1300℃和200mg/m³以上，既浪费能源有严重污染环境，其他工业炉窑也有类似问题。这类问题已引起世界各国，尤其是工业发达国家的严重关注，如美国的NOXSO公司就集中了一批高级研究人员从事此类研究工作，并不断有成果用于工程。在我国，工业炉窑的排烟污染更为严重，研究工作起步较晚，一些炼钢电炉的集烟除尘装置有相当一部分是“上后不能用”或“用了不能持久”，主要是效率低、可靠性差、成本及能耗高、操作维护不方便等。

   为了解决好除尘问题，首先必须将烟气有效地收集起来，不使其外漏，进而对烟气中的粉尘进行净化处理。为此，本项研究包括半密闭集烟罩和电除尘两部分。

2. 半密闭集烟罩

对烟尘的治理，有效地集烟是关键。要在不影响炼钢工艺布局和冶炼操作的前提下，将炼钢过程中散发的烟气有效地收集起来，使后置的除尘装置能进行有效的净化，因此，必须研制出适用于实际炼钢工况，且对烟尘的捕集率高、能耗低、投资少、操作维护方便的新型集烟罩。半密闭集烟罩是以其能在最小处理风量下获得最佳效果（高效率、低能耗）为设计原则，并从理论和实验等方面对其性能进行研究。

2.1低能耗系统的研究

对半密闭集烟罩在不同的进风门开口尺寸、不同的烟气发生量、不同的处理风量和抽风机允许的风温等条件下，进行正交实验和理论计算后再经统计归纳，在热力、气动力相似条件下，得出对处理风量Q外溢较为逼近的经验公式

Q_n=Q_n+1

式中，Q为处理风量（kg/s），n为迭代次数，V_g为电炉烟气最大上升速度（类比估算），V₀=Q_n/A为吸风口风速（m/s），A为吸风口面积（m²），L_i为地i块敞开面积中心到吸风口中心线的流线长度（m）；S_i为第i块敞开部分的面积（m²），μ_i为动力黏度（kg/m.s），S₀为集烟罩最高敞开处横截面积（m²），Φ_g为烟柱直径（离排烟口附近），m为敞开面积数。

这是一个无因次迭代公式，使用简单方便且收敛速度快，只要初始值选择较合理，很易于得出结果。当迭代至（Q-Q_设）/Q〈0.1%时，则满足要求，并可由此选定集烟罩的结构形状与参数。

2.2 流场实验

在集烟罩的结构形状与参数选定之后，为进一步分析其集烟罩效率，需对罩内流场进行实验分析。实验以无锡东雄重型电炉公司的5吨电弧炉用的BBH型半密闭集烟罩的1:8缩尺模型为对象，如图1、图2所示。

在三个进风门和发烟量Q_in一定时，改变处理风量Q，测量三个进风门的进风量Q1、Q2、Q3和掺混温度Tm的变化及集烟罩内流场矢量图谱，如图3、图4所示。

实验结果表明：

1. 5t电弧炉BBH型集烟罩对烟尘捕集效果好，当抽风机风量Q>0.30m3/s时，烟气就不会外溢。而且随着Q的增大，各进风门的风量随之增加，同时使烟气的掺混温度Tm随之降低。可通过改变Q达到调节Tm，满足除尘装置对Tm的要求。
2. 在同一风量Q下，各进风门流动阻力不同，其进风量Qi与进风强度qi（qi=Qi/Ai）也不同，其中Q3>Q2>Q1，q3>q2>q1。若要使各风门进风量相同，可适当增大1#与2#风门面积或减少3#风门面积，但从流场矢量图中可见在3#风门上方有一旋涡区，若Q3减小或Q1、Q2增大，则旋涡区将加大。因此，在结构设计中必须兼顾三个进风门的风量均衡和使旋涡区尽量缩少，以利于流动通畅。从结构上考虑，可将3#风门上方由尖角改为园弧状。
3. 烟罩内流动矢量图显示出在流体周边有一圈旋涡区，这是由于炉体与炉盖间有缝隙所致。这一缝隙可使部分炉烟溢出与进风门进入炉内的空气先行掺混；另一部分炉烟从炉盖上的口溢出再与进入炉内的空气掺混。采用两次掺混，可达到使掺混更为均匀的目的。但是，前后两次掺混烟量的比例要适当，即炉盖缝隙面积大小与炉盖上的开口面积之比适当，使先行掺混的旋涡既起搅拌作用，有不太强，更不能严重地影响进风门的进风。这一点在结构设计时必须严格控制。
4. 在抽风量Q一定时（即各进风门的Q₁、Q₂、Q₃也是一定的），当增加炉体的发烟量Q_in到某一数值后，烟气也会外溢。本模型实验发现，只有当Q_in /Q₀≥40%时，才会发生烟气外溢，通常炼钢电弧炉工作时的Q_in /Q₀〈20%，说明这种型式的集烟罩不会出现因炉体发烟多而使烟气外溢。

2.3 流场数值模拟及动态显示

为了更好地了解集烟罩内不同部位的流动情况，必须建立三维计算模型。由于集烟罩的几何形状、边界条件（多入口、单出口、多股流掺混）都相当复杂，求解困难。对于工程应用，只要求能反映出典型部位关键流域的特征，无须解全流场，因此，采用二维模型。为了与实验对比，选用与图1剖面A-A相应的1个二维平面进行数值模拟，其结果如图5所示。计算结果表明气流在罩内流线比较顺畅，但在上部角前有旋涡形成，与实验结果较为吻合。

为了使数值计算和实验结果能在计算机屏幕上直观地显现，专门设计一个流场动态显示软件“TEST”。介词，可以对一定空间流厂中的流动状况进行观察与分析，进行优化设计。程序包采用菜单集成环境统一调配使用，使用C++程序设计语言编写。其软件菜单环境及显示图象一例如图6。

2.4 综合效果

根据实验和流场数值模拟的结果，对模型结果进行改造后，使半密闭集烟罩具有结构轻巧、不易变形、抗撞、抗误操作、运行平稳可靠等特点，同时还具有以下优点：

1. 集烟罩内腔与流线形状最大程度吻合，符合强迫导流式集烟罩特征，冶炼周期内平均集烟率>95%，远高于现有集烟罩的捕集率；
2. 降低车间内粉尘浓度及SO2、Nox等的浓度；
3. 降低厂房内噪音；
4. 半密闭集烟罩下部敞开，不影响操作工人的视线和冶炼工艺；
5. 可大大改善天车司机的工作条件，从高温辐射、噪音和烟尘污染中解脱出来；
6. 当冶炼发生大沸腾意外爆炸事故时，可起相当于安全防护罩作用。

现已形成系列产品并在表1所列工程中应用。

表1 半密闭集烟罩的应用情况

集烟之后就应对烟尘进行净化处理。原来使用的布袋式除尘器不能耐高温，且有阻力大、不易清灰、寿命短、设备占地面积大等缺陷。因此，应研究其取代装置。

3.1 管式电除尘器

电除尘器的电场力是在几万伏甚至十几万伏的高压电作用下的静电场中形成的。当带有粉尘的烟气进入电除尘器时，将经历气体电离、粉尘荷电、荷电粉尘被捕集和从集尘级上清灰等四个阶段。为分析其性能，从模型实验和数值模拟两方面进行研究。

3.1.1 模型实验

模型按5吨炼钢炉排烟量要求的电除尘器一个单筒的实际尺寸（直径0.6M，长度7.6M）为实验件，图7为实验系统和实验模型简图。

实验获得大量数据，现选其中一组表示于图8。实验结果表明：

1. 在一定的粉尘浓度下，只要选择合适的电场风速（筒体直径）和电压，电除尘器的效率可高达99%。
2. 在一定的电场电压和粉尘浓度下，当电场风速u<2m/s时，除尘器效率随风增大下降较缓慢；当u>2m/s时，除尘效率随风速增大急剧下降。说明合理地设计筒体直径和相关的几何参数对除尘效率有重要影响。
3. 在一定的粉尘浓度和风速下，除尘效率基本上随电场电压增大而提高。但当电场强度过大时，电晕电流太大，反而会使电场电压剧减，导致除尘效率下降。因此，对于一种电除尘器有一个最佳的电场电压。

（4）当电场风速不大时，在一定的范围内增大粉尘浓度，除尘效率会随之增大；当风速较大时，除尘效率又会随粉尘浓度增大而有所减小。

3.1.2 流场的数值模拟及颗粒运动显示

管式电除尘器的流场是一个在电场力作用下的管内气固两相流动。在以往的流场数值模拟未见有此报道。本文采用颗粒轨道模型，即跟踪颗粒运动轨道的方法来描述颗粒运动，将气体作为连续相，颗粒相作为与气体相有滑动的、沿自身轨道运动的高离散群，颗粒群对流体的质量、动量和能量的相互影响当作是某种等价的连续分布于两相流空间中的物质源、动量源和能量源。由于颗粒在流场中所受的力很复杂，有曳力、电场力、重力、浮力、Magnus力、Saffman力、压力梯度、虚拟质量力、Bsset力等，并可能受到热泳和光泳效应的作用，因此，在计算中进行简化，突出主要特征并建立相应的数理模型。计算结果得到了不同的电场电压、风速和粉尘粒径变化时，粉尘颗粒在除尘器中的运动规律，现选其中一组示于图9、10、11。为使计算结果在计算机屏幕上直观显示，设计了一个粉尘颗粒在管式电除尘中运动情况的动态显示程序“COCO”，用Visual Basic程序设计语言编写。由于VB引入了事件驱动编程机制，提供可视化的设计工具，方便了应用程序的开发。

3.2 不锈钢纤维滤袋式电除尘器

虽然在一定的粉尘浓度下，只要选择合适的电压、风速，管式电除尘器的效率可高达99%，但尚有不到1%的粉尘（其中大部分为超细微粉尘）仍未得到处理。为进一步提高除尘器的效率，尤其是对超细微粉尘的捕集能力，将普通袋式除尘机制与管式电除尘的机制相结合，提出一种新型的不锈钢纤维滤袋式电除尘器。即将不锈钢电除尘器作为电场的一极，它与方电极间加上数万伏的高压电，则袋式除尘机制中的静电沉降将会成百上千倍地增加，且滤袋对粉尘的黏附作用也会大大增强。这样，作为集尘极的滤袋，就起着过滤和静电吸附的双重作用，大大加强对粉尘的捕集能力。为深入了解其性能，对用Φ8μm的 不锈钢纤维滤袋进行模型实验，实验装置如图12。

实验工况为：（1）电压为40和0，过滤风速为1、2、3、4、5、6，入口粉尘浓度为2、4、6、8；（2）过滤风速为3。电压为10、20、30、40、50，入口粉尘浓度为2、4、6、8、。实验结果的到上述三个参数变化对除尘效率的影响及变化规律，现将其中一组实验结果由图13、14、15示出，实验结果表明这种新型的不锈钢纤维滤袋式电除尘器具有以下优点：

1. 在一定的粉尘浓度、电场电压和风速的条件下，除尘效率可高达99.9%，大大提高对超细微粉尘的捕集能力。
2. 可提高过滤风速，使除尘器对烟尘的处理能力大为加强，可达普通布袋式除尘器的4~5倍，使除尘器结构尺寸更加紧凑。
3. 可使除尘器进口烟气温度提高到300℃以上，减少掺混气量，降低能耗。

本项研究工作的成果中，半密闭集烟罩已形成系列产品并在工程中应用，电除尘器也将形成产品并与半密闭集烟罩配套用于工程，为炼钢电炉的排烟除尘服务，也可用于类似的工业炉窑。这一成果在国内的集烟除尘术领域是一项创新，对改善环境、节约能源等方面都具有重要的经济效益与社会效益。

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