炼钢电弧炉排烟罩的模拟研究

一、 引言

目前，在工业炉窑的排烟中存在温度高与含尘量多的问题，既浪费能源又污染环境。已引起世界各国，尤其是工业发达国家的严重关注，并对此开展大量的研究与技术改造工作，如美国的NOXSO公司就集中了一批高级研究人员，专门从事此类研究工作。在我国随着工业的发展，工业炉窑的排烟问题也奖成为环保与节能工作的重要研究课题。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/Nm³以上，，远远超过国家标准（GBJ4-73），其他工业炉窑也有类似问题。因此，必须解决好排烟过程的降温与除尘问题。主要的方法是在排烟系统中设置合适的掺混、补燃、余热回收、尘粒收集与净化等装置，达到燃烧完全、降温、降低含尘量和回收余热等目的，是一项综合性的研究工作。作为排烟系统的重要部件的集烟罩，其工作性能起着关键性的作用。现以无锡重型电炉设备厂生产的BBH型半封闭罩为研究对象，对其进行流场模拟实验。

二、实验装置与测试系统

模拟实验采用5t电弧炉的BBH型半封闭集烟罩集合相似的1:8缩尺模型及相应的测试系统，如图1所示。模型内壁可贴保温材料，可布置流场测试点。三个进风门的具体尺寸如图2所示。在集烟罩出口与抽风机之间配置三个测温点，测量掺混后的烟气温度；配置两个测压点，用于测量烟气流量；风机前有截风门，用于调节抽风量；三个进风口的流量，用热球风速仪，按图3所示的测点测得各进风门的平均速度与进风量；集烟罩内的流场，用TSI单通道1050热线风速仪和TSI MODEL 1076 RMS表在三维五自由度的高精度坐标架上进行速度矢量测量，其测点也如图2所示。

实验时，分别用去掉蒸发器的煤油炉或用棉纱浸煤油加机油的混合物在炉体内燃烧模拟发烟装置。为了用高精度的热线风速仪测量集烟罩内的流场，要求工质必须洁净，实验时，用送风机模拟炉体发烟，发烟量Q_in与抽风量Q₀之比为Q_in/Q₀=20%。当Q₀=C，增大Q_in时，一直到Q_in/Q₀≥40%，才有烟气从各风门外溢的问题发生。

三、实验结果与分析

实验结果表明，用去掉蒸发器的煤油炉作发烟装置，虽发烟稳定，但烟量偏小；用棉纱浸煤油加机油的混合物在炉体内燃烧作发烟装置，发烟稳定，且烟量适中（Q_in/Q₀=14~16%），接近实际工况。

   实验所测得的各工况下数值如表1和表2。

表1   用去掉蒸发器的煤油炉为发烟装置时，

Q₀、Q₁、Q₂、Q₃及T_m的实验数值（实验时环境温度T_a=31℃）

单位：m3/s

表2   用棉纱浸煤油加机油的混合物在炉内燃烧为发烟装置时，

Q₀、Q₁、Q₂、Q₃及T_m和实测值

单位：m³/s

因各进风门的面积不同，A₁=0.213m²，A₂=0.22 m²，A₃=0.365 m²。现将其进风量算为单位面积，单位时间的平均进风量（进风强度）q₁、q₂和q₃，结果如表3与表4所示。

表3 用去掉蒸发器的煤油炉为发烟装置时，q₀与q₁、q₂、q₃的数值

单位：m³/s.m²

表4  用棉纱浸煤油加机油的混合物在炉体内燃烧为发烟装置时，q₀与q₁、q₂、q₃的数值

单位：m³/s.m²

可见，在一定的抽风量下，1^#风门的进风量Q₁和q₁都最小；2^#风门Q₂与q₂次之；3^#风门的Q₃与q₃最大。这是因为各进风门所处的位置不同，它们各自到抽风口的流动阻力不同所致。如图2所示，1^#风门到抽风口是一直角转弯的进风，流动阻力最大，2^#风门次之，3^#风门流动阻力最小。因此，使得Q₁〈Q₂〈Q₃；q₁〈q₂〈q₃。说明若要使各风门进风量趋于均衡时，必须适当加大1^#风门与2^#风门的面积。上述实验结果可绘制成Q₀与Q₁、Q₂、Q₃的关系曲线如图4所示

四、   集烟罩内流场测

如按图2所示的探针孔位置，在三维五自由度的高精度坐标架上，准确地定位热线风速仪探针的位置。为减少外界干扰，除坐标架与探针系统外，其余测量装置均远离进风口与抽风口，保证测量的准确性。实验测得一批二维的流场矢量图，图5为一个工况下集烟罩内的U-W与V-W的流场矢量图。可见，在U-W平面与V-W平面都有三个旋涡区，而且都在相同的部位。靠近炉体的两个旋涡区，主要是由于炉盖与炉体间有一缝隙，部分炉烟从缝中漏出形成的。左上角的涡流，主要是在该处形成一个“死水区”，使烟气流动不畅。

五、结论

1.    模型实验表明5t电弧炉BBH型半封闭罩对烟尘的捕集罩效果较好，当抽风机抽风量Q₀〉0.30m3/s时，烟气就不会外溢，而且随着Q₀的增加，各进风门的风量随之增加，同时使烟气的掺混温度T_m随之降低，即可通过改变抽风机的风量Q₀，达到调节掺混温度T_m的要求。

2.    在同一抽风量Q₀下，各进风门的流动阻力不同，其进风量与进风强度也不同。其中Q₃〉Q₂〉Q₁；q₃〉q₂〉q₁。说明若要时各风门进风量相同，可适当增大2^#