摘要：针对马钢7.63 m焦炉推焦车机载除尘存在烟尘不能有效收集问题进行分析探讨，使用除尘风量经验公式对除尘器所需风量进行计算，并在ADINA有限元分析软件上使用VOF模型对除尘时横风的有无进行模拟，探讨厂区横风对机侧除尘效率的影响。对机侧除尘的改造提供了重要的理论依据。
关键词：机侧除尘；有限元分析；除尘效率；VOF
在传统的炼焦工艺过程中，焦炉在炼焦生产时或多或少会向大气环境排放烟尘。其中，焦炉在推焦车将焦炭推出炭化室过程中会产生大量黄色烟雾，其热辐射强，二氧化硫浓度高；推焦时排放的污染物质占焦炉总污染物质的30％~40%[1]。推焦过程中带出的烟尘不仅污染环境，还对现场操作人员的健康产生重大危害。因此，研究推焦通风除尘控制技术对积极改善炼焦作业环境和保护环境具有重要意义。马钢7.63 m焦炉于2007年投产，焦侧除尘配置为地面除尘站，机侧除尘选用机载除尘，机侧除尘基础参数均是根据当时炼焦化学工业污染物排放标准设计。通过表1可以看出环保要求日益严格，同时焦炉炉龄在不断增长，焦炉机侧除尘设备的原有设计参数已经远远满足不了现在国家的环保要求。此次准备对机侧除尘进行改造。为了有效收集机侧烟尘，先根据现场实际情况进行研究探讨[2]。
机侧除尘现状及存在问题7.63 m焦炉机侧除尘为机载除尘。除尘系统主要包括集尘罩、清门烟罩、除尘管道、除尘本体、放灰装置。除尘器放置在推焦车二层平台，并设置跟随推焦车一起移动的集尘罩。当推焦车移动到生产炉号，集尘罩向上展开，除尘风机先低速启动，收集炉门处散发的烟尘；当摘取炉门或平煤前，除尘风机高速启动，收集作业时炭化室散发的烟尘、部分荒煤气焦炭和可燃气体燃烧产生的废气、焦炭破碎落入尾焦斗产生的烟尘以及清门时产生的青烟。
推焦车机载除尘的最大风量仅为80 000 m3/h，正常生产中仍然不能收集全部烟尘；同时由于焦炉周围存在强烈的自然对流，炭化室打开时亦存在强烈热对流，焦炉与推焦车之间会有强烈的横风将烟尘吹散，使得烟尘不能全部收集。由表2可以看出，两座7.63 m焦炉在2019年排放污染物浓度只是刚刚达到国家标准。随着环保整治力度加大，现有的除尘系统改造势在必行。针对以上两点问题结合实际情况进行分析探讨，使用经验公式对除尘所需风量重新计算，并通过有限元分析横风对烟尘收集的影响，为机侧机载除尘改造提供理论支持。
2 问题分析
2.1机侧除尘所需风量分析
机侧除尘所需风量可用下式计算。除尘所需总风量为Q，计算公式为：
式中：B-集尘罩的宽，m；Δt -热源与周围空气的温差，℃；L -集尘罩的长，m。
此计算式为热过程伞形罩方法[3]，是综合集尘罩口径大小、所需的稀释风量、除尘器阻力以及热对流对烟气的吸力影响总结出来的经验计算式。综合现场情况，推焦车吸尘点共两个：一是收集推焦及平煤外逸的烟气；另一则是收集清门时的烟气。结合图纸，得出集尘罩区域 L 为 6.57 m，B 为 2.829 m；清门烟罩区域 L 为 1.641 m，B 为 1.641 m。红焦温度应在 1 000℃以上，工作温度设定在 30℃。经计算所得除尘所需总风量为111 380 m3/h。
考虑除尘管道内壁与吸入气体的摩擦阻力，气体通过弯头、三通处产生局部涡流所引起的局部阻力，接口及法兰处密封不严，以及除尘器滤袋种类差异造成的风量损失。风机选型计算风量为Q 风机，计算公式为：Q 风机=K1K2Q式中：Q 风机─风机选型计算风量，m3/h；Q ─ 除尘管网所需总风量，m3/h；K1 ─ 管网漏风附加系数，除尘系统为1.1～1.15；K2 ─设备漏风附加系数，一般为1.02～ 1.05。
通过上式计算所得最后风机选型风量应不低于134 491.35 m3/h，远高于现在使用的80 000风量风机[4]。
2.2有限元分析横风对除尘造成的影响
在生产中，焦炉机焦侧存在强烈的横风影响。本文将使用ADINA有限元分析软件对除尘时的横风进行模拟。本次分析不考虑热对流，主要分析横风对除尘效果的影响。如图2，将集尘罩与炉体间区域制成俯视剖面图，ADINA软件背景为黑色。图中白色区域均为空气，中间黑色矩形为烟气，左右两侧边界为焦炉和推焦车之间的通道，下侧出口为吸尘口，上方则为焦炉一侧。以原集尘罩尺寸、吸尘管道口直径制图。
烟气、空气可以视为牛顿流体，为了更直观地感受横风对烟气收集的影响，采用VOF模型进行分析。VOF模型可以精确地观察流体的移动、扩散以及不同流体的混合。设置两种模型，除了风速外，其他条件均不改变，重点分析横风的有无对除尘效果的影响。
边界条件：图3中粗线条设置为墙壁条件，其他区域介质可以进出；介质参数：如表3所示（参数温度环境为30℃）；时间条件：共9 s；负载条件：图3中箭头所示。模 型1在吸尘口处添加除尘风速10 m/s，在两侧通道的右侧界面添加横风(Wind)风速条件2.5 m/s；模型2 只在吸尘口处添加除尘风速（Suction）10 m/s。
将模型网格化后进行有限元分析。中间矩形黑色方块为烟气，周边黑色为软件自带背景。本次分析是以VOF模型为基础，图中黑色烟气周边存在渐变颜色，表示烟气扩散到空气中，与空气混合，随着颜色越淡，说明烟气成分越少。图4为有横风模拟模型。观察发现虽然除尘口风速远大于横风风速，但横风仍将大量烟气吹走、吹散，使除尘不能有效地收集烟尘。同时观察图5气体粒子运动轨迹图发现，随着横风的持续移动，大量空气被吸入除尘口，使得除尘对烟气的收集效率大大降低。
图6是无横风分析结果图像。观察发现当不受横风影响时，除尘能够有效地收集烟气。观察图7气体粒子运动轨迹图发现，随着吸力的持续，周边空气形成了气流对烟气区域的介质进行挤压，使得烟气扩散速度大幅度减少，大大提升了烟气的收集效率。
表4可以更直观地看出有无横风情况下烟气的吸收效率，无横风时可以高达92.3%。分析表明，横风的存在会大大降低除尘效率。要想提高除尘效果，必须避免横风的存在。
3 结论
针对7.63 m焦炉机侧除尘两大主要问题进行了计算、模拟、分析，通过使用最新的经验公式计算后，得出风机选型风量应不低于134 491.35 m3/h，远高于现在使用的 80 000 m3/h 风量风机。使用有限元分析发现，厂区横风不仅使除尘口吸入了大量空气，还使烟气迅速扩散，严重降低了机侧除尘的除尘效率，同时通过不同横风速度发现，横风的速度与除尘效率成反比。
分析探讨后，建议机侧除尘改造时，加大除尘系统的总风量，并且在推焦车与焦炉之间的两侧区域加设挡风装置，减少横风对除尘的影响，从而提升除尘效率，打造无烟焦炉。
参考文献
[1] 谭德彪. 焦炉装煤、推焦烟尘治理问题探讨[J]. 攀枝花学院学报，2005(2):22.
[2] GB 16171-2012，炼焦化学工业污染物排放标准[S].
[3] 胡学毅,薄以匀. 焦炉炼焦除尘[M]. 北京：化学工业出版社，2010.
[4] HJ 2020-2012，袋式除尘工程通用技术规范[P].
