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(西安建筑科技大学)

摘要:  通过模型实验，对大空间中强热源诱导含尘气流(即二次扬尘)控制问题进行了研究，研究发现，采用抽吸气流的全面通风控制二次扬尘是可行的，找出了最佳排气罩形式、安装高度和最佳排风量。为类似工程的设计提供了实验和理论依据，并为相关的设计手册提供了基础

数据.

 

关键词:  强热源  含尘浮射流  模型实验  最佳排风量

 

 

在国内外钢铁、焦化、机械等企业中，目前普遍存在开放式太空间中无组织排放的含尘气体对大气环境污染问题。比如炼钢厂落锤倒渣间的二次扬尘过程就是一例。目前，对此类问题的治理方法一般是采用洒、喷水抑尘，但对高温热源产生的具有较大上升梯度的扬尘过程，这些方法都有其局限性，无法取得理想的控制效果，因此，解决此类污染的控制问题已成为当务之急^[1]。

 

本模型实验以某炼钢厂落锤倒渣间为实验原型，通过现场观察和实测，发现在60m×40m× 25m的太空间中，当温度高达1000℃的钢渣倒落到塘泥地上时，由于冲击和挤压作用将产生强大的剪切力，在剪切气流和强热源的共同诱导下，含尘气流由四周向上产生一股强大的浮射流.本文将其处理成从地上冲出一股环状含尘浮射流，其高度可达20m。因此本实验的主要目的是要控制这般含尘浮射流，整个实验模型的热源、气流组织、风道设计等都是以此为中心。

 

由于高温液态钢渣倾倒到积水上时有爆炸危险，因此不能采用洒、喷水抑尘；又由于倒渣间内有行车移动及受到其它工艺上的限制，不能在污染源上方直接设置上部排风罩;另外，由于车间跨度太大，无法采用吹吸气流控制。由于这些原因，对此类问题，只能采用在污染源侧面设置侧吸罩形成侧顶吸气流排走污染气流的全面通风方法。

 

经过研究，上述污染控制问题在理论上可以抽象为控制太空间中，由瞬态强热源诱导的自由紊动圆环含尘浮射流。采用侧顶吸罩可以使浮射流发生偏转，从而将含尘气流排出室外，由于浮射流在不同的高度具有不同的速度分布和扩展面，因而在不同的高度设置不同的侧吸罩所需要的罩口风速和进入侧吸罩的污染气流浓度是不一样的。因此，采用此法的关键问题是找到最佳的排气罩形式、位置以及最佳的排风量。对于此类问题，目前尚未有这方面的理论成果、实验数据和工程实例。日本学者林太郎的流量比法^[4]计算排风量，结果偏大，排风量达到10⁷m³／h的量级，使在工程上很难实现。一般认为，通过抽吸气流在大空间内形成负压防止污染气流外溢并有效地排走污染气流的方法需要很大的排风量，而且抽吸效果很难保证。因此，通过模型实验和理论分析相结合的方法来寻找最佳排风量，其结果将为有关设计手册提供一定的基础数据。

 

 

 

相似理论是模型实验的理论基础，要保证实验模型能反映实际工况，必须考虑模型和实型的几何相似、流动相似、热力相似和传质相似^[2]。在本实验中，重点是研究强热源诱导的含尘浮射流的流动规律以及如何控制这股含尘浮射流^[3]，所以本实验主要考虑射流的流动相似和热源的热力相似同时得到满足.

 

射流流动相似保证Re和Ar相等，由于本实验研究的是紊流问题，所以Re处于自模区，因此只要保证Ar数相等即可。

 

热源热力相似保证Re和Ra＝PrGr相等，因为Re处于自模区，所以只要保证Ra相等即可。

 

在实际模拟时，要保证Ar和Ra同时相等是不可能的，因此，本实验将设法使Ra处于自模区。

 

 

限据现场观察和实测，考虑把实际问题处理成圆环浮射流。

圆环浮射流如图1所示。

根据现场观察和实测，得出原型的有关数据如下：

(1) 射流出口外径d₀＝6m，

内径d₁=4m;

射流初速度v₀＝6m／s

射流极角a＝30^o；

射流温度t₀＝160℃；

环境温度t_e＝30℃。

(2) 热源温度t_w＝1000℃

 

对射流，取特征长度为d₀，特征速度为V₀，特征温度为t₀。

 

 

 

 

此时，Re＝1.2×10⁶＞O.5×10⁴，说明实型Re处于自模区。

  Re´＝2.88×10⁴＞O.5×10⁴，说明模型Re´也处于自模区。

  以上各式中，不带“´”的表示实型，带“´”的表示模型。

 

对热源，取特征长度为1＝O．9d₀，特征温度为 为了保证模型及实型中热源和气流温度场的统一，取热源C_△t＝C△t₀，此时

 

说明实型和模型的Ba均处于自模区，即在上述比例尺设定下，实型与模型能自动达到热力相似。因此，整个模型中的其它比例尺将只与流动相似，即与Ar数有关。从而有效地简化并解决了相似问题。

 

(1)几何尺寸比例尺：C_l＝O．0833

(2)温度比例尺：C△T_e，＝C_△I＝O.5，C△T₀＝0.85

(3)速度比例尺：C_v＝0.221

(4)风量比例尺：C_G＝C_vC₁²＝0.00153

(5)换气次数比例尺：Ca＝C_GC_l^-3＝2.64

(6)气流热量和热强度比例尺:

 

 

(7)热源热量和热强度比例尺(末考虑辐射换热)

 

 

 

 

本实验模型按1:12对实型进行缩小。模型示意图2如下。

 

图2

 

在实验中，用电炉模拟钢渣，由风道输送热风通过电炉丝，形成圆环射流，在射流侧上方设置排风罩浦集污染气流，含尘气流用C0₂作为示踪气体模拟。在实验设计中，先要求出实型的热源发热量、射流风量、排风罩风量等，然后用相似比例尺确定模型的热源功率、圆环射流的出口风速、排风罩的大小和风量以及相应风管的尺寸。通过模型实验，可以求出由排风罩诱导的环境气流对浮射流产生影响引起的温度场、速度场和浓度场，热源设计、射流设计和风机风量确定如下。

 

 

在实型中，钢渣的热强度很大，实验模型中无法达到此热强度，但考虑模拟钢渣的换热，热源的换热主要有以下两部分：

 

2.4.1.1对流换热量Qc

 

在实型中，由于钢渣倒落时对空气形成挤压作用，并形成一圆环浮射流，故空气与热源之间是一强制对流换热过程，其换系数无可查询，因此，我们考虑用空气的温升得热来计算对流换热量，即：

 

 

 

 

上式中，F₀为圆环射流出口面积，m²；v₀为射流出口风速，m/s；C₀为射流出口风量;ρo、C_P对应于射流出口温度160℃的密度和定压比热；ΔT为射流出口温度与环境温度之差，℃.

 

2．4．1．2辐射换热量Q_r

Q_r＝EF＝4209．4kW

对应的模型辐射换热量为:

Q_r′＝C_EEC_FF＝4.30kW

 

若用电炉模拟钢渣热源，因电炉温度低于1000℃，热强度将达不到要求，所以本实验用电炉模拟全部辐射热和部分对流热，其它对流热由空气加热器提供。算得模型热源的辐射换热量4.30kw，对流换热量6.57kW，根据计算，电炉的对流换热量和辐射换热量在本实验的条件下保持已定比例，约为1：1，故取电炉功率为8kW，预计用于加热空气和向周围环境辐射的热量为4kW，从而满足了热源辐射换热量Q_r′的要求。为了加热空气所需的其它热量2.57kW通过空气加热器预热取得。

 

 

要使空气加热到95℃，并形成具有已定初速度的射流，单靠电炉与空气的自然对流是达不到所需的换热量和空气流速的，因此，必须用风机送出具有一定流速的空气，并把这股空气预热，以便预热后的空气经过电炉丝后，能形成所需出口风速和风温的射流。预热的空气量为：

C₀′＝C_GG₀=519m³／h

预热功率为2．57kW

 

这样，经过空气加热器和电炉丝以后的浮射流起始速度为

u′＝C_vu＝1.32m／s

 

 

为了排除大空间内的含尘浮射流，拟在浮射流上方设置四个排气罩,在进行模型实验前，可以按流量比法估算诽气罩的风量^[4]，以便选用风机，计算公式为：

L＝L₀[1十mK_L(Δt)]

 

式中L——风机风量，m³／h;

L₀——污染气体发生量m³／s；

m———考虑干扰气流影响的安全系数,此处取5；

K_L(Δt)——硫量比。

L₀＝G₀＝94.25m³/s, L＝2833.3m³／s＝1020×10⁴m³／h。

对应的模型风机风量为:

L′＝C_GL＝0.6460m³/s＝2325m³／h

 

当改变排气罩个数时，可以调节罩口风速；改变排气罩的高度、深度和倾角时，可以调节罩口气流方向。通过上述工况的改变，可以得出在某一条件下，排出的含尘气流量与室内气流组织达到最佳状态，此时的排风量应为最佳排风量物L_opt(小于L′)，本实验的目的正是要找出L_opt。

 

 

 

为找出最佳的排气罩形状和尺寸，用三合板制作矩形和圆形两种排气罩，每种排气罩配备两种尺寸，对矩形排气罩，还在其中设置横向条缝和竖向条缝，对各种排气罩，再分设档板和不设档板两种，从而使排气罩的种类增加到十二种。然后，用乙二醇作示踪气体，观察各种排气罩对含尘气流的抽吸率，定性地找出最佳排气罩形状、尺寸、个数及其倾角。

 

 

找出最佳的排气罩形状、尺寸、个数和倾角后，用铁皮制成实际的排气罩，并将此排气罩置于不同的位置(由于工艺上的要求和限制，主要考虑在侧面高度方向调节)，然后，用乙二醇作示踪气体，在不同的排风量下，观察排气罩对含尘气流的抽吸率，定性地找出最佳排气罩高度。

 

在此高度上，固定住排气罩，用C0₂模拟含尘气流，加入到从圆环排气罩出来的浮射流中，形成实际的含尘气流，此时，在不同的排风量下，计算从排气罩排出气流的含尘百分比和含尘量，当要求直接排出的含尘量超过70％时，可以找到一个最佳排风量，这就是本实验的目的。

 

 

 

实验表明：

(1)矩形排气罩比圆形排气罩效果要好；

(2)排气罩四周加上挡板以后，捕集含尘气流的效果明显增强，这主要是因为加上挡板后，减少了进入排气罩的污染较少的气流；

(3)加竖向条缝比加横向条经效果要好；

(4)不加条缝比加条经效果好，这主要是因为，尽管增加条缝提高了罩口气流速度，有利于

烟尘捕集，但条缝的设置减少了罩口面积，阻碍了烟尘的捕集；

(5)排气罩应尽量向主射流方向倾斜，在本实验中，倾角定为30^o；

(6)排气罩宜采用流线型。

综上所述，四周加挡板的有一定倾角的矩形排气罩是最佳排气罩，实验中经比较，排气罩尺寸定为400×200mm

 

 

实验表明，排气罩安装高度以距离热源高些为宜，因为在较高位置上，射流速度衰减较大，从而排气罩的抽吸作用容易使射流发生偏转，增大了含尘气流的抽吸量，但排气罩也不宜太高，因为在太高的地方，射流的扩散面较宽，反而使较多的含尘量较少的气流进入排气罩，减少了烟尘的同排出量。一般建议排气罩设在射流主体段中部，在本实验中，考虑到工艺影响，排气罩最佳安装高度取为距热源1.17M。

 

排风量和烟尘排出量的实验结果见下表：

 

 

射流出口速度1.32m／s，风量为519m³/h,C0₂浓度1150ppm，含量0．6m³/h

注：表中CO₂浓度系扣除CO₂背景浓度所得值。

排风量和烟尘捕集百分比的关系曲线见图3。

 

图3

 

由图可见，当排风量为1530m³/h时，烟尘捕集效率已经达到75．5％，但当风量增加到2140m³/h时，效率有所降低，这主要是因为从排气罩排出的气流中混入了较多的射流周围污染较少的气流，当风量大大增加至3060m³/h时，效率基本上不变，捕集效率将有一个极限。

 

因此，可以认为，最佳排风量为1530m³/h，对应于实型中的100万m³/h，比流量比法估计值1020万m³/h要小得多，说明在此类问题中采用流量比法计算排风量不合适。

 

(1)当模拟强热源诱导的浮射流时，对热源部分采用Ra＝GrPr数，并使它达到自模拟，对射流部分采用Ar数，并由此计算出各个物理量的相似比例尺的处理方法是可行的；

(2)理钢铁、焦化、机械等企业中的二次扬尘问题，采用抽吸气流的全面通风方法是可行

的，但必须采用合理的排气罩形式和排风量；

(3)排风罩采用四周加挡板的有一定倾角的矩形排气罩是最佳排气罩；

(4)排风罩的设置高度宜在射流主体段中部，在本实验中，排气罩最佳安装高度取为距热源1.17m ；

(5)排风罩对烟尘的直接捕集效率有一个极限值，在极限值之前还有一个峰值，这个峰值对应的排风量就是最佳排风量，在本实验中，最佳排风量为1530m³/h，对应于实型，排风量为100万m³／h，换气次数为16．7次/h，此时，烟尘直接捕集效率为75．5％；当要求烟尘直接捕集效率为60％时，可以设计排风量为70万m³/h，换气次数为11．7次/h，当要求烟尘直接捕集效率为50％时，可以设计排风量为40万m³/h，换气次数为6．7次／h；

(6)本实验的成果可以作为类似工程的设计依据和相关设计手册的基础数据。

 

1国家工业污染源调查办公室编．全国工业污染源调查评价与研究(总论)、中国环境科学出版社，1990

2c c库塔捷拉泽著．蒋章焰等译．热物理学相似分析．科学出版社，1987

3余常昭编．紊动射流，高等教育出版社．1993

4林太郎等．贾衡等译，工业通风与空气调节，北京工业大学出版社，1988