沖天爐除塵風(fēng)量與“防塵規(guī)程”中的疏誤

張 明（威?？婆d鑄造機械有限公司，山東威海市 264205）

沖天爐除塵風(fēng)量與“防塵規(guī)程”中的疏誤

張 明（威?？婆d鑄造機械有限公司，山東威海市 264205）

本文圍繞2007年版《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》中有關(guān)沖天爐的除塵風(fēng)量，在說明沖天爐除塵風(fēng)量計算方法的基礎(chǔ)上，分析了該規(guī)程產(chǎn)生疏誤的原因，指出了其中的疏誤，對沖天爐除塵系統(tǒng)的設(shè)計與施工有一定參考意義。

沖天爐；除塵技術(shù)；國家標(biāo)準(zhǔn)

沖天爐除塵系統(tǒng)風(fēng)量與沖天爐的熔化率及除塵接口的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，在保證工作環(huán)境符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、粉塵濃度達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上，減少除塵風(fēng)量有利于降低除塵設(shè)備投資及其運轉(zhuǎn)費用。由于工作原因，筆者反復(fù)研讀了2007年版《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》（GB8959—2007）文本，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)在沖天爐除塵風(fēng)量的計算原則與推薦數(shù)據(jù)兩方面均存在一些疏誤，因此寫成此文供討論研究。

沖天爐的除塵風(fēng)量來源于焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣、通過除塵系統(tǒng)中的口洞進(jìn)入的空氣兩大部分，分別說明如下。

1 焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量估算

焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量可根據(jù)焦炭成分及其消耗、熔劑及其消耗、空氣中的水分、爐氣成分等進(jìn)行計算，但有關(guān)計算比較繁復(fù)，得到的結(jié)果也不一定有意義，因此一般用沖天爐的入爐風(fēng)量估算焦炭燃燒所產(chǎn)生的爐氣量。沖天爐的入爐風(fēng)量一般按其熔化率計算，如下式：

式中：Q風(fēng)——沖天爐的入爐風(fēng)量，Nm3/min；

β——單位熔化率的入爐風(fēng)量，（Nm3/min）/（t/ h），一般取β=12.5（Nm3/min）/（t/h）[1]；

q——沖天爐的熔化率，t/h。

如果忽略空氣與焦炭中的水分、焦炭中的硫分、石灰石分解生成的CO2，不計爐氣中的水蒸氣、SO2、HF、NOX等其它氣體,僅計算其中的N2、CO2與CO三種氣體，則可以通過燃燒比得到（計算過程略）焦炭燃燒所產(chǎn)生的爐氣量與入爐風(fēng)量之間的關(guān)系：

式中：Q0——焦炭燃燒所產(chǎn)生的爐氣量，Nm3/h；

ην——沖天爐的燃燒比。

焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量與入爐風(fēng)量之間的比值可稱之為爐氣量計算系數(shù)α，顯然：

按照上式得到表1，可以清楚看出燃燒比ην與計算系數(shù)α之間的數(shù)值關(guān)系。

表1 燃燒比ην與計算系數(shù)α之間的數(shù)值關(guān)系

在此應(yīng)該特別指出，燃燒比按脫離焦炭層后的爐氣成分計算所得。而爐氣脫離焦炭層后，其中的CO可能在加料口、或者在爐氣燃燒器中與空氣燃燒生成CO2，使?fàn)t氣的量值發(fā)生變化，因此計入除塵系統(tǒng)的爐氣量并不一定等于焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量。同時應(yīng)該指出，用入爐風(fēng)量估算焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量，其中忽略了爐氣中的水蒸氣、SO2、HF、NOX等成分。

2 進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量

沖天爐除塵系統(tǒng)內(nèi)一般呈負(fù)壓狀態(tài)，空氣可能從沖天爐的加料口、煙囪、包括管道縫隙等處進(jìn)入除塵系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的爐氣處理量。進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量與沖天爐與除塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，圖1、圖2、圖3按照除塵接口與加料口的相對位置，分別歸納了除塵接口的類型。各種除塵接口所對應(yīng)的空氣進(jìn)入量分別說明如下：

2.1 除塵接口位于加料口上部

除塵接口位于加料口上部時（見圖1），進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量取決于加料口的大小及其開口風(fēng)速，如果空氣可以通過煙囪口進(jìn)入除塵系統(tǒng)，煙囪的直徑及其開口風(fēng)速也決定進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量。

圖1 除塵接口位于加料口上部1.除塵接口 2.加料口 3.煙囪 4.煙囪頂蓋

圖1（a）中，空氣可以通過加料口進(jìn)入除塵系統(tǒng)，還可以通過煙囪進(jìn)入，空氣量按下式計算：

式中：Q空——進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量，Nm3/h；

a，b——加料口的高度與寬度，mm；

ν加——加料口的開口風(fēng)速，m/s；

d煙——煙囪內(nèi)徑，mm；

ν煙——煙囪口的開口風(fēng)速，m/s。

圖1（b）不存在空氣通過煙囪進(jìn)入系統(tǒng)的可能性，通過加料口進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量按下式計算：

Q空=3.6abν加×10-3

圖1（c）中煙囪設(shè)有頂蓋，頂蓋開啟時空氣可以通過煙囪進(jìn)入除塵系統(tǒng)，其空氣量計算方法同圖1（a）；煙囪頂蓋關(guān)閉時，空氣量計算方法同圖1（b）。

2.2 除塵接口位于加料口下部

當(dāng)除塵接口位于加料口下部時（見圖2），空氣通過加料喉部進(jìn)入除塵系統(tǒng)，進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量不受加料口尺寸的影響，影響空氣量的因素包括加料喉部直徑、喉部斷面風(fēng)速、爐料柱的阻力等。

圖2 除塵接口位于加料口下部1.除塵接口 2.加料口 3.爐料柱 4.冷卻水套

圖2（a）中的除塵接口在滿料時被爐料覆蓋，空料時暴露在大氣中。由于爐料的阻隔作用和料面波動的原因，進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量有一定波動。料面最低（空料）時進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量最大，其最大量為：

式中：Q空m——由加料喉部進(jìn)入除塵系統(tǒng)空氣的最大量，Nm3/h；

d喉——加料喉部直徑，mm；

ν喉——加料喉部斷面風(fēng)速，m/s。

圖2（b）中的除塵接口始終處于料面以下，由于爐料柱的阻隔作用，進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量稍小于圖2（a），進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量也有一定波動。

圖2（c）為熱風(fēng)水冷長爐齡沖天爐常用的爐氣接口，空氣始終需要穿透一定高度的爐料柱才能到達(dá)除塵接口。由于爐料柱對空氣的阻隔作用，進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量最小。進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量可用下式計算：

式中：Q空——由加料喉部進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量，Nm3/h；

λ——空氣穿透爐料柱的斷面風(fēng)速，m/s。

2.3 除塵接口位于加料口對面

除塵接口位于加料口對面時（見圖3），進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量取決于抽取爐氣的罩面面積、罩面的空隙率與罩面風(fēng)速等，不再取決于加料口及其開口風(fēng)速、煙囪直徑及其開口風(fēng)速，其具體計算方法需要參考通風(fēng)除塵設(shè)計手冊的有關(guān)部分。

圖3 接口位于加料口對面

3 沖天爐除塵風(fēng)量

計算沖天爐的除塵風(fēng)量需首先考慮熔化率的波動范圍，按照最大熔化率確定焦炭燃燒所產(chǎn)生的爐氣量，同時要根據(jù)除塵接口的具體結(jié)構(gòu)分析由有關(guān)孔洞進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量。

3.1 加料口上部抽風(fēng)且加料口與煙囪口敞開的除塵風(fēng)量

在圖1（a）中,如果取單位熔化率的入爐風(fēng)量β= 12.5（Nm3/min）/（t/h）、爐氣量計算系數(shù)α=1.05、加料口與煙囪口的開口風(fēng)速ν加=ν煙=1.2m/s、沖天爐的最大熔化率為名義熔化率的1.25～1.35倍，可以計算出1～20t/h上部抽風(fēng)且加料口與煙囪口敞開沖天爐的除塵風(fēng)量（見表2），供參考。

3.2 沖天爐加料口下部抽風(fēng)的除塵風(fēng)量

在圖2（a）中,如果取單位熔化率的入爐風(fēng)量β= 12.5（Nm3/min）/（t/h）、爐氣量計算系數(shù)α=1.05、加料喉部的斷面風(fēng)速ν喉=1.2m/s、沖天爐最大熔化率為名義熔化率的1.25～1.35倍，可以計算出下部抽風(fēng)1～20t/h沖天爐的除塵風(fēng)量（見表3）。

應(yīng)該說明，由于本文圍繞著《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》中的疏誤展開，計算盡量采用了該標(biāo)準(zhǔn)所推薦的有關(guān)數(shù)值，因此上述計算所得的除塵風(fēng)量并非完全合理可靠。

3.3 除塵風(fēng)量與入爐風(fēng)量的關(guān)系

①加料口上部抽風(fēng)。表4以表2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了上部抽風(fēng)且加料口與煙囪敞開沖天爐的除塵風(fēng)量與最大入爐風(fēng)量（單位已換算成Nm3/h）、焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量等之間的比值?？梢钥闯?，上部抽風(fēng)且加料口與煙囪敞開的1～20t/h沖天爐，其除塵風(fēng)量與最大入爐風(fēng)量的比值在3.00～5.81之間，除塵風(fēng)量與焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量的比值在2.85～5.53之間。

②加料口下部抽風(fēng)：表5以表3數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了下部抽風(fēng)沖天爐的除塵風(fēng)量與最大入爐風(fēng)量（單位已換算成Nm3/h）、焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量等之間的比值。下部抽風(fēng)時，控制爐氣不從加料口外溢的關(guān)鍵截面為加料喉部尺寸，而非加料口尺寸?？梢钥闯觯虏砍轱L(fēng)的1～20t/h沖天爐，其除塵風(fēng)量與最大入爐風(fēng)量的比值在1.55～1.64之間，除塵風(fēng)量與焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量的比值在1.48～1.56之間。

表2 上部抽風(fēng)且加料口與煙囪口敞開的除塵風(fēng)量

表3 沖天爐下部抽風(fēng)時的除塵風(fēng)量

表4 加料口上部抽風(fēng)沖天爐的除塵風(fēng)量與最大入爐風(fēng)量的比值

表5 沖天爐下部抽風(fēng)時的除塵風(fēng)量

3.4 沖天爐有關(guān)著述的疏誤

①《沖天爐手冊》：該手冊在國內(nèi)影響很大，在其沖天爐煙氣除塵凈化部分曾論斷[2]：沖天爐的煙氣由燃燒產(chǎn)生的爐氣與加料口吸入的冷空氣兩部分組成，冷空氣的吸入量約為爐氣量的4倍左右，并給出了除塵風(fēng)量的計算公式。由于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量近似等于入爐風(fēng)量，因此按此論斷容易得出沖天爐的除塵風(fēng)量約為其送風(fēng)量5倍的結(jié)論。該手冊提出的有關(guān)論斷存在一定疏誤，通過送風(fēng)量（或焦炭燃燒產(chǎn)生的爐氣量）計算沖天爐的除塵風(fēng)量容易造成資源浪費，因此不能作為沖天爐除塵風(fēng)量計算的依據(jù)。該手冊的有關(guān)論斷可能對《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》產(chǎn)生了一定的誤導(dǎo)作用。

②《沖天爐技術(shù)手冊》：新出版的《沖天爐技術(shù)手冊》[3]在沿用《沖天爐手冊》有關(guān)論斷的基礎(chǔ)上，提出了“沖天爐的排風(fēng)量約為送風(fēng)量的2.5～4倍”的論斷。但是該手冊給出的1～15t/h加料口敞開沖天爐的除塵風(fēng)量（見表6）接近于本文表2數(shù)據(jù)，兩者的差別可能源于計算所用沖天爐的結(jié)構(gòu)尺寸不同。該手冊給出的加料口封閉沖天爐的排風(fēng)量與2007年版的《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)數(shù)據(jù)非常接近，10t/h與15t/h沖天爐的排風(fēng)量同樣不可信地相差11m3/ min，因此有關(guān)數(shù)據(jù)很可能來源于《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》，見表6與表7。

4 《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》中的疏誤

《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》（GB8959—2007）[4]，在沖天爐除塵風(fēng)量計算原則、除塵風(fēng)量推薦值兩個方面存在著明顯的疏誤，分別說明如下。

表6 1～15t/h沖天爐的排風(fēng)量

表7 沖天爐的排風(fēng)量（該標(biāo)準(zhǔn)附錄A節(jié)錄）

4.1 規(guī)定的除塵風(fēng)量計算原則存在疏誤

該標(biāo)準(zhǔn)第9條為“爐窯的除塵措施”，其中第9.2為沖天爐的除塵措施，包含5個條款。第9.2.4款規(guī)定：“沖天爐的設(shè)計排風(fēng)量按爐子鼓風(fēng)量乘以1.05～1.10系數(shù)與加料口進(jìn)風(fēng)量之和考慮。加料口的入口風(fēng)速宜按1.0～1.2m/s計算。”該條款存在下列問題：

①該標(biāo)準(zhǔn)的第9.2條款屬于沖天爐除塵的原則與方法，但其中未根據(jù)沖天爐除塵風(fēng)量與爐氣溫度波動范圍大、粉塵濃度高等特殊技術(shù)問題作相關(guān)規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)第9.1.3條款規(guī)定：煉鋼電爐“通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)應(yīng)按冶煉氧化期最大煙氣量考慮”，但對沖天爐未作相應(yīng)規(guī)定。

②該條款僅僅考慮了空氣由加料口進(jìn)入除塵系統(tǒng)，忽視了空氣通過煙囪、加料喉部進(jìn)入系統(tǒng)的可能性，存在著明顯的疏漏。

③該條款中的“加料口的入口風(fēng)速宜按1.0～1.2m/s計算”，有死板教條之嫌。規(guī)定開口風(fēng)速的目的在于防止?fàn)t氣外逸，加料口較小的沖天爐，爐氣不易外逸，可取較小的開口風(fēng)速，否則取較大開口風(fēng)速。應(yīng)該將開口風(fēng)速的推薦范圍擴大至1.0～1.5m/s，由設(shè)計者根據(jù)項目的實際靈活選用。

4.2 附錄推薦的除塵風(fēng)量存在明顯疏誤

該標(biāo)準(zhǔn)在資料性附錄A中給出了熔化率在1～20t/h沖天爐的排風(fēng)量（即除塵風(fēng)量），見表7。

該標(biāo)準(zhǔn)附錄A中關(guān)于沖天爐除塵風(fēng)量的推薦數(shù)據(jù)所存在的問題，分別說明如下：

①附錄A中有關(guān)沖天爐排風(fēng)量數(shù)據(jù)與該標(biāo)準(zhǔn)第9.2.4款的有關(guān)規(guī)定無任何聯(lián)系，兩者之間缺乏必要的邏輯性。

②在附錄A有關(guān)沖天爐排風(fēng)量的數(shù)據(jù)中，加料口下部抽風(fēng)且加料口敞開的排風(fēng)量，可以通過加料口封閉的排風(fēng)量、加料口尺寸、開口風(fēng)速等計算得到（例如1t/h的沖天爐加料口敞開的風(fēng)量：1760+0.9× 0.58×1.2×3600=4015≈4020，m3/h），除此之外的其它數(shù)據(jù)均無來由，缺乏可信性。

③如果加料口下部抽風(fēng)，進(jìn)入除塵系統(tǒng)的空氣量取決于加料喉部的直徑及其斷面風(fēng)速，與加料口尺寸及其是否敞開沒有關(guān)系。該標(biāo)準(zhǔn)附錄A給出了加料口下部抽風(fēng)、加料口啟閉兩種狀態(tài)的除塵風(fēng)量，說明該標(biāo)準(zhǔn)疏忽了此狀態(tài)下的爐氣流動路徑，忽視了使?fàn)t氣不外逸的關(guān)鍵斷面所在。

④加料口上部抽風(fēng)且加料口設(shè)有啟閉裝置時，為防止加料口敞開期間爐氣外逸,需要考慮通過加料口進(jìn)入的空氣量。但不管加料口是否存在啟閉裝置,沖天爐的最大除塵風(fēng)量均指加料口開啟時的風(fēng)量。將加料口分為封閉與敞開兩種狀態(tài)，對確定除塵風(fēng)量無任何實際意義,同時容易混淆除塵風(fēng)量的概念。

⑤附錄A中僅僅給出了沖天爐加料口的尺寸，未給出其它有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，例如煙囪直徑、加料喉部直徑等，也未涉及沖天爐熔化率的波動問題，未說明有關(guān)數(shù)據(jù)的應(yīng)用條件，主要數(shù)據(jù)未經(jīng)過嚴(yán)密的計算，可信度低，缺乏使用或參考價值。

⑥附錄A中推薦的下部抽風(fēng)沖天爐的除塵風(fēng)量明顯偏大，熔化率較大的上部抽風(fēng)沖天爐的除塵風(fēng)量接近于成倍偏大，極易對沖天爐除塵項目的設(shè)計與施工造成誤導(dǎo)，導(dǎo)致資源的極大浪費。

《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》作為鑄造行業(yè)防塵的基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，涉及多種門類鑄造設(shè)備的防塵問題，不可能對沖天爐的除塵問題作過于詳細(xì)的規(guī)定。但是，《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》畢竟屬于國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該具有一定的科學(xué)性、權(quán)威性和指導(dǎo)性，起碼應(yīng)該做到正確無誤。建議及早修正2007年版《鑄造防塵技術(shù)規(guī)程》中存在的疏誤，使該標(biāo)準(zhǔn)在沖天爐除塵領(lǐng)域發(fā)揮應(yīng)有作用。

[1]GB/T2234.1—2008 沖天爐形式和基本參數(shù).北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]劉幼華，胡起萱.沖天爐手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1996：444.

[3] 沖天爐技術(shù)手冊編寫組.沖天爐技術(shù)手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2010:555,591.

[4]GB8959—2007 鑄造防塵技術(shù)規(guī)程.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

鳴謝：西安交通大學(xué)的陸文華先生，在百忙中審閱了該文，提出了重要的修改意見，特表示最衷心的感謝！

Error in Specifications of Dustproof and Wind for Dust Remove from Cupola

ZHANG Ming

（Weihai Kexing Foundry Machinery Co.Ltd.，Weihai 264205，Shandong China）

Aiming at error of wind for dust remove revolved in national standards，upon calculation method of wind for dust remove from cupola,the causes of error have been analysed hence certain reference for design and construction of cupola dust remove system.

Cupola；Dust remove technology；National standards

R136;

A；

1006－9658（2010）03－5

2010－01－07

2010－002

張明（1958-），男，工學(xué)學(xué)士。目前主要從事水冷長爐齡沖天爐、高溫?zé)犸L(fēng)沖天爐的技術(shù)研究與工程項目的設(shè)計、規(guī)劃與施工