1、本科毕业论文（20 届）高炉出口吸尘罩结构优化模拟研究所在学院 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要-I-摘 要随着经济和社会的高速发展，人们对环境质量要求也越来越高，国家也制定了相对严格的环境保护法律法规。高炉炼铁是钢铁生产中的最重要的一环，但高炉炼铁烟气及粉尘排放是大气环境恶化的重要原因之一。因此，提高高炉除尘效率是提高环境质量，优化生态环境的重要举措。对于通风除尘系统来说，吸尘罩是其重要部件之一，吸尘罩设计的好坏直接影响了除尘效果。由于现有的伞形吸尘罩的吸尘效果远远未达到高规格的要求，本文提出了一种新型的配气式吸尘罩。配气主要起了两个作用，一是在尘源外形成气
2、幕，防止粉尘外溢；二是起到卷吸的作用。本文利用 ANSYS 软件，对高炉吸尘罩进行了数值模拟研究,模拟了不同配气风速和不同配气气流角度，得到了配气式吸尘罩最佳结构参数，为工程实际提供理论依据。关键词 高炉出口除尘；吸尘罩；数值模拟Abstract-II-AbstractWith the rapid development of economy and society, people are getting higher and higher requirements on the environment quality, and the state had developed a relati
3、vely strict environmental protection laws and regulations. Blast furnace iron is the most important part in iron and steel production, but the dust emission of blast furnace is one of the important reasons for the deterioration of air environment. Therefore, improving the efficiency of blast furnace
4、 dust removal is an important measure to improve the environment quality and optimize the ecological environment. Dust removal hood is one of the important parts of the ventilation system, dust collector design is directly affected by dust removal effect. Due to the existing umbrella dust shield eff
5、ect of the dust is far from reaching high specification requirements, this paper proposes a model of gas distribution type dust suction hood. Gas distribution plays two main roles, the one is the dust source outside the formation of gas curtain, prevent dust spillover; the other one is the role of e
6、ntrainment. In this paper, the numerical simulation of the blast furnace dust hood was carried out by using ANSYS software. The optimum structure parameters of the air distribution vacuum cleaner was obtained by simulating the different air velocity and gas flow angles, that is theoretical basis for
7、 engineering practice.Keywords Export blast furnace dust removal; Numerical simulation; Dust hood目 录-III-目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 吸尘罩的研究现状 .11.2 本课题的来源 .21.3 本文主要内容 .41.4 本章小结 .5第 2 章 高炉炼铁的方法 .52.1 高炉炼铁的基本原理 .62.2 高炉炼铁用的原料 .72.3 高炉炼铁主要工艺设备简介 .72.3.1 高炉本体 .82.3.2 高炉除尘设备 .82.3.3 高炉鼓风机 .82.3.
8、4 高炉热风炉 .92.3.5 铁水罐车 .92.3.6 高炉喷吹煤粉 .92.5 本章小结 .9第 3 章 吸尘罩的设计与计算 .103.1 吸尘罩的设计原则 .103.2 吸尘罩集气吸尘机理 .103.2.1 吸入口气流运动规律 .103.2.2 吹出气流运动规律 .113.3 伞形吸尘罩的设计计算 .123.3.1 按罩口的平均风速设计计算 .123.3.2 按罩口周边截面的平均风速设计计算 .133.3.2 有上升热气流的吸尘罩 .143.4 本章小节 .14第 4 章 高炉出口吸尘罩数值模拟研究 .154.1 计算流体力学简述 .154.2 软件简述 .154.3 高炉出口气流分布原
9、理 .16目 录-IV-4.3.1 高炉出口气流分布状况分析 .164.3.2 高炉出口烟尘的数学模型 .184.4 高炉出口吸尘罩模拟研究 .194.4.1 流场模型及网格划分 .194.4.2 边界条件 .204.4.3 数值模拟结果及分析 .204.5 本章小节 .22结 论 .23参考文献 .24谢 辞 .26第 1 章 绪论-1-第 1 章 绪论1.1 吸尘罩的研究现状吸尘罩是除尘系统中主要的构件，吸尘罩的设计是否合理对高炉除尘有重要的影响。近年来，随着环境法律法规的制定实施及环保标准日趋严格，对吸尘罩的除尘效果也有了越来越严格的要求。因此，为了满足高效的除尘要求，吸尘罩的形式也越来
10、越多样化。按照吸尘罩结构形式的不同,吸尘罩可分为伞形吸尘罩、旁侧吸尘罩和条缝吸尘罩 3 种形式 1如图 1.1 所示。图 1.1 吸尘罩的形式郭蕾、朱新才 2等人通过已建立的吸尘罩结构模型，改变吸尘罩结构参数，模拟了不同扩展角对吸尘罩内部流场的影响。在郭蕾等人的研究中，在利用FLUENT 软件进行模拟时，选用了欧拉拉格朗日方法的离散模型，在计算时采用了标准紊流模型，通过 SMPLE 算法及二阶迎风格式 对控制方程进行求解，求解时所采用的理论为气固两相流湍流状态的动量、质量和能量守恒方程组的离散化处理。网格划分时，网格类型选用三角形。这是因为三角形网格和其他类型的网格相比，有以下优点：可以有效地
11、避免节点的结构化限制且节点和单元分布的可控性能较好。提出了当吸尘罩的扩张角为 60至 90时，吸风罩内部速度场分布均匀，无明显的涡流、回流等现象。第 1 章 绪论-2-田中伟、左为恒 3建立了吸尘罩流场模型并确立了边界条件，应用FLUENT 软件模拟了不同罩口风速即不同的除尘风量条件下吸尘罩的温度场和速度场，并且对比分析了不同的吸尘罩罩口风速对尘源的控制作用的影响,获得了理想的数值模拟结果。通过该数值模拟过程，得出了运用 CFD 数值模拟软件可以模拟实际相情况下各种不同参数的变化，从而获得较好的除尘效果，满足节约能源和环境保护的要求。由于传统吸尘罩的自身存在的缺点，如横向气流对吸尘罩口流场影响
12、，同时，横向气流也增加了吸尘罩的排风量，增加了电能消耗。基于此，人们提出了一克服传统吸尘罩缺点的新型设备，那就是在吸尘罩吸风口处加装配气装置。配气和原气流混合形成新的控制气流，这种吸尘罩又称为气幕上吸罩。根据吸尘罩的作用和构造的区别，可以分密闭罩和半密闭罩等形式。根据密封吸尘罩工艺使用要求的不同，主要有局部罩、大容罩和整体罩三种形式。密封吸尘罩需配风风量小，并且采用密封的形式，可以避免吸尘罩外部气流对吸尘罩的影响，大大优化了除尘效果。根据半密闭吸尘罩结构不同，可分为箱式和柜式。根据生产现场的工艺特点，柜式吸尘罩的排风方式分为上排风、下排风和上下联合排风。当污染源不能完全密闭时，这时考虑使用半密
13、封罩，根据半密封罩的安装位置的差异，有顶吸式和侧吸式两种。因为这种吸尘罩的外形形似伞形，故称为伞形罩。尽管外部吸尘罩的结构简单，制作方便，但是容易受到外部气流的干扰。所谓吹吸罩是指在吹气气流和吸气气流共同作用时的吸尘罩，主要分为气幕式吸尘罩和旋风式吸尘罩两大类。吹吸罩有吸风量小，控制污染效果好，抗干扰能力较强，不影响工艺操作等优点。通过改变吸尘罩配的风量，能够有效的控制污染物的扩散，进而提高除尘效果，降低能耗。当今世界，国内外机构对二维气幕上吸罩研究已达到了较高的水平，但三维气幕上吸罩的研究水平还比较落后，有待进一步发展。1.2 本课题的来源近年来，随着经济、社会的快速发展，普遍存在着环境污染
14、重、能源利用率低等问题，而正是这些问题又严重制约了我国工业乃至整个国民经济的可持续发展。现代化工业给人类带来了巨大的社会经济效益，但同时产生了一系列的环境污染问题，其中烟尘的排放是现代化工业带来的重要问题之一。随着人们对大气污染治理问题深入的探究，人们对固体颗粒、粉尘和烟雾的物理和化学特性有了比以前更深刻的认知。高炉生产的污染物必须做到达标排放是高炉炼铁环境保护设计的基本要求。新建和改造的高炉环境保护治理设施应采用先进的技术、稳定的工艺和设备，使排放的污染物浓度和数量低于排放标准。第 1 章 绪论-3-在高炉炼铁过程中，高炉出口散发烟尘是钢铁厂的主要污染源之一。近人年来，随着高炉炼铁技术的发展
15、，高炉炼铁呈现大型化，随之而产生问题是环境问题也也越来越突出。如果不采取行之有效的方法捕集和净化烟尘，将会对人类的身体健康和生存环境产生极大的危害。因此，为了满足日益严格的环境排放标准，需要提高高炉出口烟尘捕集效率，从而强化除尘效果。在高炉生产过程中，烟气粉尘浓度对人体有重要的影响，当烟尘浓度平均低于 1mg/m3 时，对人体不会造成任何伤害，浓度在 13mg/m 3 范围内，对人体有较轻的危害，高于 3mg/m3 时，会对人体造成较严重的伤害，烟尘浓度最高允许值为 10mg/m3。虽然烟尘不会对人体造成直接的伤害，但间接地会对呼吸道和眼睛等人体器官会造成严重的损伤。烟尘粒径大于 10 微米的
16、粉尘在空气中停留时间较短，通过呼吸作用的净化，粉尘会严格的阻断在肺泡以外。长时间的处在这种工作环境下，工人们会很容易患有支气管炎、哮喘和肺气肿等疾病，严重时会导致致癌。当烟尘粒径小于 10 微米以下时，烟尘直接进入到人的肺部组织，随着不断地积累，烟尘沉淀于肺泡中，有可能引起肺组织的慢性纤维化，甚至导致肺心病、心血管病等一系列病变。而且随着烟尘进入人的肺部的还有多种污染物或病菌带，这些病菌对人的身体健康会造成很大的危害。烟尘如果进入人的眼睛内，会对人的眼睛造成较严重的伤害。此外，空气中漂浮性的烟尘导致生产设备的非正常化磨损，严重地缩短了生产设备的使用寿命，大幅度增加了设备的维护成本，从而对企业的
17、生产效益产生无法估计的损失。高炉炼铁的主要废气排放源有出铁厂、煤粉设备炉顶装料、热风炉和矿焦槽等，主要污染物为烟尘和粉尘及烟气。污染的主要特点为：1、高炉产生过程中废气生产点较多，产生的粉尘量大，烟气含尘浓度较高，对大气的污染较严重。2、粉尘具有回收利用价值。炼铁厂粉尘含铁量一般在 50%左右，回收后可以作为烧结原料。在高炉炉内燃料燃烧会产生大量烟气，烟气中并含有的量的固体颗粒，这些烟尘对人的伤害极大。排到大气中的烟尘会与空气相结合，当人呼吸时吸入了含有污染物的空气后，烟尘就会不断的在人体内积累，危害人的健康。另外，对于高炉产生的烟尘如果不采取处理措施，这些烟尘就会扩散到大气中去，对大气环境会
18、造成严重的污染。考虑到烟尘较严重的危害，就要在高炉炼铁生产工艺中设置通风除尘系统。通风除尘系统具有较强的可变性，在通风除尘系统的设计过程中要结合厂房环境、生产工艺、设备情况等众多因素进行综合考虑。在工业生产过程中通风除尘系统得到了大规模的应用。所谓通风除尘系统 3就是利用送风机输送具有一定速度的风，一定速度的风在尘源附近形成气幕，然第 1 章 绪论-4-后利用抽风机将烟尘经吸尘罩送人除尘器，经除尘后排入大气或着另作它用。吸尘罩在通风除尘系统中占有举足轻重的地位，吸尘罩的设计对通风除尘效果的好坏起着决定性作用。吸尘罩主要作用是将烟尘收集起来，吸尘罩一般位于尘源附近，由于吸力的作用会在罩口附近形成
19、负压。通过压差的作用，粉尘进入吸尘罩内。吸尘罩是在吸气口气流运行规律的原理基础上设计出来的。所谓的吸气口运行规律就是将吸气口近视认为为一个点，当吸气口吸气时会在吸气口附近形成负压区，由于负压区的存在会造成一定范围内的空气流动。如果将吸尘罩近视认为是一个吸气口，那么通过一定的负压作用后，就会在吸尘罩的一定范围内形成空气流动，将粉尘吸进吸尘罩内。性能较好的吸尘罩能较有效的将尘源所散发出来的烟尘加以捕集，经过管道送至除尘设备。为了提高烟尘的捕集效果，一般讲吸尘罩安置在尘源上方或者附近，并且要保证吸尘罩有足够的封闭性，吸尘罩内要维持一定的负压。要想吸尘罩内维持一定的负压，需要选择合适的抽风量。保持吸气
20、口处烟尘有足够的流速，使烟尘从吸尘罩内经过抽气口排出，同时也要防止因抽气量过大而造成大颗粒粉状物扬起。在工业生产中，除尘设备中吸尘罩的使用效果越好，也就意味着越能满足实际生产和环境保护的要求。1.3 本文主要内容 首先，是高炉炼铁的基本概述，其主要内容是高炉炼铁的工作原理、高炉结构和高炉除尘工艺等内容。其次，是吸尘罩的设计及计算原则，其主要内容是吸尘罩的工作原理及尺寸确定方法。最后，是对吸尘罩配气参数的数值模拟，其主要包含以下几个方面：1、进行数据采集通过现场实习，获得吸尘罩内高炉烟气压力、吸尘罩外的大气压力、高炉烟气流速等参数，并确定吸尘罩的结构形状。2、建立吸尘罩的数学模型，画出实体模型高
21、炉出口烟尘的流动模型为气固两相的湍流流动，忽略烟尘颗粒间的相互作用。只考虑气体对颗粒物的作用，而不考虑颗粒对气体的影响采 k 紊流模型模拟气相流动。3、利用 ICEM CFD 进行网格划分利用软件 ICEM CFD 划分网格，根据模型特点，选用二维壳网格，网格形状选用三角形，划分网格的质量直接影响计算时的收敛性，三角形的网格可以避第 1 章 绪论-5-免结构化网格中节点的结构性限制，网格中的节点和单元分布均会有较好的可控制性，因而在模拟过程中能较好地处理边界问题，提高模拟的准确性。4、进行数值模拟根据现场采集的数据，如吸尘罩结构参数等，利用数值模拟软件 FLUENT 根高炉出口吸尘罩流场进行模拟，以期获得流线非常平滑顺畅的流场，这样可以有效减小配气量和降低能源消耗。1.4 本章小结本章主要介绍了近年来通风除尘系统中吸尘罩研究状况，对比分析了现有各种形式吸尘罩的优点，同时也指出现有吸尘罩存在的一些问题，最后对本课题的来源以及本文主要内容进行了简明介绍。
