集氣罩是氣體凈化系統(tǒng)的重要組成部分，用于收集粉塵及污染氣體并將其導(dǎo)人通風(fēng)、凈化系統(tǒng)，防止污染物向生產(chǎn)車間及大氣擴(kuò)散。集氣罩性能的好壞對(duì)整個(gè)通風(fēng)、凈化系統(tǒng)的效能及運(yùn)行成本影響很大。設(shè)計(jì)合理的集氣罩可使系統(tǒng)以較小的排風(fēng)量獲得最佳的控制效果。在控制效果相同的前提下，排風(fēng)量越大，則整個(gè)凈化系統(tǒng)越龐大，設(shè)備投資、占地面積及運(yùn)行費(fèi)用也越大。因此，集氣罩在凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有非常重要的位置。

    鋁熔煉爐側(cè)爐口集氣罩的排風(fēng)量，大多按照《供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》川(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè))))中的傘形罩排風(fēng)量公式計(jì)算。近年來(lái)，隨著我國(guó)鋁工業(yè)的迅猛發(fā)

展，很多企業(yè)開(kāi)始采用大噸位的熔煉爐及保溫爐，原來(lái)的手工加料和扒渣作業(yè)已無(wú)法適應(yīng)工藝要求，基本被機(jī)械操作所替代，爐口尺寸越來(lái)越大。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)《手冊(cè)》中的排風(fēng)量計(jì)算公式不適合于寬大爐口集氣罩，筆者針對(duì)這種情況，在設(shè)計(jì)}s噸矩形熔爐口集氣罩時(shí)對(duì)排風(fēng)量的計(jì)算方法進(jìn)行了一些修改。

1  75 t燃?xì)馊垆X爐主要參數(shù)

爐子型式:固定式矩形爐;

原料:80%電解原鋁液+20%固體料;

爐子容量:7s t;

爐膛工作溫度:‘i iso℃;

鋁液出爐溫度:700一760℃;

熔化期熔化速率:8 t/h;

燃料:天然氣;

    燃料低發(fā)熱值:4. 18 x 8 096 kJ/ m';

    燃料最大耗量:620 m'/h;

    燒嘴形式:LNOX蓄熱式燒嘴2個(gè);

    電氣控制系紛:采用PLC自動(dòng)控制，爐膛壓力自動(dòng)控制，爐壓控制范圍*100 Pa，控制精度土20 Pa(不包括換向時(shí)爐壓波動(dòng));

    空氣過(guò)剩系數(shù):1.05一1.15;

    主煙道煙氣排放溫度:‘250℃;

    熔化期單位能耗:,75 m'/t鋁;

    爐門(mén)尺寸:10.5 m(寬)x1.5 m(高);

    加料扒渣方式:加料扒渣車;

    車間環(huán)境溫度:27℃。

2爐口集氣罩排風(fēng)量計(jì)算方法

    鋁熔煉爐側(cè)爐口集氣罩排風(fēng)量，通常采用《供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)述如下。

以上各式中p,為爐口的流量系數(shù)，取o.7s;o尸為爐

內(nèi)余壓，取100 Pa;p為煙氣密度，當(dāng)煙氣溫度取爐膛溫度時(shí)}P二1. 293 x 273/( T + 273)二0. 248 kg/m' ; do為爐口當(dāng)量直徑，d。二2abl( a + b ) , a二10. s m,b二1.s m(分別為爐口的寬度和高度);a為氣流紊流系數(shù)，取o.l;y=y/do,y為排風(fēng)罩口至爐口軸線的距離，y二b +0. 12s m(按工藝要求定);Ar為阿基米德數(shù);g

=9. 81 m/sZ，重力加速度;To為爐內(nèi)絕對(duì)溫度/K; T}為周圍空氣絕對(duì)溫度/K;。為由爐口噴出的煙氣速度/m"s-';bo=b/2,b為爐口的高度/m}

    利用上述公式和數(shù)據(jù)計(jì)算出75 t鋁熔煉爐集氣罩最小伸出長(zhǎng)度l二二+b, = 8. 98 m ;爐口排出的起始煙氣量L=a}b}v=1 149 984 m'/h，當(dāng)煙氣溫度T=1 150℃時(shí)，煙氣的質(zhì)量為Ge = pL = 285 265 kg/h o    為避免集氣罩過(guò)熱，必須吸入周圍空氣，使溫度降低到250 }C o假定空氣溫度為27℃，混人的空氣

量Ge =1 151 293 kg/h。因此，集氣罩總風(fēng)量為Go=GB + G} = 1 436 558 kg/h = 212 8451 m'/h，罩口平均風(fēng)速。，= 6. 4 m/s o

    當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)。=I時(shí)}2} , 1 m，天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣量為10.5 m'。熔煉爐燃料(天然氣)最大耗量為620 m'/h，所產(chǎn)生的最大煙氣量為L(zhǎng) = 6 510

m'/ho    從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，按《手冊(cè)》計(jì)算出的爐口集氣罩的煙氣排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際產(chǎn)生的煙氣量，計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重失真。

3.1爐內(nèi)余壓

    爐內(nèi)余壓是煙氣流出的動(dòng)力。按照上述計(jì)算，爐內(nèi)余壓為100 Pa時(shí)，煙氣由爐口噴出的速度為21. 3m/s;進(jìn)人罩口時(shí)，射流軸線至爐壁的距離為6. 65 m,

爐口排出的起始煙氣量為2 l28 451 m'/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熔煉時(shí)燃燒所產(chǎn)生的最大煙氣量6 510 m'/h，更何況爐門(mén)開(kāi)啟時(shí)，燒嘴已停止工作。即使將爐內(nèi)余壓調(diào)整為0. 5 Pa，按上述公式計(jì)算的爐口噴出速度達(dá)1.31 m/s,進(jìn)人罩口時(shí)射流軸線至爐壁的距離為0.88 m,爐口排出的起始煙氣量為91 783 m'/h，也遠(yuǎn)大于燃料燃燒所產(chǎn)生的最大煙氣量。爐門(mén)開(kāi)啟時(shí)，爐膛大面積與大氣相通，爐內(nèi)壓力應(yīng)接近于零。如將爐內(nèi)壓力調(diào)為零，本計(jì)算方法也就失去前提，爐內(nèi)煙氣也就失去動(dòng)力，不會(huì)向外流出，而實(shí)際情況是爐內(nèi)煙氣向外流出。因此判斷，即使?fàn)t內(nèi)余壓確定不當(dāng)，最多也只能分擔(dān)計(jì)算結(jié)果失真的部分原因。

3. 2爐口當(dāng)量直徑

    筆者曾對(duì)寬大爐口煙氣(爐內(nèi)產(chǎn)生大量黑煙時(shí))進(jìn)行了仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)煙氣確實(shí)是由爐內(nèi)向外流出，但并非滿口流，僅占爐口高度的1乃一1/2(上半部)，

出流面積也僅占爐口面積的1/3一1/2。通過(guò)簡(jiǎn)單的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爐口下半部不僅不向外流出煙氣，爐外空氣反而流向爐內(nèi)。因此判斷，按照爐口當(dāng)量直徑

計(jì)算出流面積必將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。

3. 3爐口壓力分布

    由以上分析聯(lián)想到熱壓作用下車間自然通風(fēng)的概念，爐門(mén)開(kāi)啟時(shí)的爐膛就如同一個(gè)散熱強(qiáng)度很大的側(cè)開(kāi)大窗的車間。在爐內(nèi)煙氣產(chǎn)生量不很大的情況

下，爐口處壓力分布應(yīng)如圖3所示。可以看出，空氣由爐口下半部流人爐膛，在爐內(nèi)被加熱后隨同爐內(nèi)產(chǎn)生的煙氣由爐口上半部流出，煙氣流動(dòng)的動(dòng)力并非爐

膛壓力，流出煙氣溫度也不是爐膛溫度，煙氣流出面積更不能按照爐口當(dāng)量直徑來(lái)確定。如仍按照《手冊(cè)》所提供的方法進(jìn)行計(jì)算，就必須調(diào)整爐內(nèi)計(jì)算壓

力、煙氣溫度及煙氣流出面積，但爐內(nèi)計(jì)算壓力和煙氣溫度無(wú)法確定。

4計(jì)算方法的修正

    根據(jù)距有害物源距離的不同，集氣罩可分為低懸罩和高懸罩，小于1 m的為低懸罩，大于1 m的為高懸罩。75 t熔鋁爐的2個(gè)相向?qū)ΨQ的寬大爐門(mén)合流煙氣的流動(dòng)規(guī)律(圖4)與低懸罩(圖5)相似(除熱源位置不同外)，因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，筆者改用《手冊(cè)》中低懸罩與爐口傘形罩相結(jié)合的計(jì)算方法，罩寬度按爐門(mén)高度考慮。

    經(jīng)計(jì)算，低懸罩的排風(fēng)量為95 022 m'/h;罩口平均風(fēng)速為1.357 8 m/so爐口傘形罩排風(fēng)量為低懸罩排風(fēng)量的一半，即單個(gè)爐口傘形罩的排風(fēng)量為47 516

m'/ho    公式(5)沒(méi)有考慮爐膛排煙溫度。煙氣溫度，可以根據(jù)由(5)式計(jì)算出的排風(fēng)量，再按熱壓的計(jì)算公式計(jì)算空氣經(jīng)爐膛后的溫度及產(chǎn)生的熱壓，最后按爐口傘形罩的方法計(jì)算出流壓力及速度等。注意，此時(shí)出流面積僅為爐口卜半部的面積。

    經(jīng)計(jì)算，爐膛排氣溫度為503.6 K(230.6℃);爐膛排煙余壓△尸為1. 7 Pa;罩口至爐口軸線的距離Y為0. 5 m;進(jìn)人罩口時(shí)射流軸線至爐壁的距離x為0. 93 m;煙氣由爐口噴出速度。為1. 68 m/s;罩口最小伸出長(zhǎng)度L為1. 52 m;考慮吸人周圍空氣，罩內(nèi)煙氣溫度按爐膛排出溫度(攝氏度)的0. 8倍計(jì)，排煙罩總風(fēng)量43 035 kg/h(55 777 m'/h);罩口平均風(fēng)速:，為0. 9 m/s。筆者在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中按此計(jì)算結(jié)果選用設(shè)備，實(shí)際使用效果良好。