引言炼焦空气污染物通过扩散对周围地区大气构成危害，其主要包括固体悬浮物(TSP)、PM10、PM2.5、NH3、H2S、SO2、苯和苯并芘(BaP)等。BaP和SO2具有强烈的致癌作用，当SO2的吸入浓度达到5 mg/kg时，对人的鼻腔和呼吸黏膜产生刺激感，甚至出现鼻腔出血、呼吸受阻等反应，此外，空气中SO2浓度过高时，可能形成酸雨。有效控制焦炉产生的污染物已引起学者关注。仵晓强[1]对焦炉焦侧除尘系统进行优化，在炉前烟罩下部和后部增加挡板，将横风阻挡，除尘效果很好，显著降低环境污染。李敏[2]通过分析烟尘逸出原因，提出前端集气罩是影响炉口除尘系统效率的主要因素，采用Reynolds平均法进行数值模拟，通过分析气流场对集气罩提出优化建议。但以往研究中很少对焦炉炉顶污染物排放进行优化，因此，改善焦炉炉顶烟尘的控制措施和治理技术，减少炼焦过程中的污染物排放，是大气环境保护的必然要求。1研究对象与方法1.1项目概况某焦炉炉顶加罩项目，焦炉所在地属温带大陆性季风气候，四季分明。年平均气温11~13.5 ℃，极端最高温42.5 ℃，极端最低温-19.9 ℃，年平均风速2.6 m/s。焦炉具体参数为112 m×19 m×17 m（长×宽×高），焦炉炉体壁面、炉顶表面温度均为80 ℃。拟对炉体罩子尺寸、形状，事故排风口的位置、尺寸、排放效果、关键参数等进行设计。1.2焦炉炉罩类型的基本设计焦炉生产过程中本身散发热量，通过现场测试，焦炉炉体壁面表面温度为80 ℃，与周围环境的温差较大，焦炉炉壁通过对流散热将热量传给相邻空气，周围空气受热上升，形成热射流。热射流诱导一定的气流运动，带动焦炉生产过程中散发的污染物共同运动。对于焦炉生产过程的这种气流运动方式，应尽可能地把排风罩设在污染气流前方，保证污染气流直接进入罩内。结合工业生产所利用的排风罩类型，拟确定焦炉炉罩类型为接受罩。理论上，接受罩的排风量等于罩口断面上热射流的流量，接受罩的断面尺寸等于罩口断面上热射流的尺寸，污染气流能够完全排除。但实际中，由于横向气流影响，热射流发生偏转，接受罩的安装高度越大，横向气流影响越严重。所以在设计时应尽可能降低接受罩的安装高度。为保证焦炉生产过程中焦炉炉顶的行车要求，考虑焦炉炉顶热压、风压所造成的气流或穿堂风作用，避免焦炉炉顶上升烟气被吹散而逸出炉顶排烟罩外，初步设计焦炉炉罩形状如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F001图1初步设计的焦炉炉罩形状1.3焦炉炉罩排风量的理论计算为保证炼焦生产释放的污染物不超过炼焦化学工业大气污染物超低排放标准，焦炉炉顶排风罩内的温度不会对工作人员造成伤害，炉罩排风量的计算从两个方面考虑：（1）通过通风捕集炼焦生产释放的污染物浓度，使之达到排放标准；（2）通过通风降低炉罩内工作区的温度，避免对工作人员造成伤害。焦炉炉罩的排风量取这两项中的最大值。1.3.1捕集污染物所需的排风量根据排风罩捕集效率计算公式[3]，计算某一捕集效率下排风罩所需的排风量：ηc=ScSp=L∙ccSp (1)式中：L——排风罩的排风量，m3/s；Sp——污染物持续散发的污染物总量，kg/s；Sc——排风罩捕集的污染物量，kg/s；cc——排风罩罩口的污染物浓度，kg/m3。根据《炼焦化学工业大气污染物超低排放标准》（DB 13/2863—2018）及炼焦生产释放的污染物的原始数据如表1所示[4]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.T001表1焦炉污染物排放速率概况污染源名称焦炉尺寸/m排放工况污染物类型排放速率长宽高焦炉炉体废气1121917正常TSP0.209 0 kg/hPM100.105 0 kg/hPM2.50.063 0 kg/hNH30.110 0 kg/hH2S0.003 0 kg/h苯0.012 0 kg/hBaP0.097 0 g/hSO20.085 1 kg/hDB 13/2863—2018标准中仅对TSP、SO2和BaP的排放量做出排放限制规定，因此，在计算捕集污染物所需排风量时，仅考虑捕集颗粒物、SO2和BaP所需的风量。捕集污染物所需要的排风量如表2所示。由表2可知，捕集BaP所需的排风量最大，捕集效率达到100%，工况流量下单台焦炉炉罩所需的排放量为37.18 万m3/h。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.T002表2捕集污染物所需要的排风量污染物类型释放速率排风口处污染物浓度/(mg/m3)安全系数排风量/(万m3/h)捕集效率70%捕集效率100%颗粒物0.209 0 kg/h10.000 01.151.682.40SO20.085 1 kg/h0.500 01.1513.6919.56BaP0.097 0 g/h0.000 31.1526.0337.181.3.2消除余热所需的排风量工作人员在焦炉炉顶炉罩内进行相关工作，当炉罩内温度过高时，会对工作人员造成伤害。根据美国国家防火协会130[5]规定，人员在一段时间内可以承受一定量的热量。人员在不同的温度下可以承受的暴露时间如表3所示。根据前期调研发现，工作人员在炉顶的工作时间一般在15~30 min。由表3可知，消除余热，将工作区的温度控制在45~50 ℃，可以保证工作人员免于伤害。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.T003表3人员在不同的温度下可以承受的时间序号暴露温度丧失能力的时间/min温度/℃华氏度/°F1801763.82751674.73701586.04651497.756014010.165513113.675012218.884511326.994010440.2通过前期调研发现，焦炉炉体壁面、炉顶表面温度均为80 ℃。根据《供暖通风空调设计手册》[6]，炉罩内需要消除的余热量为：Qre=∑A∙α∙Δt (2)α=11.63+7v (3)式中：α——焦炉外表面传热系数，W/(m2∙℃)；Qre——焦炉散热量，W；A——焦炉散热面外表面面积，m2；Δt——焦炉散热表面与炉罩内工作区空气温差，℃；v——炉罩内空气流速，m/s，在计算中可认为v≈0。根据《供暖通风空调设计手册》[6]，焦炉所在地夏季通风室外计算温度为31 ℃，冬季通风室外计算温度为-3 ℃，夏季通风室内外温差较小，所需风量较大，因此，以夏季的通风量为基准，作为炉罩罩体的设计依据。炉罩内消除工作区余热量所需的排风量为：L=Qrec(tn-tw)ρnK (4)式中：L——焦炉炉罩排风量，m3/s；c——空气的比热，J/(kg∙℃)；ρn——工作区空气密度，kg/m3；tn——室内工作区温度，℃；tw——夏季通风室外计算温度，℃；K——考虑横风影响的安全系数，取1.1。根据式(4)，得到消除余热量所需通风量如表4所示。由表4可知，消除焦炉炉罩内余热量，在工作区温度达到45 ℃，且预设85%的热能能够被罩内空气带走时，单台焦炉炉罩所需的工况通风量为40.58 万m3/h，即标况流量为35.3 万m3/h。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.T004表4消除余热量所需要的通风量污染源名称焦炉尺寸/m表面温度/℃工作区温度/℃传热系数/［W/(m2∙℃)]室外通风计算温度/℃比热/(J/kg∙℃)密度/(kg/m3)系数排风量/(万m3/h)长宽散热高度焦炉炉体余热112196.73804511.63311 0101.0931.140.58结合1.3.1和1.3.2两部分焦炉炉罩通风量的理论计算，消除焦炉炉罩内余热量所需要的通风量较捕集污染物所需要的风量大。因此，确定焦炉炉罩的通风量为40.58 万m3/h。2焦炉炉罩排风的数值计算2.1研究方法在理论计算的基础上，建立加设排风罩后的焦炉炉体和排风罩的几何模型，通过Ansys软件进行模拟，采用的模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F002图2模型总览由于需要计算室外横风的影响，整个计算域没有集中在炉体周围，其空间应在炉体尺寸的基础上向外围拓展5倍的炉体长度对应的空间。项目涉及炉体周围的空气流动情况和炉体向空气的散热，数值计算模拟过程中需要求解的控制方程有：（1）连续性方程。∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0 (5)（2）动量方程。ρu∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=-∂P∂x+∂τxx∂x+∂τxy∂y+∂τxz∂z+Fx (6)ρu∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=-∂P∂y+∂τyx∂x+∂τyy∂y+∂τyz∂z+Fy (7)ρu∂u∂x+v∂u∂y+w∂u∂z=-∂P∂z+∂τzx∂x+∂τzy∂y+∂τzz∂z+Fz (8)（3）能量方程。∂ρuT∂x+∂ρvT∂y+∂ρwT∂z=∂∂x(kc∂T∂x)+∂∂y(kc∂T∂y)+ (9)∂∂z(kc∂T∂z)+ST2.2参数设置式(4)~式(8)求解，配合现场实际数据为定解条件，如炉体表面温度80 ℃，炉顶上升管和排烟管的表面温度150 ℃，在炉体侧面炉道上沿开设一条窄缝作为装料时污染物泄露的位置，根据环保部门的检测数据，每个开口部位BaP排放量为5.87×10-10 kg/s。有横风作为整个计算域的进口边界条件。近30 a不同风向对应频率如表5所示。由表5可知，概率最大的风向为与焦炉炉体分别呈0o和90o方向，历年平均风速2.6 m/s，温度选取夏季通风计算温度31 ℃。计算域除地面之外的其余各面均设置压力边界，表压为0 Pa。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.T005表5近30 a不同风向对应频率风向NNNENEENEEESESESSES频率388433574风向SSWSWWSWWWNWNWNNWC—频率557853220—3结果与分析3.1污染气体自然填充3.1.1无泄漏事故状况事故排风口的设置应寻找罩内温度和压力最不利点。正常运行情况下，优先考虑炉顶上方压力和温度分布，如图3和图4所示。由图3和图4可知，无横风和有横风情况下，顶罩下方最高点压力均为最高。除紧贴炉顶附近温度约37 ℃，罩体下方其他区域温度接近环境温度。图3无事故无横风时罩内温度和压力分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F3a1（a）温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F3a2（b）压力分布图4无事故有横风时罩内温度和压力分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F4a1（a）温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F4a2（b）压力分布3.1.2荒煤气泄漏事故状况事故排风口未打开，且无横风时，焦炉炉罩内温度、压力和荒煤气浓度场分布情况如图5所示。由图5可知，在顶棚下方存在高温区，但该高温区不能够影响到炉顶工作区，与高温区相重叠，存在一个高压区，这是由于泄漏喷射出来的气体撞击到顶棚，造成爆炸危险区位于炉罩的上部和炉罩的左半部。图5无横风时荒煤气泄漏情况10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F5a1（a）温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F5a2（b）压力分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F5a3（c）污染物浓度场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F5a4（d）爆炸极限区域有横风时，焦炉炉罩内温度、压力和荒煤气污染物浓度场分布情况如图6所示。由图6可知，受横风横穿罩体的影响，高温区有所扩大，但仍局限于罩体内，没有明显地影响到工作区，高压区变小，集中在炉罩最高处。与高压区类似，荒煤气高浓度区变小，爆炸极限区贴附在顶棚下。综合分析可知：两种情况下的温度和压力场，发现事故排风应布置在罩体的最高点，且尽量靠近上升管的上方。图6有横风时荒煤气泄漏情况10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F6a1（a）温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F6a2（b）压力分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F6a3（c）污染物浓度场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F6a4（d）爆炸极限区域3.2事故排风口尺寸的确定3.2.1事故排风口的尺寸不考虑事故排风口处安装阀门等机械结构和其他支撑结构占据的空间，将开口区域处理成通口。通过不断调整结构参数，确定最优的开口宽度和定位尺寸（排风口离焦炉中心线距离），即W和D值。经大量算例迭代计算，确定W为5 m，D为4 m时结构方案为相对最优结构，顶棚的结构尺寸如图7所示。图7顶棚结构主要尺寸10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F7a1（a）事故排风场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F7a2（b）顶棚结构剖面3.2.2事故排风口排放效果（1）无横风情况下泄漏排放。根据图7顶棚数值仿真结果，给出出风口的排放效果。无横风时排风效果如图8所示。由图8可知，泄漏的荒煤气能够顺利通过事故排风口进入大气，没有在顶罩内聚集。由于泄漏煤气具有较大的速度，能够影响周围空气产生较大的浮升力一起排至罩外，进一步确保罩内空气中荒煤气的含量较低。图8无横风时事故排风效果图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F8a1（a）速度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F8a2（b）温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F8a3（c）压力分布无横风时罩内浓度场分布如图9所示。由图9可知，爆炸极限范围较小，且结合速度分布，可以看出污染物进入空气后浓度迅速下降，能够顺利通过排放口排出。图9无横风时事故排风罩内浓度场图10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F9a1（a）污染物浓度场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F9a2（b）爆炸极限区域（2）横风情况下泄漏排放。横风情况下排风效果如图10所示。由图10可知，泄漏的荒煤气能够顺利通过事故排风口排至大气。与无横风时相比，荒煤气与空气混合的射流朝空气风向轻微倾斜，但高温和污染物高浓度区域均在事故排风口的开口范围内。工况条件下荒煤气排除效果的分析，证明事故排风口尺寸的选取较为合理。图10有横风时事故排风效果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F10a1（a）速度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F10a2（b）温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F10a3（c）压力分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F10a4（d）污染物浓度场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F10a5（e）爆炸极限区域3.2.3事故排风关键参数假定发生荒煤气泄漏的事故时，事故排风口未能及时打开，荒煤气在棚顶下方聚集，预测此时炉罩需要承受的压力和温度能够帮助选择事故排风口的材料和阀门材质等。结合图5和图6可知，如果事故排风口不能及时打开，高温荒煤气会在炉罩下方最高处形成高温区，经计算最高温度可达184 ℃，排风口选用材料的耐温性要高于此温度，由开始发生泄漏至达到该温度的时间约为43 s，此时泄漏荒煤气对炉罩的最大压力约为50 Pa，相对于炉罩所在环境可能出现的最大风速带来的极限作用相比较小。由图5可知，无横风时焦炉炉罩内左侧存在较大的爆炸极限区，存在潜在危险，为进一步得到准确分析，调取焦炉纵向截面的荒煤气浓度分布情况，如图11所示。图11无事故排风焦炉纵截面浓度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F11a1（a）无横风时纵截面浓度场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F11a2（b）无横风时纵截面爆炸极限区10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F11a3（c）有横风时纵截面浓度场10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.016.F11a4（d）有横风时纵截面爆炸极限区由图11可知，有横风和无横风情况的荒煤气主要集中在焦炉炉罩内的顶部，爆炸极限区距离上升管较远，且泄漏荒煤气射流羽状特征明显，对左、右两侧上升管影响较小。考虑到运行过程中可能发生上升管打开时旁边的一个上升管出现泄漏现象，炉罩下方左侧较大区域聚集荒煤气，应确保事故排风口在泄漏发生60 s内打开。4结语通过文献调研，结合相关标准的颗粒物、SO2和BaP等污染物排放值，得到安全排放常规污染物所需的排风量。在此基础上进行数值模拟计算，初步分析在现有的设计方案下焦炉的排风实施效果，并提出几条建议：（1）消除焦炉炉罩内余热和捕集污染物所需的风量为40.58 万m3/h（工况风量）；（2）建议设置单排事故排风口，位于顶棚最高点，风口净宽度建议为5 m；（3）炉罩内壁最高温度可达184 ℃，炉罩和排风口选用材料的耐温要高于此温度；（4）泄漏荒煤气对炉罩的最大压力约为50 Pa，在结构设计时需考虑此压力；（5）为确保安全，建议事故排风口在60 s内快速全部开启。