引言炼焦生产过程会释放大量污染物，如NH3、H2S、苯并芘(BaP)等。在工作人员的活动区域，特别是出焦车附近，温度和污染物浓度均处于较高水平，会对人体产生危害。设置排风罩可以在一定程度上控制高温气体及污染物的运动，降低工作区域的温度，减少污染物向外扩散的风险[1-2]。但焦车在出焦过程中处于运动状态，导致高温气体及污染物无组织扩散，对工作人员的安全造成威胁。因此，在通风罩的基础上增加机械通风装置控制气流组织运动，以减少污染物扩散，降低人员工作环境温度，是保证人员安全和环境保护的必然要求。1研究对象及方法1.1项目概况以某焦炉炉体两侧加罩项目为例，焦炉尺寸为112 m×19 m×17 m，焦炉炉体壁面、炉顶表面温度均为80 ℃。焦车直径6.5 m、高4.7 m。拟确定焦侧和机侧的空气和污染物流动状态，通过加盖罩子和设置排风口，收集处理污染物并进行有组织排放。通过分析确定加盖罩子的尺寸、形状，排风口的位置、尺寸和机械排风所需要的排风量。1.2焦炉炉罩基本设计焦炉炉体壁面表面温度为80 ℃，高于周围空气温度，易形成热射流并诱导气流运动，同时带动生产过程中散发的污染物一起运动。出焦时，温度高达1 000 ℃的焦炭在焦车内会继续燃烧，释放大量的热量和污染物。针对这种气流运动方式，应将排风罩设在出焦车轨道上方，保证污染气流直接进入罩内。结合工业生产利用的排风罩的类型，拟确定焦炉炉罩类型为接受罩。从理论角度分析，随着接受罩的位置增高，污染气流的捕集效果增强。但在实际过程中由于横向气流导致污染气流发生偏转，加剧污染物的扩散，会降低接收罩的捕集效率。设计时，应尽可能降低接受罩的安装高度。为了保证在焦炉生产过程中行车和其他设备的安装要求，结合现场实际，初步设计的焦炉炉罩形状如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.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结合相关文献[3-6]及工程手册[7-8]，确定焦炉机侧炉罩的通风量为14.67万m3/h，折算为标方为13.34万m3/h。在焦侧，由于出焦车内高温焦炭暴露在空气内，释放大量热量，周围空气自然对流流量为163.76万m3/h。结合焦侧炉壁余热，焦侧总风量为185.77万m3/h，折算为标方为168.89万m3/h。1.4排风口条件确定结合理论计算得到的通风量并综合考虑能耗、管道阻力等因素，选取焦炉总通风量为151万m³/h，对单个焦炉进行模拟计算。在标准状况下，焦车运行60 s所需通风总体积为251 667 m3。在封闭炉罩两侧的情况下，焦侧顶棚下能够容纳15 s排放的气体，即风机需要在75 s内处理热空气的排放，因此风机提供的通风速率至少为335 m³/s。考虑通风阻力等问题，风口最大限制在6 m/s。通风口总面积至少为56 m2。选用直径2 m的圆形通风口，在考虑均匀分布的情况下，焦侧风口压力为-80 Pa，风口平均流速为6.5 m/s，风口数量19个。机侧散热量相对较小，可以直接布置风口进行排风，且炉罩两侧无须封闭。由于热空气沿壁面上升，风口可以朝向热壁面，位于顶棚高位，从而更好地利用热空气浮力。机侧总通风量选取16万m3/h，对焦炉机侧排风口参数进行计算。经计算，将风口最大限制在6 m/s时，通风口总面积至少为6.8 m2。采用直径1 m的圆形通风口进行排风时，在考虑均匀分布的情况下，焦侧风口压力为-80 Pa，风口平均流速为6.0 m/s，风口数量11个。2数值计算2.1计算模型在理论计算的基础上加设排风口。由于需要考虑周围气流的影响，因此计算域的大小需在原本实际焦炉的基础上向外扩展5倍以减少边界条件对气流运动的影响。模型计算域如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F002图2模型计算域在不考虑通风管道的情况下，将排风口看作圆柱体。根据理论计算结果布置风口，几何模型如图3所示。图3几何模型10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F3a1（a）焦侧几何模型侧视图10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F3a2（b）机侧几何模型侧视图2.2计算参数焦炉污染物苯并芘(BaP)的排放速率为0.501 4 g/h；焦炉炉体壁面及炉顶表面温度均为80 ℃；出焦时焦炭的温度为1 000 ℃。根据历年气象数据可知，背景温度选取30 ℃。计算域除了地面之外的其余各面均设置为压力边界，表压为0。气候参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.T001表1气候参数序号项目数据1年平均温度/℃14.92年平均降雨量/mm513.93年最大降雨量/mm791.94多年平均风速/(m/s)1.95近5年平均风速/(m/s)2.66年最多风向WNW7年平均相对湿度/%608年极端最高温度/℃43.99年极端最低温度/℃-12.710年平均日照时数/h2 006.711年平均气压/Pa1 000.53结果与分析3.1焦侧排风口方向分析焦侧有两个热源（焦车和炉壁），分别位于顶棚中线的两侧。根据流场特征分析，将风口置于顶棚中线高点处更有利于热空气的收集。热空气上升能够汇集到顶棚顶端下方位置，当风口朝其上方吸气时，能够合理利用热空气的浮升力，使其先到达顶棚内的最高点，然后被相对靠下的风口吸收，这样布置有利于减少风口阻力。因焦车中心不与吸风口中心在同一垂线上，该布置方案能够更好地促使热空气流向内侧移动，减少热空气扩散风险。现有顶棚两端封闭的方案能够借助顶棚储存一定量的热空气，在一定程度上缓冲风口吸风量的要求。经模拟验证，当风口开口朝上、向下吸风时，气流组织较好。风口周围气流组织如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F004图4风口周围气流组织3.2出焦车在运动条件下的模拟结果分析出焦车运动30 s时的物理场如图5所示。焦车运动的过程中，周围空气沿顶棚两侧下沿流入，可以有效维持棚下热空气聚集，降低污染物向外扩散的风险，具有维持气流组织的作用，但在顶棚两侧产生涡流；同时焦车的运动使热射流产生一定的角度。热空气和污染物在热射流和排风口的作用下向顶棚聚集，但因热射流的作用，部分热空气向外溢出，由于顶棚两侧涡流的作用，部分热空气和污染物在顶棚边缘处聚集，在一定程度上阻止其进一步向外界扩散。图5出焦车运动30 s时的物理场10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F5a210.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F5a3出焦车运动60 s时的物理场如图6所示。由于焦车运动，热空气较为均匀地向上移动，为顶棚储存热空气提供一定的有利条件，使一定量的热空气保持在顶棚下部。对比图5和图6发现，经过一定时间的排风工作，顶棚边缘处热空气和污染物的聚集得到缓解。排风口起到优化组织气流的作用，降低了热空气和污染物向外扩散的风险。图6出焦车运动60 s时的物理场10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F6a210.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F6a33.3机侧排风模拟结果分析机侧风机排风速度矢量图如图7所示。排风机朝向焦炉时，气流能够掠过焦炉表面，进而更好地消除热量。该排风机的放置条件能够较好地控制气流组织，使得周围空气流入棚下，防止污染物外溢。图7机侧风机排风速度矢量图10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F7a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.015.F7a24结语综合考虑管道阻力、能耗等多因素，消除焦炉炉罩内余热和捕集污染物所需要的风量为151万m3/h（工况风量），消除机侧内余热所需的风量为16万m3/h（工况风量）。焦侧排风罩建议设置19个排风口，位于炉罩最高点，风口朝向上，风口平均流速为6.5 m/s，风口直径建议为2 m，风口均匀布置。机侧排风罩建议设置11个排风口，位于炉罩最高点，风口朝向焦炉壁面，风口平均流速为6.0 m/s，风口直径建议为1 m，风口均匀布置。焦车运动条件下，在运动至30 s时，存在部分污染物泄漏。在整个运动过程中，炉罩下的气流组织得到控制，降低了无组织排放的危害，出焦车释放的污染气流能够较均匀地被风口吸收。