锻造车间火焰切割烟气流动特性及控制方案研究

【摘要】本文以大连兆和科技发展有限公司的工程改造项目——太原重工锻造车间火焰切割机排烟除尘系统为研究对象,针对火焰切割过程中产生的高温烟气在车间无组织扩散的问题,对烟气的运动特性进行研究。同时,对工程项目的排烟方案进行模拟研究论证,优化通风气流组织,改进排烟方案。在使用火焰切割机对钢件进行切割时,主要利用高温火焰将钢件迅速熔融氧化以达到切割目的,所以在加工过程中容易产生大量的黄褐色含尘烟气,对车间内的空气环境造成严重污染。由于火焰切割的瞬间发尘量很大,烟气具有运动速度快、温度高的特点,同时考虑到厂房结构和工艺要求等条件的限值,对烟气的控制有一定的难度。为了研究污染源扩散及烟气运动的规律,本文首先建立了求解的相关数学与物理模型。由于火焰切割的工艺过程涉及到多个化学反应和物理变化过程,故产生的烟气成分也非常复杂。为了更好地研究烟气的运动,根据相关理论与公式推导,分析火焰切割烟气中的各种成分,包括烟气成分与烟尘颗粒物成分。通过计算,得到烟气颗粒物直径的中位值为8.77μm。了解气固悬浮系统的主要参数,并对颗粒物在无风扩散时的受力和运动进行了理论计算与研究。结果发现,在烟气颗粒物在无外部强制对流干扰的扩散状态下,相较于Magnus力与Saffman力,热泳力在运动过程中对颗粒物的影响较大。为了验证大连兆和科技的现有排烟改造方案的排烟效率,建立了不同形状层次的网格,根据高温烟气的运动机理,利用FLUENT软件进行了模拟研究与评估,结果表明：风口的抽吸速度越大,颗粒物的祛除效率就越高,烟气在作业厂房内的停留周期就越短；通过调节风速,使不同工况的排烟效率在64.63%-89.71%之间。但由于单吸式系统本身的局限性,即使在最大工况下,本身的抽吸速度已经处于比较大的值,而仍有10%左右的烟气不能被捕集。通过对既有方案进行优化,提出了以吹吸式通风代替原来的单吸式,增大了抽风口面积并增加了挡烟隔板。使用分析临界断面来评估新方案的通风效率,发现模拟验证坐标x2=5.98m与理论计算值x,=6.36m相近。而经过对模拟结果的分析发现,新方案用更小的抽风速度得到了更高的排烟效率,并有效阻止了烟气外溢。结合优化后的火焰切割排烟方案,本研究的结果将为今后的实际工程设计改造提供指导和参考。
【作者】李攀；
【导师】刁永发；姚伟国；
【作者基本信息】东华大学，建筑与土木工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】火焰切割；高温烟气；数值模拟；吹吸式气流；临界断面；

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