摘要: 在對含塵浮射流的粉塵與氣流相對運動研究的基礎(chǔ)上，采用C02模擬開敞大空間中瞬態(tài)揚塵過程，進(jìn)行通風(fēng)除塵系統(tǒng)的效率試驗、探討了此種方法的適用范圍、優(yōu)點及局限性所在。
關(guān)鍵詞: 瞬態(tài) 含塵氣流 氣流組織 粉塵模擬 二氧化碳
在大空間射流過程的氣流組織模型實驗中，流譜顯示技術(shù)是反映模型實驗中的氣流分布、污染物濃度擴散的重要手段。但目前常用的示蹤方法，如飄絲法、乙二醇發(fā)煙法往往只能對此進(jìn)行定性分析，無法定量反映氣流的流動規(guī)律和含塵氣流中粉塵濃度變化，無法計算粉塵捕集效率.
本文以某鋼鐵廠鋼渣處理車間開敞大空間中強熱源誘導(dǎo)的陣發(fā)性揚塵的治理為工程背景，實際工程中由于工藝條件的限制、只能采用側(cè)頂吸排氣罩.通過對實際工程的現(xiàn)場分析，把實際工程現(xiàn)象抽象為太空間強熱源誘導(dǎo)的陣發(fā)性含塵浮射流，通過模型實驗研究尋找控制該污染源的排氣罩的位置、所需最小通風(fēng)量以及各風(fēng)量下的捕集效率.在實驗中采用C02氣體模擬瞬態(tài)發(fā)生的含塵氣流，并以C02的捕集量和釋放量之比作為通風(fēng)系統(tǒng)的收塵效率。
文中對實際工程條件下粉塵和氣流的相對運動作廠計算和討論，對用C02作為含塵氣流的模擬物產(chǎn)生的實驗誤差進(jìn)行了分析，并對此種方法的優(yōu)缺點和使用范圍進(jìn)行了討論.
l．工程背景及實驗?zāi)Ｐ?BR> 本實驗工程背景為某煉鋼廠倒渣間，其生產(chǎn)工藝和通風(fēng)除塵系統(tǒng)如圖1所示，倒渣場為封閉式圍護結(jié)構(gòu)，車間平面面積2000m 2，總體積約為60000m3．1000℃高溫液態(tài)鋼渣在傾倒過程中產(chǎn)生的沖擊氣流裹挾著粉塵向上升騰、形成含塵浮射流.該含塵氣流的上升速度。
卷吸空氣量、射流主體的溫度、含塵濃度等都是隨時間變化的瞬態(tài)過程。在射流主體向上運動的過程中，排氣罩的匯流流場使射流彎曲，將—“部分粉塵捕集，未被直接捕集的粉塵在渣場彌漫，滯留一段時間后最終被系統(tǒng)捕集.本研究的目的是通過模型實驗，利用CO2作為示蹤氣體，研究用側(cè)頂吸排氣罩控制這股污染氣流的捕集效率。實驗?zāi)Ｐ蛯嵭桶?：12的比例縮小，并根據(jù)相似理論保證模型與實型的動力相似及熱力相似.
2．實驗方法可靠性分析
2.1常規(guī)實驗方法簡介
在常規(guī)實驗方法中，要根據(jù)?；碚?，即在保證模型與實型的含塵氣流動力、熱力相似的基礎(chǔ)上，還要保證模型實驗中粉塵的運動和實際的倒渣間的揚塵運動規(guī)律相似[2].即要保證使兩種條件下的含塵氣流的弗勞德準(zhǔn)則和模型實驗中粉塵的斯托克斯準(zhǔn)則相等.它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：
上式中g(shù)為重力加速度，m／s2，L為特征長度，m；W1為特征速度, 為阻力系數(shù)；dp為粉塵粒徑，m：f為微粒開頭系數(shù); 及P為粉塵密度及氣體密度，kg／m3.
倒渣間的氣流利粉塵運動狀況非常復(fù)雜，在保證模型中含塵氣流與實型中的動力相似、熱力相似的基礎(chǔ)上，再同時要求保證粉塵運動的相似件，難度非常大。
特別要指出的是，實型中的揚塵過程以及模型實驗中排氣罩效率實驗均為瞬態(tài)過程，若用粉塵模擬落錘倒渣問的揚塵進(jìn)行模型實驗，由于采樣時間短．極難保證實驗的精度。
根據(jù)現(xiàn)場實測報告，倒渣產(chǎn)生的浮射流的起始速度為6—8m／s.根據(jù)現(xiàn)場觀察，在射流的各個發(fā)展段，速度都大于Im/s .在空氣中粉沉降速度為：
根據(jù)現(xiàn)場粉塵采樣及實驗室分析，80％的粉塵粒徑小于47．6µm .對于47．qµm粒子、在室溫0℃時，Up＝0．1m／s，遠(yuǎn)小于氣流主體速度?？梢哉J(rèn)為粉塵粒子與氣流相對靜止即認(rèn)為該含塵氣流中，粉塵對氣流的速度跟隨系數(shù)等于1.
2.2對用C02模擬現(xiàn)場揚塵的方法的評價
用二氧化碳模擬現(xiàn)場揚塵的實驗方法具有以下優(yōu)點：
(1)二氧化碳的釋放流量容易控制，用氣相色譜檢測可以達(dá)到極高精度。
(2)取樣時間短，可以實現(xiàn)瞬時檢測：
(3)二氧化碳?xì)怏w從釋放到與浮射流一起被排氣罩捕集經(jīng)歷時間短(‹3s)，可以忽略擴散作用引起的實驗誤差.
該方法對實驗結(jié)果產(chǎn)生的誤差是：采用二氧化碳模擬粉塵行為由于二氧化碳完全不存在沉降問題，和實際情況中揚塵過程有一定差異，使實驗結(jié)果偏向保守.
3.模型實驗研究方法
本次實驗中，用二氧化碳?xì)怏w模擬含生氣流中的揚塵．研究?；瘲l件下排氣罩的效率：通過調(diào)節(jié)離心風(fēng)機的風(fēng)量．改變排風(fēng)量得到不同的工況：釋放二氧化碳．檢測排風(fēng)干管內(nèi)二氧化碳濃度．通過計算得到排氣罩的效率。
兩分鐘內(nèi)排風(fēng)罩總效率計算公式如下：
上式中η為兩分鐘內(nèi)徘風(fēng)罩總效率；CO為環(huán)境生氣本底值(background concentration);c1為排風(fēng)干管二氧化碳濃度；c2為將二氧化碳直接排放入徘氣罩時排風(fēng)干管二氧化碳濃度，即罩子效率達(dá)到100％時對應(yīng)的排風(fēng)干管二氧化碳濃度(maximum concentration);r為時間.
4.實驗結(jié)果
通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量：Q＝1070m3/h，C02本底值：473PPm，直接排放進(jìn)排氣罩時排風(fēng)濃度：882PPm。根據(jù)實驗結(jié)果得到的排風(fēng)C02隨時間的變化曲線見圖2.
由實驗結(jié)果可以看出：
(1)在相同的排風(fēng)量下，隨著射流初始速度的不問，罩子對二氧化碳的捕集效率有明顯區(qū)別.隨著射流初始速度的增加，排風(fēng)管內(nèi)二氧化碳濃度減小，也就是排氣罩的效率減小。
(2)在一次試驗過程中，開始釋放二氧化碳后．排風(fēng)干管內(nèi)二氧化碳濃度不斷增加．這是由于釋放的二氧化碳不能被排風(fēng)罩全部抽吸，在模型內(nèi)部積聚，使得射流卷吸空氣中二氧化碳濃度增加造成的.
(3)停止釋放二氧化碳后，排氣干管內(nèi)二氧化碳濃度就是模型內(nèi)濃度，由于新鮮空氣的不斷稀釋，二氧化碳的濃度隨之下降。
(4)三種射流初始速度下，模型實驗的排風(fēng)系統(tǒng)對C02捕集效率見表2.
排風(fēng)系統(tǒng)對C02捕集效率隨著射流初速度的增加而減少，這是因為射流初速度增加，排風(fēng)罩的抽吸作用就不容易彎曲射流使之進(jìn)入罩口，從而導(dǎo)致捕集效率減小.
(5)排風(fēng)系統(tǒng)對C02瞬時捕集效率計算方法如下：
上式中C2.mdx為C02直接排放到排氣罩時排風(fēng)干管的C02濃度，ppm；Co為環(huán)境空氣背景濃度，PPm；C1，n1ax為排風(fēng)干管內(nèi)二氧化碳濃度，PPm。由實驗結(jié)果知道．在排風(fēng)量為1070m3/h時，排風(fēng)系統(tǒng)對C02瞬時捕集效率為 93％.
關(guān)鍵詞: 瞬態(tài) 含塵氣流 氣流組織 粉塵模擬 二氧化碳
在大空間射流過程的氣流組織模型實驗中，流譜顯示技術(shù)是反映模型實驗中的氣流分布、污染物濃度擴散的重要手段。但目前常用的示蹤方法，如飄絲法、乙二醇發(fā)煙法往往只能對此進(jìn)行定性分析，無法定量反映氣流的流動規(guī)律和含塵氣流中粉塵濃度變化，無法計算粉塵捕集效率.
本文以某鋼鐵廠鋼渣處理車間開敞大空間中強熱源誘導(dǎo)的陣發(fā)性揚塵的治理為工程背景，實際工程中由于工藝條件的限制、只能采用側(cè)頂吸排氣罩.通過對實際工程的現(xiàn)場分析，把實際工程現(xiàn)象抽象為太空間強熱源誘導(dǎo)的陣發(fā)性含塵浮射流，通過模型實驗研究尋找控制該污染源的排氣罩的位置、所需最小通風(fēng)量以及各風(fēng)量下的捕集效率.在實驗中采用C02氣體模擬瞬態(tài)發(fā)生的含塵氣流，并以C02的捕集量和釋放量之比作為通風(fēng)系統(tǒng)的收塵效率。
文中對實際工程條件下粉塵和氣流的相對運動作廠計算和討論，對用C02作為含塵氣流的模擬物產(chǎn)生的實驗誤差進(jìn)行了分析，并對此種方法的優(yōu)缺點和使用范圍進(jìn)行了討論.
l．工程背景及實驗?zāi)Ｐ?BR> 本實驗工程背景為某煉鋼廠倒渣間，其生產(chǎn)工藝和通風(fēng)除塵系統(tǒng)如圖1所示，倒渣場為封閉式圍護結(jié)構(gòu)，車間平面面積2000m 2，總體積約為60000m3．1000℃高溫液態(tài)鋼渣在傾倒過程中產(chǎn)生的沖擊氣流裹挾著粉塵向上升騰、形成含塵浮射流.該含塵氣流的上升速度。
卷吸空氣量、射流主體的溫度、含塵濃度等都是隨時間變化的瞬態(tài)過程。在射流主體向上運動的過程中，排氣罩的匯流流場使射流彎曲，將—“部分粉塵捕集，未被直接捕集的粉塵在渣場彌漫，滯留一段時間后最終被系統(tǒng)捕集.本研究的目的是通過模型實驗，利用CO2作為示蹤氣體，研究用側(cè)頂吸排氣罩控制這股污染氣流的捕集效率。實驗?zāi)Ｐ蛯嵭桶?：12的比例縮小，并根據(jù)相似理論保證模型與實型的動力相似及熱力相似.
2．實驗方法可靠性分析
2.1常規(guī)實驗方法簡介
在常規(guī)實驗方法中，要根據(jù)?；碚?，即在保證模型與實型的含塵氣流動力、熱力相似的基礎(chǔ)上，還要保證模型實驗中粉塵的運動和實際的倒渣間的揚塵運動規(guī)律相似[2].即要保證使兩種條件下的含塵氣流的弗勞德準(zhǔn)則和模型實驗中粉塵的斯托克斯準(zhǔn)則相等.它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為：
上式中g(shù)為重力加速度，m／s2，L為特征長度，m；W1為特征速度, 為阻力系數(shù)；dp為粉塵粒徑，m：f為微粒開頭系數(shù); 及P為粉塵密度及氣體密度，kg／m3.
倒渣間的氣流利粉塵運動狀況非常復(fù)雜，在保證模型中含塵氣流與實型中的動力相似、熱力相似的基礎(chǔ)上，再同時要求保證粉塵運動的相似件，難度非常大。
特別要指出的是，實型中的揚塵過程以及模型實驗中排氣罩效率實驗均為瞬態(tài)過程，若用粉塵模擬落錘倒渣問的揚塵進(jìn)行模型實驗，由于采樣時間短．極難保證實驗的精度。
根據(jù)現(xiàn)場實測報告，倒渣產(chǎn)生的浮射流的起始速度為6—8m／s.根據(jù)現(xiàn)場觀察，在射流的各個發(fā)展段，速度都大于Im/s .在空氣中粉沉降速度為：
根據(jù)現(xiàn)場粉塵采樣及實驗室分析，80％的粉塵粒徑小于47．6µm .對于47．qµm粒子、在室溫0℃時，Up＝0．1m／s，遠(yuǎn)小于氣流主體速度?？梢哉J(rèn)為粉塵粒子與氣流相對靜止即認(rèn)為該含塵氣流中，粉塵對氣流的速度跟隨系數(shù)等于1.
2.2對用C02模擬現(xiàn)場揚塵的方法的評價
用二氧化碳模擬現(xiàn)場揚塵的實驗方法具有以下優(yōu)點：
(1)二氧化碳的釋放流量容易控制，用氣相色譜檢測可以達(dá)到極高精度。
(2)取樣時間短，可以實現(xiàn)瞬時檢測：
(3)二氧化碳?xì)怏w從釋放到與浮射流一起被排氣罩捕集經(jīng)歷時間短(‹3s)，可以忽略擴散作用引起的實驗誤差.
該方法對實驗結(jié)果產(chǎn)生的誤差是：采用二氧化碳模擬粉塵行為由于二氧化碳完全不存在沉降問題，和實際情況中揚塵過程有一定差異，使實驗結(jié)果偏向保守.
3.模型實驗研究方法
本次實驗中，用二氧化碳?xì)怏w模擬含生氣流中的揚塵．研究?；瘲l件下排氣罩的效率：通過調(diào)節(jié)離心風(fēng)機的風(fēng)量．改變排風(fēng)量得到不同的工況：釋放二氧化碳．檢測排風(fēng)干管內(nèi)二氧化碳濃度．通過計算得到排氣罩的效率。
兩分鐘內(nèi)排風(fēng)罩總效率計算公式如下：
上式中η為兩分鐘內(nèi)徘風(fēng)罩總效率；CO為環(huán)境生氣本底值(background concentration);c1為排風(fēng)干管二氧化碳濃度；c2為將二氧化碳直接排放入徘氣罩時排風(fēng)干管二氧化碳濃度，即罩子效率達(dá)到100％時對應(yīng)的排風(fēng)干管二氧化碳濃度(maximum concentration);r為時間.
4.實驗結(jié)果
通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量：Q＝1070m3/h，C02本底值：473PPm，直接排放進(jìn)排氣罩時排風(fēng)濃度：882PPm。根據(jù)實驗結(jié)果得到的排風(fēng)C02隨時間的變化曲線見圖2.
由實驗結(jié)果可以看出：
(1)在相同的排風(fēng)量下，隨著射流初始速度的不問，罩子對二氧化碳的捕集效率有明顯區(qū)別.隨著射流初始速度的增加，排風(fēng)管內(nèi)二氧化碳濃度減小，也就是排氣罩的效率減小。
(2)在一次試驗過程中，開始釋放二氧化碳后．排風(fēng)干管內(nèi)二氧化碳濃度不斷增加．這是由于釋放的二氧化碳不能被排風(fēng)罩全部抽吸，在模型內(nèi)部積聚，使得射流卷吸空氣中二氧化碳濃度增加造成的.
(3)停止釋放二氧化碳后，排氣干管內(nèi)二氧化碳濃度就是模型內(nèi)濃度，由于新鮮空氣的不斷稀釋，二氧化碳的濃度隨之下降。
(4)三種射流初始速度下，模型實驗的排風(fēng)系統(tǒng)對C02捕集效率見表2.
排風(fēng)系統(tǒng)對C02捕集效率隨著射流初速度的增加而減少，這是因為射流初速度增加，排風(fēng)罩的抽吸作用就不容易彎曲射流使之進(jìn)入罩口，從而導(dǎo)致捕集效率減小.
(5)排風(fēng)系統(tǒng)對C02瞬時捕集效率計算方法如下：
上式中C2.mdx為C02直接排放到排氣罩時排風(fēng)干管的C02濃度，ppm；Co為環(huán)境空氣背景濃度，PPm；C1，n1ax為排風(fēng)干管內(nèi)二氧化碳濃度，PPm。由實驗結(jié)果知道．在排風(fēng)量為1070m3/h時，排風(fēng)系統(tǒng)對C02瞬時捕集效率為 93％.