軋機噴霧除塵系統設計

李永超

（1：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029；2：中冶長材軋鋼工程技術中心 北京 100029）

1 前言

在軋鋼生產過程中，鋼坯在加熱爐內產生的氧化鐵皮稱為初次氧化鐵皮，片狀而且較厚，在剝落時是成塊剝落的，不會造成粉塵污染。軋件受冷卻和變形熱作用生成的氧化鐵皮為粉末狀并附著在紅鋼表面，這些氧化鐵皮會隨著軋件的振動和軋輥的擠壓而逸出并擴散，成為軋鋼車間粉塵的主要來源。

當前軋鋼車間主流除塵方式有濕法除塵和燒結板除塵，除塵工藝流程為吸塵罩－管道－除塵設備－風機－煙囪。其中吸塵罩決定了吸塵率，除塵設備決定了除塵率，經現場檢驗發現雖然煙囪排放濃度達到了國家標準，但車間內崗位濃度依然較高，由于除塵設備大多是后期改造施工，車間環境復雜且管線及配套設備較多，吸塵罩距離鋼坯較遠，導致部分粉塵不能被吸塵罩吸收以致擴散到周邊空氣中。根據現場分析，粉塵產生于軋輥之間，且大多數由前后導衛口擴散到車間中，現設計增加導衛噴霧除塵設施，增加除塵效率并降低后方除塵壓力，該設計方式將濕式除塵技術和干式塑燒板技術進行有效的結合使用，致力于減少資源浪費并提高除塵效率［1］。

2 現狀分析

通過對市場的充分調研總結后發現，雖然霧化除塵技術較多，但適合軋鋼車間的主要包括超聲波霧化除塵、泡沫除塵、微細水霧除塵。

超聲波霧化除塵技術主要是在提高霧化程度方面解決問題，提高噴霧霧滴與粉塵的相互結合能力，來達到去除車間粉塵的目的。其原理是應用壓縮空氣的影響產生超聲波，超聲波把水霧化成直徑很小的液滴，當霧滴噴入灰塵空間時，因為液滴粒徑很小，可以在很短的時間內蒸發并懸浮于該區域，此后就開始了凝聚合并的微物理過程。該技術重點是對聲波發生器的使用，不僅有常規噴霧除塵的優點，而且還提高了噴霧效果，并同時降低了耗水量。此外，聲波發生器震動產生的高頻高能聲波，將已經破碎霧化的水滴進行二次霧化，使霧化水滴的粒徑更加微細，并提高了霧化水滴與粉塵的聚集凝結效果。

泡沫除塵技術主要是在水中添加了發泡劑和表面活性劑，通過專用的發泡裝置，引入壓風后，在霧化噴射作用下產生大量的泡沫群，增加了泡沫液滴與粉塵顆粒的接觸面積，提高了噴霧除塵的作用效果。

微細水霧除塵技術主要根據“云”物理學作用、斯蒂芬流運輸機理和空氣動力學原理，當粉塵顆粒粒徑與微細水霧相差不大時，微細水霧能更加有效地去除車間中的粉塵，而當微細水霧蒸發逐漸轉變為水蒸氣時，冷卻凝聚核化機理起主導作用，即微細水霧大量蒸發會導致周圍空氣濕度迅速飽和，達到飽和狀態后的水蒸氣會直接與粉塵顆粒發生凝聚作用，使聚集后的粉塵顆粒粒徑不斷變大，當粒徑增大使顆粒重力大于浮力時就會自行降落，或因粒徑過大被一般的水霧吸附除去。

陳明紹在對水霧除塵的捕集分離原理進行研究時發現，當粉塵顆粒與水霧凝聚并隨噴射作用接近粉塵捕集裝置時，在慣性及相互碰撞等多種綜合作用下完成除塵，并根據實驗數據提出了計算霧化除塵效率的一些方法和理論。

葉鐘元在研究噴霧除塵效率的問題時發現，除塵效率與粉塵和水霧液滴之間的相對粒度相關，并通過實驗測得相對粒度在100～150之間時霧化除塵的效果最好。

王光旭建立了超聲波霧化除塵與旋風除塵聯合的實驗平臺，且在此基礎上進行了一系列的實驗研究，實驗數據表明，在添加聲波霧化后，系統的除塵效率得到了明顯提高。

劉國對聲波霧化除塵的相關應用進行了研究，研究表明，聲波霧化霧滴分散更細，相較于普通壓力噴霧除塵效果更好且節能，但此技術存在噪音等問題。

從上述的噴霧除塵技術的各種研究中，國內的學者分別從不同方向進行研究，不論是從各種因素對于除塵效率影響的研究還是噴霧除塵方法的研究上，均對霧化除塵技術的快速發展做出了重大貢獻。不僅豐富了噴霧除塵的技術理論，還為霧化除塵技術在實際應用中的實施奠定了基礎。

3 噴霧除塵理論

含塵氣體與液滴相遇，在液滴前yd處開始繞過液滴運動，慣性較大的粉塵顆粒繼續保持原來的直線運動。塵粒從脫離流線路徑到慣性運動結束時所移動的直線距離為粒子的停止距離ys，若ys＞yd，塵粒和液滴就會發生碰撞。根據物理學知識，物理慣性只與物體的質量有關，則塵粒的質量越大，發生碰撞的概率越高，假定塵粒為密度均勻的球狀物，則直徑越大的粉塵，越容易發生碰撞并被液滴吸附。根據噴霧除塵理論的研究表明，當水霧顆粒與粉塵顆粒發生彈性碰撞時，水霧顆粒不會與粉塵結合在一起，而只會改變粉塵的運動方向；當水霧顆粒與粉塵顆粒直徑的一定倍數相近時，會發生非彈性碰撞，水霧顆粒與粉塵顆粒進行有效的吸附而聚結成團不斷長大，最后受重力作用而沉降，從而達到抑塵、除塵的作用。

定義慣性碰撞參數Mi：停止距離ys與液滴直徑dD的比值。對斯托克斯粒子：

式中：ρp—粒子密度，kg／m3；

up—粒子運動速度，m／s；

uD—液滴運動速度，m／s；

dD—液滴直徑，m／s；

dp—粉塵粒徑，m／s。

由上式可知：

在液滴直徑和粉塵粒徑相同的情況下，粒子運動速度和液滴運動速度差值越大，Mi值越大；

在粒子運動速度、液滴運動速度差值以及粉塵粒徑相同的情況下，液滴直徑越小，Mi值越大；

在粒子運動速度、液滴運動速度差值以及液滴粒徑相同的情況下，粉塵粒徑越大，Mi值越大。

一般情況下，根據John Stone等人的研究結果：

式中：K—關聯系數，該值取決于設備結構及系統操作條件，一般取1～2；

L—液氣比，1L／m3。

由上式可知，Mi越大，η越大。此外由于蒸發作用，水滴的粒徑不能太小。在同樣情況下水滴的直徑越小，蒸發所花費的時間也越短，所以即使小直徑的水滴捕捉到了粉塵，在它沉降的過程中也會因水滴的蒸發作用而降低降塵的效果。

4 噴管設計方式探究

經市場調研，大部分導衛除塵均采用單流體噴嘴，特點是結構簡單但水壓大，所需壓力一般為10bar，所以在控制閥前通常需要安裝增壓閥。但實際生產中車間能提供的水壓一般為5bar左右，導致霧化效果差，起不到除塵作用。本文設計采用雙流體噴嘴，工作壓力為5bar，且噴霧經過壓縮空氣噴吹后霧化顆粒更小、更均勻、且能保證大部分完全蒸發，增大了霧化水霧的覆蓋面積［2］。

本文設計在導衛進口和出口處分別安裝雙流體噴嘴，根據現場試驗測算，當鉛垂線與噴嘴軸線為15°角時，噴霧覆蓋的面積最大，噴射的水流能將熱材表面的氧化鐵屑沖掉，從而不會有粉塵向空氣中擴散，此角度需根據導衛尺寸進行適當調整［3］。

圖1 導衛除塵設施示意圖

該設計將電動排水閥集成進自動化控制系統，以軋輥咬鋼為信號開啟噴霧，以軋輥拋鋼為信號關閥，不僅節約用水，還減少了噴霧對鋼材溫降的影響。

5 結語

在棒線材生產中，鋼材軋制時產生的粉塵對車間環境及生產健康安全造成了嚴重的影響，本文分析了導衛除塵的相關理論及技術，另外對微細水霧除塵進行了理論計算研究。在通過現場調試后，軋鋼車間粉塵濃度大大減少、檢測元件故障率大幅降低，除塵設備風壓穩定并且內部燒結板使用壽命得到明顯提升，該設計研發不僅是生產技改項目，更是一項適合車間環保減排的項目，符合當下國家節能減排的發展規劃，是一項值得在軋鋼廠推廣的項目。