基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置

1.本发明属于阵发性高温烟尘控制技术领域，涉及一种基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置。


背景技术：

2.在工业冶炼、浇注、烧结等工艺中，高温物料在固定转运点转运时会产生阵发性高温烟尘。依据散发量的大小阵发性高温烟尘的散发分为初始、峰值和衰减三个阶段，分别对应物料转运前，转运中和转运后三个过程。其中，峰值阶段的烟尘散发量远远大于其他两个阶段。
3.阵发性高温烟尘的自由散发会造成物料的浪费和环境的污染，设置排风罩是从源头控制阵发性高温烟尘的有效方法。从结构类型角度来看，排风罩包括开放式排风罩和密闭式排风罩(以下简称密闭罩)两类。当采用开放式排风罩时，污染源和排风罩之间环境气流会对掺混和卷吸高温烟尘，若要保证良好的控制效果，需要增大排风量，进而导致排风能耗加大。在条件允许的情况下，采用密闭罩比开放式排风罩更有利，由于密闭罩罩体对污染源周围的空间进行围合，使得阵发性高温烟尘被限制在密闭空间内，并在较小的通风量下得到有效控制。针对阵发性高温烟尘，密闭罩的排风量在设计时通常要比阵发性高温烟尘峰值阶段的散发量大一些，才能保证较好的控制效果，但这无疑导致了初始阶段和和衰减阶段排风量过剩的情况，增大了排风能耗。
4.近年来，为了降低密闭罩控制阵发性高温烟尘时的排风能耗，专利《移动式烧结机尾烟气循环利用减排二氧化硫新装置(授权号：cn 202032890u)》提出通过增大密闭罩容积的方式，来缓冲蓄容峰值阶段的过量高温烟尘，从而降低排风能耗。专利《具有多排错列导流管束及三角形扩容罩的烟气收集装置(授权号：cn 104368193 a)》采用了相同的方法，并指出增大密闭罩容积能使得空间内产生涡流，进而对高温烟尘进行缓冲蓄容。然而，上述这种简单的蓄容方式无法控制涡流的强度和尺度，因此其对烟尘的缓冲蓄容效率较低，高温烟尘容易从密闭罩与台车之间的间隙逃逸。在此基础上，专利《一种针对烧结机尾高温烟尘的扩容塑形型捕集装置(授权号：cn202221803306.7)》对密闭罩进行智能化改造，根据烟尘量大小来自动调节密闭罩容积，从而做到了对密闭罩内涡流尺度的控制。此外专利《一种用于烧结机尾高温烟尘增效捕集装置及其方法(授权号：cn 112683071a)》提出在密闭罩内添加正反向引射流和挡板来优化密闭罩的捕集效果，具体功能为通过引射流系统将外界新风以射流形式在密闭罩内形成稳定风幕和定向涡流，其中稳定风幕防止罩体前端的烟尘逃逸，定向涡流诱导烟尘流向指定区域，该方法向密闭罩引入外界新风不仅会增大排风量的负荷，同时形成的涡流蓄容烟尘的能力较弱。
5.综上所述，有必要对现有密闭罩进行智能化及结构改造，从增大密闭罩内涡流尺度和强度的角度，来增强密闭罩对烟尘的蓄容能力和捕集能力，同时精准调控风量，减小排风能耗。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，该装置不仅提高了密闭罩对烟尘的蓄容和捕集能力，同时能够减小能耗。
7.本发明所采用的技术方案是，基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，包括对烟尘进行捕集的捕集系统，捕集系统上分别连接有射流系统和控制系统。
8.本发明的特点还在于：
9.捕集系统包括密闭罩，密闭罩的上端设有排风口，排风口正对设置在破碎机的上方，密闭罩的一侧设有u字形塑形结构，u字形塑形结构的下方设有烧结台车，且u字形塑形结构的底部与烧结台车之间设有缝隙。
10.排风口和破碎机之间设置旋转排风筒，旋转排风筒为中空圆柱状结构，旋转排风筒的筒身贯穿密闭罩，并与破碎机平行设置，旋转排风筒依次连接火花捕集器和过滤箱。
11.旋转排风筒的筒身侧面开有四个条缝型排风口，相邻排风口夹角为90
°
。
12.射流系统包括射流器，射流器通过风管连接变频风机。
13.射流器包括混合腔，混合腔的相对两侧分别设有射流进口管和烟气进口管，混合腔的下方设有烟气进口管，烟气进口管内设有过滤膜，射流进口管烟气进口管、混合气流出口管呈t字形分布。
14.控制系统包括浓度传感器，浓度传感器用于监测密闭罩罩内烟尘浓度，将信号传输到控制电路板，通过控制电路板调节射流器的射流风速。
15.基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置中射频器射流风速控制方法：当密闭罩内烟尘浓度增加时，浓度传感器采集数据进入到控制电路板，控制电路板下达指令驱动变频风机提速；当烟尘浓度降低时，浓度传感器采集数据进入到控制电路板，控制电路板下达指令驱动变频风机减速。
16.本发明的有益效果如下：
17.1.本发明首先对密闭罩扩容并对罩体前端塑形处理，使密闭罩产生能够蓄容烟尘的涡流，从而减少烟尘通过缝隙向外逃逸。
18.2.本发明在密闭罩内设置侧面具有槽型排风口的旋转排风筒，排风筒旋转产生负压涡旋，聚拢并捕集部分密闭罩内的烟尘，减少四散的烟尘对密闭罩内壁的侵蚀磨损，并将捕集的烟尘送至火花捕集器和过滤箱过滤。
19.3.本发明在密闭罩扩充的蓄容区内设置智能射流系统，该系统基于神经网络智能算法，根据烟尘浓度数据，自动调节变频风机，将经旋转排风筒捕集且过滤的烟尘以合适的风速射出实现密闭罩内气流自循环，同时在密闭罩内形成能够蓄容更多高温烟尘的大尺度涡流，实现以较低通风能耗，大幅提升对烟尘的捕集效率和蓄容率。
20.4.射流系统的合理设置，会在罩体内表面形成一层贴附气流层，从而减小烟尘颗粒冲击罩体内表面带来的磨损，降低了设备的维护成本。
附图说明
21.图1是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置的侧示图；
22.图2是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置的俯视图；
23.图3是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置中射流器的示意图；
24.图4是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置中旋转排风筒示意图；
25.图5是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置的控制流程示意图；
26.图6(a)是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置中密闭罩中心截面烟尘流线轨迹云图；
27.图6(b)是传统密闭罩中心截面烟尘流线轨迹云图；
28.图7(a)是本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置中密闭罩内烟尘温度分布图；
29.图7(b)是传统密闭罩内烟尘温度分布图。
30.图中，1-烧结台车，2-烧结机尾，3-破碎机，4-浓度传感器，5-控制电路板，6-变频风机，7-风管，8-射流器，9-密闭罩，10-u字形塑形结构，11-排风口，12-旋转排风筒，13-过滤箱，14-火花捕集器，15-轴承，16-旋转电机，17-射流进口管，18-烟气进口管，19-混合气流出口管，20-混合腔，21-过滤膜，22-条缝型排风口，23-缝隙。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
32.实施例1
33.本发明基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，如图1所示，主要包括由密闭罩9、排风口11、旋转排风筒12以及过滤箱13组成的捕集系统；由变频风机6、风管7和射流器8组成的射流系统；以及由浓度传感器4、控制电路板5组成的控制系统。
34.捕集系统中，密闭罩9对烧结机尾2和破碎机3进行围合，避免破碎机3处的阵发性高温烟尘直接在厂房内逸散。密闭罩9罩体向机头和屋顶两个方向延伸形成蓄容区，密闭罩9的前端设有u字形塑形结构10，经过u字塑形处理，并且与烧结台车1平面间留有缝隙23，使密闭罩9内压力保持稳定。在密闭罩9正对破碎机3的上部设置排风口11对烟尘进行直接捕集。
35.如图2所示，在排风口11和破碎机3之间设置旋转排风筒12，旋转排风筒12筒身呈圆柱状，筒内中空，筒身贯穿密闭罩9，与破碎机3平行。旋转排风筒12与密闭罩9的接触的两端均安装有轴承15。
36.实施例2
37.在实施例1的基础上，射流器8的结构如图3所示，射流器8包括射流进口管17、烟气进口管18、混合气流出口管19、混合腔20、过滤膜21，射流进口管17、烟气进口管18、混合气流出口管19呈t字形分布，射流进口管17与混合气流出口管19在同一直线上，混合腔20位于三个风口的交点处；烟气进口管18设置有过滤膜21，用于过滤烟尘颗粒。高速运动的新风气流在混合腔20内形成负压，在负压的作用下，烟尘被抽吸由烟气进口进入，并与新风混合后射出，该方法相比于纯新风射流，增大了密闭罩对烟尘的蓄容量。
38.如图4所示，旋转排风筒12的筒身侧面开有4个条缝型排风口22，相邻排风口夹角为90
°
；旋转排风筒12由旋转电机16驱动筒身旋转，旋转速度为1000rad/s，由变频风机6提供负压，排风量为2000m3/h。旋转排风筒12通过旋转使得筒身附近区域形成负压涡流，可以有效聚拢并捕集部分高温烟尘并抑制烟尘向周围扩散，减小烟尘颗粒对密闭罩内壁面的磨
损。由旋转排风筒12捕集的烟尘通过风管输送至火花捕集器14和过滤箱13进行过滤除尘，并将除尘后的烟气输送至射流系统。
39.监测调控系统中浓度传感器4用于监测密闭罩9罩内烟尘浓度，将信号传输到控制电路板5，智能调节变压器电压，从而控制射流器8的射流风速。
40.具体控制流程为图5所示，建立了烟尘浓度与密闭排风量和射流风量之间的关系。当密闭罩9内烟尘浓度增加时，浓度传感器4采集数据进入到控制电路板5，控制电路板5下达指令驱动变频风机6提速；当烟尘浓度降低时，浓度传感器4采集数据进入到控制电路板5，控制电路板5下达指令驱动变频风机6减速。内嵌于控制电路板的智能算法通过用户和烟尘浓度数据的长期训练，针对破碎过程自动设定射流风速的电信号，实现了根据高温烟尘散发周期的规律，通过调节射流风量智能蓄容高温烟尘。
41.射流系统设置在机头蓄容区靠近烧结机尾处，其中为使射流贴附密闭罩9内壁面形成贴附射流，射流器8设置在密闭罩内部距离罩体上壁面0.3m以内；为使射流充分覆盖密闭罩内壁面，射流器8选择3～5个，并列排布。射流器8向密闭罩9前端射出高速气流，高速气流沿密闭罩9内壁向前运动至密闭罩9前端，并在u字形塑形结构10的作用下发生偏转，最终在密闭罩9的蓄容区形成大尺度涡流，大尺度涡流通过自身气流的循环运动，一方面可以卷吸过量的高温烟尘并储存在涡流内部，另一方面可以形成风墙防止烟尘外逸。
42.实施例3
43.烧结生产过程是将精矿粉、石灰石等原料与燃料按一定比例混合，然后在烧结机中烧结成块，最后在烧结机尾由破碎机破碎，得到烧结料。当台车在烧结机尾处向下翻动倒料时，会产生初始温度约为80～200℃，浓度约为5～15g/m3的阵发性高温烟尘。
44.烧结机尾传统密闭罩围合烧结机尾和破碎机，并向机头方向延伸，空间尺寸为长10.0m
×
宽6.0m
×
高10.0m，密闭罩的排风口位于破碎机正上方，排风口为直径1.8m的圆形风口。
45.本发明的密闭罩在传统密闭罩的基础上，在破碎机和排风口之间增设了旋转排风筒，在烧结机尾台车上方增设智能射流系统，对机头方向的密闭罩前端的直壁进行u字塑形处理(即图1中u字形塑形结构10)。
46.为了对比传统密闭罩与本发明的密闭罩控制和蓄容高温烟尘的效果，需准确掌握密闭罩内的烟尘流动情况。本实施例采用了fluent软件进行数值模拟，对于烟尘的气流相将其视为不可压缩流体，选用k-εreliable模型进行计算；对于烟尘颗粒采用离散相模型(dpm)进行模拟。控制方程是模型建立的基础，控制方程是物理规律的数学描述。流体的流动应满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，相关控制方程组如下：
47.连续性方程(质量守恒)：
[0048][0049]
动量方程(动量守恒)：
[0050][0051]
能量方程(能量守恒)：
[0052][0053]
其中，v为流体微元的速度；t为时间；ρ为气流密度；p为压力；μ为动力粘度；f为单位质量力；c
p
为比热容；t为温度；λ为导热系数。
[0054]
颗粒的运动应满足动量守恒定律，相关控制方程组如下：
[0055][0056]
其中，u
p
为颗粒速度，ρ
p
为颗粒密度，fd为颗粒受到的曳力，f
x
为附加力，包括热泳力和布朗力。
[0057]
设置高温烟尘质量流量为0.57g/s，粒径为10μm，初始温度为473k，散发速度为4m/s，设置密闭罩排风速度为17.2m/s。其它具体边界条件设置如下表1所示：
[0058]
表1.密闭罩模拟边界条件
[0059]
边界名称边界类型参数值排风口速度出口(trap)-17.2m/s散发源速度入口(escape)4m/s(473k)排风区域外压力入口(escape)相对压差为0其它墙(reflect)定壁温(300k)
[0060]
本发明与传统密闭罩的速度流线规律如图6(a)、图6(b)所示，由图6(a)可知，与传统密闭罩(图6(b))相比，在本发明增设的射流器和在罩体前端塑形组件的共同下，罩体前端蓄容区的涡流尺度增大，这有利于蓄容更多的烟尘。此外，旋转排风筒的存在使得垂直方向的气流流线更加密集，即旋转排风筒起到了将周围烟尘向中间汇聚的作用。
[0061]
本发明与传统密闭罩的浓度分布规律如图7(a)、图7(b)所示，由图7(a)可知，本发明能够有效减少热气流向罩外逃逸，而传统密闭罩图7(b)中热气流沿台车与密闭罩相交处的开口缝隙向外逃逸。
[0062]
本发明与传统密闭罩的颗粒捕集效率如表2所示，由表2可知，传统密闭罩对颗粒的捕集效率为95.6％，本发明对颗粒的捕集效率达99.9％。相对于传统密闭罩，本发明对颗粒的捕集效率有一定提升。
[0063]
表2本发明与传统密闭罩对烟尘的捕集效率
[0064]
排风罩类型捕集效率本发明的新型密闭罩99.9％传统密闭罩95.6％

技术特征：
1.基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：包括对烟尘进行捕集的捕集系统，捕集系统上分别连接有射流系统和控制系统。2.根据权利要求1所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：所述捕集系统包括密闭罩(9)，密闭罩(9)的上端设有排风口(11)，排风口(11)正对设置在破碎机(3)的上方，密闭罩(9)的一侧设有u字形塑形结构(10)，u字形塑形结构(10)的下方设有烧结台车(1)，且u字形塑形结构(10)的底部与烧结台车(1)之间设有缝隙(23)。3.根据权利要求2所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：所述排风口(11)和破碎机(3)之间设置旋转排风筒(12)，旋转排风筒(12)为中空圆柱状结构，旋转排风筒(12)的筒身贯穿密闭罩(9)，并与破碎机(3)平行设置，旋转排风筒(12)依次连接火花捕集器(14)和过滤箱(13)。4.根据权利要求3所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：所述旋转排风筒(12)的筒身侧面开有四个条缝型排风口(22)，相邻排风口夹角为90
°
。5.根据权利要求3所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：所述射流系统包括射流器(8)，射流器(8)通过风管(7)连接变频风机(6)。6.根据权利要求5所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：所述射流器(8)包括混合腔(20)，混合腔(20)的相对两侧分别设有射流进口管(17)和烟气进口管(18)，混合腔(20)的下方设有烟气进口管(18)，烟气进口管(18)内设有过滤膜(21)，射流进口管(17)、烟气进口管(18)、混合气流出口管(19)呈t字形分布。7.根据权利要求6所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，其特征在于：所述控制系统包括浓度传感器(4)，浓度传感器(4)用于监测密闭罩(9)罩内烟尘浓度，将信号传输到控制电路板(5)，通过控制电路板(5)调节射流器(8)的射流风速。8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置中射频器射流风速控制方法，其特征在于：当密闭罩(9)内烟尘浓度增加时，浓度传感器(4)采集数据进入到控制电路板(5)，控制电路板(5)下达指令驱动变频风机(6)提速；当烟尘浓度降低时，浓度传感器(4)采集数据进入到控制电路板(5)，控制电路板(5)下达指令驱动变频风机(6)减速。

技术总结
本发明公开了一种基于涡流蓄容原理的阵发性高温烟尘捕集装置，包括密闭罩、旋转排风筒、过滤箱、智能控制系统、射流系统。在物料输送过程中，物料在转运点下落和碰撞会产生阵发性的高温烟尘。密闭罩罩体在围合污染源的基础上，向水平方向和垂直方向两个方向延伸，形成能蓄容过量烟尘的涡流区。旋转排风筒、过滤箱、射流系统一起构成密闭罩内部烟尘自循环流动。旋转排风筒可以有效捕集部分高温烟尘并抑制烟尘向周围扩散。射流系统使涡流强度和尺度增大，进而增强涡流对烟尘的蓄容能力，防止烟尘溢出污染环境；同时在罩体内表面形成气流保护层，从而减小烟尘对罩体的磨损。从而减小烟尘对罩体的磨损。从而减小烟尘对罩体的磨损。


技术研发人员：黄艳秋 汪文扬 王怡 荣俊豪 王振 刘晨宇
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/25