2024年4月12日发(作者：洛谨)

doi：10.3969/.1007-7545.2016.06.019

工业熔铅生产铅蒸气污染扩散过程数值模拟

谢锴，李启，米沙

（中南大学 能源科学与工程学院，长沙 410083)

摘要：建立粗铅熔融精炼的实体模型，对熔铅生产时铅蒸气收集情况进行三维数值模拟。研究熔铅锅及负压板

周围的流动特性，结果表明，计算结果与测试数据较为吻合，侧边吸风罩收集铅蒸气的体积分数小，进入其中

的气体大部分为空气，铅蒸气密度过大容易下沉而无法被收集进入吸风管道，总管处铅蒸气的收集效率只有

1.1%，收集效果不理想。

关键词：铅蒸气；熔铅锅；负压板；数值模拟

中图分类号：TF812；X708 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2016）06-0000-00

Numerical Simulation of Lead Vapor Contamination Diffusion Process in Industrial

Production of Molten Lead

XIE Kai, LI Qi, MI Sha

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Entity model of smelting and refining of crude lead was built for three-dimensional numerical simulation of

lead vapor collection during lead smelting and investigation of flow characteristics of molten lead pot and negative

pressure plate. The results show that calculation results agree well with test data. Volume fraction of lead vapor is small

and most of gas is air in side suction hood. The heavy lead vapor is easy to sink and cannot be collected into suction

tube. The collection efficiency of lead vapor in suction tube is not ideal as only as 1.1%.

Key words: lead vapor; molten lead pot; negative pressure plate; numerical simulation

粗铅在电解精炼前须将其中的铜和锡除至一定程度才能铸成阳极装入电解槽。除铜精炼锅也称为熔铅锅

[1]

。

工作过程中会加入焦粉、锯木屑、硫磺、黄铁矿等，并用转速较高的搅拌机搅拌，这些过程都会产生很多烟尘，

这些烟尘在扩散过程中会带出许多熔融铅液中的挥发铅蒸气，造成车间环境污染。

针对熔铅锅火法精炼粗铅产生大量污染物的问题，国内进行了许多研究

[2-3]

。林炜

[4]

提出集中式均匀吹风与

敞口上遮边式吸风相结合的吹吸渐扩气流排气方法能更好地控制污染物的扩散。袁培新

[5]

通过计算确定了吸尘

罩的主要尺寸与合理的吸风口风量、吸风口角度、送风口风量及送风口角度。冷大鹏

[6]

介绍了株冶铅锅罩及捞

渣机等改进设备。刘振亚等

[7]

指出熔铅锅采用吹吸式通风方式在技术上是可行的，但仍有进一步探讨的问题。

袁富明

[8]

通过改变排烟方式、收尘技术及卸输灰系统使烟尘扩散得到很好地控制。谢新华等

[9]

对各通风方式的

风量进行计算，分析比较出吹吸式通风效果最佳。袁培新

[10]

对多级喷雾塔脱除阳极熔铅锅烟尘进行试验研究，

得出最佳工艺参数，为工程设计提供依据。

本文通过建立符合实际的物理模型，采用CFX仿真软件对国内某厂现有熔铅锅侧边吸风式集气工况进行数

值模拟，分析其压力场和流场等的分布，并结合现场实测数据进行模型验证。

1 物理模型和数学模型

1.1 物理模型

三维物理模型采用ANSYS ICEM CFD前处理软件建立。熔铅锅侧面配备有连接负压抽风机的吸风板，3

个入口直径为3.1 m，熔铅锅所处高台高度分别为2.1、1.0和2.1 m，吸风板长宽分别为3.35 m和2.56 m，其倾

角为5.6

o

，接管径为0.9 m的吸风管道，汇总管道出口直径为1.2 m。仿真模型如图1所示。

图1 熔铅锅几何模型

Fig.1 Geometry model of molten lead pot

收稿日期：2015-12-13

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目(2009AA064600)

作者简介：谢锴(1971-)，男，湖南益阳人，博士，副教授.

对整体进行四面体网格划分，流场分布主要集中在熔铅锅、吸风板及管道内，对该部分网格进行单独加密，

经过网格无关性验证，网格划分数量足以保证计算结果的准确性。铅蒸气由熔铅锅锅口进入厂房，经由锅侧面

负压板吸入排烟管道抽出车间。考虑当地风向以北风为主，结合气象数据认为北侧墙面为空气入口，南侧墙面

为开放出口。由于熔铅锅厂房空间很大，在距离熔铅锅较远处有粗铅堆场、阳极板堆场等。铅蒸气的部分物性

参数目前没有统一的观点，因此仿真过程中有如下假设：1）气体为不可压缩气体，流场中的流动为定常流；2）

忽略气体的物性参数随温度的变化；3）场房内部分无关地上附着物忽略不计。

空气流速较小，入口和出口面积大，南北侧壁面部分通过速度大小进行折算。仿真中涉及的边界条件有：

入口边界条件：铅蒸气入口速度从左至右分别为0.194、0.184和0.175 m/s，湍流强度I=5%，入口温度为

893 K；空气入口速度为0.64 m/s，湍流强度I=5%，入口温度为298 K。

出口边界条件：总管出口设置为质量流率出口，为8.868 kg/s；厂房开放出口设置压力值为0 Pa，温度为

298 K。

壁面边界条件：绝热壁面，为无滑移速度边界条件，即流体在近壁处的速度为零。

通过查阅相关资料及计算，铅蒸气在893 K时的密度为2.827 6 kg/m

3

，定压比热容为0.100 3 J/g·K，动力

黏度为1.478 mPa·s。

1.2 数学模型

空气由北侧入口、铅蒸气由熔铅锅锅口进入厂房，部分流体进入负压板后由吸风管道带走，管道中有多处

弯管和T型三通接口，这部分区域由于流向的改变以及各支管的汇流都会形成旋涡区，出现边界层分离的现象，

[11-13]

因此流场的湍流模型采用Menter F R基于k-ε湍流模型和

k-



湍流模型提出的SST模型

[14]

。为更好地处理

各种压力梯度下的边界层问题，近壁面处采用Wilcox

[15]

的

k-



模型，而k-ε模型能够较好地模拟远离壁面处己

充分发展的湍流流动，两者之间使用Blending Function混合函数实现过渡。具体描述如下：







k









u

i

k





P

k









k





tx

i

x

i







t













k







k







x





i

















u

i















t









1k











P

k





2





1F2









1

tx

i

kx

i

















x

i

x

i



x

i



其中，混合函数F

1

定义如下：

P

k





ij

u

i

u





u

i

'

u

'

j

i

x

i

x

i

4

F

1

tanharg

1







k500



arg

1

min



max



,









yy

2











4



k





,



CD



y

2





k









1k



10





CD

k



max



2



,1.010





xx





ii



涡黏系数定义如下：



t



a

1

k

max



a

1



,SF

2



式中a

1

=0.31，约束壁面层数的混合函数F

2

定义如下：

F

2

tanharg

2

2





2k500



arg

2

max



,









yy

2













式中，μ

t

为湍流黏度，



t





t

；ρ为流体密度(kg/m

3

)；u为速度场中某一点处的流体速度(m/s)；μ为流体

黏度系数(Pa·s)；





=0.09、σ

k

=1、α=0.04、β=0.0828、σ

ω

=0.856

[12]

。

2 模型验证

为验证模型的正确性，将模型计算结果与现场实际测量数据进行比较，表1为比较结果。

表1 模拟与试验结果比较

Table 1 Comparison of simulation and experimental results

负压板 实测均速/(m·s

-1

) 计算均速/(m·s

-1

) 误差/%

1

#

0.76 0.852 12.1

2

#

1.60 1.421 11.1

#

3 1.53 1.500 2.0

表1中显示的是铅蒸气通过负压板1

#

、2

#

、3

#

的孔隙平均速度，通过上述模型仿真得到的结果与现场实际

测量数据的最大误差为12.1%。鉴于现场测量时负压板孔隙流速波动较大，测量数据存在一定程度的误差，仿

真过程中对模型有一定假设，可以认定两者吻合较好，证明本模型准确可靠。在后面讨论中，以熔铅锅及负压

板周围的流动特性为基准，分析厂房内熔铅生产时铅蒸气的收集情况。

3 仿真结果分析

本文主要研究熔铅锅熔铅生产时产生铅蒸气在负压板运行情况下的流动特性。图2为熔铅锅铅蒸气入口速

度分别为0.194、0.184和0.175 m/s时，1

#

、2

#

、3

#

负压板中心沿YZ剖面所得截面的速度分布。

1

#

负压板 2

#

负压板 3

#

负压板

图2 负压板YZ剖面速度分布

Fig.2 Velocity distribution in YZ profile of negative pressure plate

从图2可以看出，铅蒸气从熔铅锅锅口进入车间后会有向上的速度，但绝大部分都向锅口四周扩散，另有

少部分铅蒸气继续向上运动，此时侧面的负压板提供侧吸的负压，蒸气进入吸风罩。车间北侧进入的空气受吸

风罩处负压影响，由北向南的运动轨迹向负压板处偏移，并进入吸风罩内。总体看来，3

#

吸风罩所接管道内气

体流速最大，2

#

次之，1

#

最小，该现象取决于吸风管道与引风机的管道距离，这在一定程度上能够影响吸风板

的气体流量，从而影响收集效果。通过负压板进入吸风罩及后续吸风管道内的气体大部分为空气，进入1

#

、2

#

和3

#

负压板的铅蒸气的体积分数分别为10%、16%和8%，其余的大部分铅蒸气未被收集，主要原因有两点：

一是引风机所提供的流量一定，车间内有大量的空气进入吸风罩，这无疑降低了铅蒸气的收集效率；二是铅蒸

气密度过大，在还未上升到负压板能够影响并收集的水平高度便开始向下沉落。

图3和图4分别为1

#

、2

#

、3

#

负压板中心沿YZ剖面所得截面和Z=1.93 m处XY截面的铅蒸气浓度分布。

1

#

和3

#

铅蒸气均聚集在锅口上方0.8 m之内，被吸入负压吸风罩的蒸气也停留在较低的水平面上，而未进入吸

风总管道，2

#

熔铅锅附近的铅蒸气聚集在锅口上方1.5 m之内，对应的2

#

负压板的吸风效果相较于其它板效果

更好，进入该吸风罩内的蒸气有往总管汇集的趋势，这是由于2

#

熔铅锅起熔融铅液收集作用，锅口水平面较1

#

和3

#

低，1

#

和3

#

锅口溢出向下沉落的部分铅蒸气会经过2

#

吸风板的负压区，同时，2

#

吸风罩距离引风机的位置

也不是最远，吸风罩内提供的负压也不是最差。但是所有进入竖立吸风罩的铅蒸气也大都维持在其底部，吸入

主管道的微乎其微。从图3也可以看出，受到由北向南的空气运动影响，车间内从锅口沿径向扩散的铅蒸气会

随空气向南侧墙面转移，在锅台四周5 m内的车间环境中，铅蒸气浓度达到10%以上，在2

#

锅附近铅蒸气浓度

值甚至达到30%的更高水平，这也反应出2

#

熔铅锅附近的铅蒸气浓度相较于其他的更高，在后期改造中，2

#

锅

附近可以投入更大的工作量。

1

#

负压板 2

#

负压板 3

#

负压板

图3 负压板YZ剖面铅蒸气浓度分布

Fig.3 Lead vapor concentration distribution in YZ profile of negative pressure plate

图4 XY剖面上铅蒸气浓度分布(Z=1.93 m)

Fig.4 Lead vapor concentration distribution in XY profile (Z=1.93 m)

由1

#

、2

#

、3

#

熔铅锅锅口进入厂房的铅蒸气体积流率分别为1.463、1.388和1.320 m

3

/s。表2为1

#

、2

#

、3

#

负压板以及总管出口处的铅蒸气体积流率和体积分数，据此可以计算出各负压板收集铅蒸气的效率分别为

14.8%、24.7%和23%，而总管处的收集效率只有1.1%，绝大部分的铅蒸气通过厂房排向外界或者凝固降落在

厂房。其中，2

#

负压板收集效率最佳，主要因为其所处水平面比其它板较低，下沉铅蒸气富集在该区域；3

#

吸

风罩跟1

#

相比更靠近负压风机，所经过的沿程阻力损失和局部损失较少，在吸风罩处提供的负压更大，因此其

收集效果更好。

表2 铅蒸气流动数据

Table 2 Lead vapor flowing data

部位

1

#

负压板

2

#

负压板

3

#

负压板

总管出口

体积流率/(m

3

·s

-1

)

0.216

0.343

0.304

0.046

体积分数/%

10

16

8

0.6

4 结论

1）铅蒸气密度大，由熔铅锅口进入厂房后大部分会沿锅口径向向四周扩散并向下沉落，只有少部分会受负

压板影响被吸入吸风罩内。

2）相较于其它负压板，2

#

吸风罩内铅蒸气收集效果较好，其内蒸气有往总管汇集的趋势。

3）2

#

熔铅锅附近有铅蒸气富集现象，相较于其余熔铅锅，在后期优化改造中可以投入更大的工作量。

4）现有收集装置效果不理想，铅蒸气收集效率仅达到1%。

5）该模型计算结果与测试结果获得较好的一致性，发现部分收集效果不理想的影响因素，对收集装置的分

析与改进具有一定的指导作用。

参考文献

[1] 重有色金属冶炼设计手册编委会. 重有色金属冶炼设计手册：铅锌铋卷[M]. 北京：冶金工业出版社，1996.

[2] 贾小梅，舒艳，何磊，等. 铅冶炼企业重金属污染物粒径分布特征研究[J]. 有色金属（冶炼部分），2015(11)：

64-68.

[3] 王亚军，梁兴印，秦飞，等. 铅冶炼过程铅和汞的流向与分布[J]. 有色金属（冶炼部分），2015(2)：58-62.

[4] 林炜. 大断面污染源通风排毒工业性试验研究[J]. 湖南有色金属，2012（1）：54-56.

[5] 袁培新. 铅电解阳极熔铅锅吸尘罩的设计与应用[J]. 有色设备，2014（6）：33-36.

[6] 冷大鹏. 铅冶炼铅锅区域的烟气防治设备分析介绍[J]. 冶金设备，2013（增刊2）：167-168.

[7] 刘振亚，刘光大. 吹/吸式通风方式在熔铅锅中应用的探讨[C]//2009年湖南省暖通空调制冷学术年会论文集.

长沙：2009年湖南省暖通空调制冷学术年会，2009：2.

[8] 袁富明. 株冶铅冶炼厂熔铅锅的烟尘治理[J]. 湖南有色金属，2005（6）：25-27.

[9] 谢新华，方晓吉. 熔铅锅通风设计探讨[J]. 工业安全与环保，2001（8）：11-14.

[10] 袁培新. 多级喷雾塔脱除阳极熔铅锅铅烟尘的试验研究[J]. 中国有色冶金，2015，44（3）：46-49.

[11] MENTER F R. Improved two-equation k-w turbulence models for aerodynamic flows[R]. NASA TM 103975，

California:Ames Research Center，1992.

[12] MENTER F R. Zonal two-equation k-w turbulence models for aerodynamic flows[C]//AIAA 24th Aerospace

Sciences Meeting，Sunnyval：Eloret Institute，1993：2906

[13] MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J].

AIAA-Journal，1994，32(8)：269-289.

[14] 谢汉龙，赵新宇，张炯明. ANSYS CFX流体分析及仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[15] WILCOX D C. Multiscale model for turbulent flows[J]. AIAA Journal，1988，11：1311-1320.

2024年4月12日发(作者：洛谨)

doi：10.3969/.1007-7545.2016.06.019

工业熔铅生产铅蒸气污染扩散过程数值模拟

谢锴，李启，米沙

（中南大学 能源科学与工程学院，长沙 410083)

摘要：建立粗铅熔融精炼的实体模型，对熔铅生产时铅蒸气收集情况进行三维数值模拟。研究熔铅锅及负压板

周围的流动特性，结果表明，计算结果与测试数据较为吻合，侧边吸风罩收集铅蒸气的体积分数小，进入其中

的气体大部分为空气，铅蒸气密度过大容易下沉而无法被收集进入吸风管道，总管处铅蒸气的收集效率只有

1.1%，收集效果不理想。

关键词：铅蒸气；熔铅锅；负压板；数值模拟

中图分类号：TF812；X708 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2016）06-0000-00

Numerical Simulation of Lead Vapor Contamination Diffusion Process in Industrial

Production of Molten Lead

XIE Kai, LI Qi, MI Sha

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Entity model of smelting and refining of crude lead was built for three-dimensional numerical simulation of

lead vapor collection during lead smelting and investigation of flow characteristics of molten lead pot and negative

pressure plate. The results show that calculation results agree well with test data. Volume fraction of lead vapor is small

and most of gas is air in side suction hood. The heavy lead vapor is easy to sink and cannot be collected into suction

tube. The collection efficiency of lead vapor in suction tube is not ideal as only as 1.1%.

Key words: lead vapor; molten lead pot; negative pressure plate; numerical simulation

粗铅在电解精炼前须将其中的铜和锡除至一定程度才能铸成阳极装入电解槽。除铜精炼锅也称为熔铅锅

[1]

。

工作过程中会加入焦粉、锯木屑、硫磺、黄铁矿等，并用转速较高的搅拌机搅拌，这些过程都会产生很多烟尘，

这些烟尘在扩散过程中会带出许多熔融铅液中的挥发铅蒸气，造成车间环境污染。

针对熔铅锅火法精炼粗铅产生大量污染物的问题，国内进行了许多研究

[2-3]

。林炜

[4]

提出集中式均匀吹风与

敞口上遮边式吸风相结合的吹吸渐扩气流排气方法能更好地控制污染物的扩散。袁培新

[5]

通过计算确定了吸尘

罩的主要尺寸与合理的吸风口风量、吸风口角度、送风口风量及送风口角度。冷大鹏

[6]

介绍了株冶铅锅罩及捞

渣机等改进设备。刘振亚等

[7]

指出熔铅锅采用吹吸式通风方式在技术上是可行的，但仍有进一步探讨的问题。

袁富明

[8]

通过改变排烟方式、收尘技术及卸输灰系统使烟尘扩散得到很好地控制。谢新华等

[9]

对各通风方式的

风量进行计算，分析比较出吹吸式通风效果最佳。袁培新

[10]

对多级喷雾塔脱除阳极熔铅锅烟尘进行试验研究，

得出最佳工艺参数，为工程设计提供依据。

本文通过建立符合实际的物理模型，采用CFX仿真软件对国内某厂现有熔铅锅侧边吸风式集气工况进行数

值模拟，分析其压力场和流场等的分布，并结合现场实测数据进行模型验证。

1 物理模型和数学模型

1.1 物理模型

三维物理模型采用ANSYS ICEM CFD前处理软件建立。熔铅锅侧面配备有连接负压抽风机的吸风板，3

个入口直径为3.1 m，熔铅锅所处高台高度分别为2.1、1.0和2.1 m，吸风板长宽分别为3.35 m和2.56 m，其倾

角为5.6

o

，接管径为0.9 m的吸风管道，汇总管道出口直径为1.2 m。仿真模型如图1所示。

图1 熔铅锅几何模型

Fig.1 Geometry model of molten lead pot

收稿日期：2015-12-13

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目(2009AA064600)

作者简介：谢锴(1971-)，男，湖南益阳人，博士，副教授.

对整体进行四面体网格划分，流场分布主要集中在熔铅锅、吸风板及管道内，对该部分网格进行单独加密，

经过网格无关性验证，网格划分数量足以保证计算结果的准确性。铅蒸气由熔铅锅锅口进入厂房，经由锅侧面

负压板吸入排烟管道抽出车间。考虑当地风向以北风为主，结合气象数据认为北侧墙面为空气入口，南侧墙面

为开放出口。由于熔铅锅厂房空间很大，在距离熔铅锅较远处有粗铅堆场、阳极板堆场等。铅蒸气的部分物性

参数目前没有统一的观点，因此仿真过程中有如下假设：1）气体为不可压缩气体，流场中的流动为定常流；2）

忽略气体的物性参数随温度的变化；3）场房内部分无关地上附着物忽略不计。

空气流速较小，入口和出口面积大，南北侧壁面部分通过速度大小进行折算。仿真中涉及的边界条件有：

入口边界条件：铅蒸气入口速度从左至右分别为0.194、0.184和0.175 m/s，湍流强度I=5%，入口温度为

893 K；空气入口速度为0.64 m/s，湍流强度I=5%，入口温度为298 K。

出口边界条件：总管出口设置为质量流率出口，为8.868 kg/s；厂房开放出口设置压力值为0 Pa，温度为

298 K。

壁面边界条件：绝热壁面，为无滑移速度边界条件，即流体在近壁处的速度为零。

通过查阅相关资料及计算，铅蒸气在893 K时的密度为2.827 6 kg/m

3

，定压比热容为0.100 3 J/g·K，动力

黏度为1.478 mPa·s。

1.2 数学模型

空气由北侧入口、铅蒸气由熔铅锅锅口进入厂房，部分流体进入负压板后由吸风管道带走，管道中有多处

弯管和T型三通接口，这部分区域由于流向的改变以及各支管的汇流都会形成旋涡区，出现边界层分离的现象，

[11-13]

因此流场的湍流模型采用Menter F R基于k-ε湍流模型和

k-



湍流模型提出的SST模型

[14]

。为更好地处理

各种压力梯度下的边界层问题，近壁面处采用Wilcox

[15]

的

k-



模型，而k-ε模型能够较好地模拟远离壁面处己

充分发展的湍流流动，两者之间使用Blending Function混合函数实现过渡。具体描述如下：







k









u

i

k





P

k









k





tx

i

x

i







t













k







k







x





i

















u

i















t









1k











P

k





2





1F2









1

tx

i

kx

i

















x

i

x

i



x

i



其中，混合函数F

1

定义如下：

P

k





ij

u

i

u





u

i

'

u

'

j

i

x

i

x

i

4

F

1

tanharg

1







k500



arg

1

min



max



,









yy

2











4



k





,



CD



y

2





k









1k



10





CD

k



max



2



,1.010





xx





ii



涡黏系数定义如下：



t



a

1

k

max



a

1



,SF

2



式中a

1

=0.31，约束壁面层数的混合函数F

2

定义如下：

F

2

tanharg

2

2





2k500



arg

2

max



,









yy

2













式中，μ

t

为湍流黏度，



t





t

；ρ为流体密度(kg/m

3

)；u为速度场中某一点处的流体速度(m/s)；μ为流体

黏度系数(Pa·s)；





=0.09、σ

k

=1、α=0.04、β=0.0828、σ

ω

=0.856

[12]

。

2 模型验证

为验证模型的正确性，将模型计算结果与现场实际测量数据进行比较，表1为比较结果。

表1 模拟与试验结果比较

Table 1 Comparison of simulation and experimental results

负压板 实测均速/(m·s

-1

) 计算均速/(m·s

-1

) 误差/%

1

#

0.76 0.852 12.1

2

#

1.60 1.421 11.1

#

3 1.53 1.500 2.0

表1中显示的是铅蒸气通过负压板1

#

、2

#

、3

#

的孔隙平均速度，通过上述模型仿真得到的结果与现场实际

测量数据的最大误差为12.1%。鉴于现场测量时负压板孔隙流速波动较大，测量数据存在一定程度的误差，仿

真过程中对模型有一定假设，可以认定两者吻合较好，证明本模型准确可靠。在后面讨论中，以熔铅锅及负压

板周围的流动特性为基准，分析厂房内熔铅生产时铅蒸气的收集情况。

3 仿真结果分析

本文主要研究熔铅锅熔铅生产时产生铅蒸气在负压板运行情况下的流动特性。图2为熔铅锅铅蒸气入口速

度分别为0.194、0.184和0.175 m/s时，1

#

、2

#

、3

#

负压板中心沿YZ剖面所得截面的速度分布。

1

#

负压板 2

#

负压板 3

#

负压板

图2 负压板YZ剖面速度分布

Fig.2 Velocity distribution in YZ profile of negative pressure plate

从图2可以看出，铅蒸气从熔铅锅锅口进入车间后会有向上的速度，但绝大部分都向锅口四周扩散，另有

少部分铅蒸气继续向上运动，此时侧面的负压板提供侧吸的负压，蒸气进入吸风罩。车间北侧进入的空气受吸

风罩处负压影响，由北向南的运动轨迹向负压板处偏移，并进入吸风罩内。总体看来，3

#

吸风罩所接管道内气

体流速最大，2

#

次之，1

#

最小，该现象取决于吸风管道与引风机的管道距离，这在一定程度上能够影响吸风板

的气体流量，从而影响收集效果。通过负压板进入吸风罩及后续吸风管道内的气体大部分为空气，进入1

#

、2

#

和3

#

负压板的铅蒸气的体积分数分别为10%、16%和8%，其余的大部分铅蒸气未被收集，主要原因有两点：

一是引风机所提供的流量一定，车间内有大量的空气进入吸风罩，这无疑降低了铅蒸气的收集效率；二是铅蒸

气密度过大，在还未上升到负压板能够影响并收集的水平高度便开始向下沉落。

图3和图4分别为1

#

、2

#

、3

#

负压板中心沿YZ剖面所得截面和Z=1.93 m处XY截面的铅蒸气浓度分布。

1

#

和3

#

铅蒸气均聚集在锅口上方0.8 m之内，被吸入负压吸风罩的蒸气也停留在较低的水平面上，而未进入吸

风总管道，2

#

熔铅锅附近的铅蒸气聚集在锅口上方1.5 m之内，对应的2

#

负压板的吸风效果相较于其它板效果

更好，进入该吸风罩内的蒸气有往总管汇集的趋势，这是由于2

#

熔铅锅起熔融铅液收集作用，锅口水平面较1

#

和3

#

低，1

#

和3

#

锅口溢出向下沉落的部分铅蒸气会经过2

#

吸风板的负压区，同时，2

#

吸风罩距离引风机的位置

也不是最远，吸风罩内提供的负压也不是最差。但是所有进入竖立吸风罩的铅蒸气也大都维持在其底部，吸入

主管道的微乎其微。从图3也可以看出，受到由北向南的空气运动影响，车间内从锅口沿径向扩散的铅蒸气会

随空气向南侧墙面转移，在锅台四周5 m内的车间环境中，铅蒸气浓度达到10%以上，在2

#

锅附近铅蒸气浓度

值甚至达到30%的更高水平，这也反应出2

#

熔铅锅附近的铅蒸气浓度相较于其他的更高，在后期改造中，2

#

锅

附近可以投入更大的工作量。

1

#

负压板 2

#

负压板 3

#

负压板

图3 负压板YZ剖面铅蒸气浓度分布

Fig.3 Lead vapor concentration distribution in YZ profile of negative pressure plate

图4 XY剖面上铅蒸气浓度分布(Z=1.93 m)

Fig.4 Lead vapor concentration distribution in XY profile (Z=1.93 m)

由1

#

、2

#

、3

#

熔铅锅锅口进入厂房的铅蒸气体积流率分别为1.463、1.388和1.320 m

3

/s。表2为1

#

、2

#

、3

#

负压板以及总管出口处的铅蒸气体积流率和体积分数，据此可以计算出各负压板收集铅蒸气的效率分别为

14.8%、24.7%和23%，而总管处的收集效率只有1.1%，绝大部分的铅蒸气通过厂房排向外界或者凝固降落在

厂房。其中，2

#

负压板收集效率最佳，主要因为其所处水平面比其它板较低，下沉铅蒸气富集在该区域；3

#

吸

风罩跟1

#

相比更靠近负压风机，所经过的沿程阻力损失和局部损失较少，在吸风罩处提供的负压更大，因此其

收集效果更好。

表2 铅蒸气流动数据

Table 2 Lead vapor flowing data

部位

1

#

负压板

2

#

负压板

3

#

负压板

总管出口

体积流率/(m

3

·s

-1

)

0.216

0.343

0.304

0.046

体积分数/%

10

16

8

0.6

4 结论

1）铅蒸气密度大，由熔铅锅口进入厂房后大部分会沿锅口径向向四周扩散并向下沉落，只有少部分会受负

压板影响被吸入吸风罩内。

2）相较于其它负压板，2

#

吸风罩内铅蒸气收集效果较好，其内蒸气有往总管汇集的趋势。

3）2

#

熔铅锅附近有铅蒸气富集现象，相较于其余熔铅锅，在后期优化改造中可以投入更大的工作量。

4）现有收集装置效果不理想，铅蒸气收集效率仅达到1%。

5）该模型计算结果与测试结果获得较好的一致性，发现部分收集效果不理想的影响因素，对收集装置的分

析与改进具有一定的指导作用。

参考文献

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