炭化爐返回?zé)煹滥M優(yōu)化研究

楊忠福，魏英華，張振武，李學(xué)振，張雋銘，竇東陽(yáng)

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司洗選中心，寧夏 銀川 750000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

2020年9月22日，在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平主席向全世界鄭重宣布——中國(guó)“力爭(zhēng)二氧化碳排放在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。2020年10月29日，中國(guó)共產(chǎn)黨十九屆五中全會(huì)提出，“十四五”期間，加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，降低碳排放強(qiáng)度，對(duì)傳統(tǒng)裝備綠色低碳化改造升級(jí)是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要途經(jīng)。煤炭是我國(guó)重要的工業(yè)資源，并且我國(guó)煤炭資源的戰(zhàn)略地位仍然會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間持續(xù)下去[1]，要推動(dòng)煤炭資源可持續(xù)性發(fā)展，煤炭清潔高效利用尤為重要[2]。

隨著人民生活水平日益提高和環(huán)保行業(yè)快速發(fā)展，各類民用和工業(yè)用活性炭需求量越來(lái)越大[3]。煤制活性炭是煤炭清潔高效利用的有效途徑，而且以煤炭為原料制備的活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，是一種優(yōu)良的吸附材料。與生物質(zhì)活性炭相比，煤制活性炭具有原料來(lái)源廣、價(jià)格低、流體阻力小等特點(diǎn)。此外，它吸附飽和后便于回收再生[4]，應(yīng)用于飲用水深度凈化、工業(yè)給水及污水凈化、脫色、脫氯、除臭、除油等方面時(shí)具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[5-10]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)為了解決鍋爐排放的煙氣對(duì)鍋爐裝置造成腐蝕，通常將排煙溫度設(shè)置得相對(duì)較高，導(dǎo)致水蒸氣中蘊(yùn)含的能量直接排放到室外，造成能源浪費(fèi)現(xiàn)象[11-12]，現(xiàn)有多數(shù)余熱利用技術(shù)采用煙氣出口改造、蒸發(fā)器回收余熱、熱循環(huán)泵回收余熱等方式，對(duì)鍋爐余熱利用率并不高[13-14]。與此相似，傳統(tǒng)的炭化過(guò)程需要在炭化爐爐頭補(bǔ)充大量燃料，如燃煤、天然氣、柴油等，以維持炭化溫度，爐尾大量高溫可燃煙氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，但煤炭企業(yè)蒸汽需求小，蒸汽只能大量排空，造成能源嚴(yán)重浪費(fèi)，與我國(guó)提出的碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)相悖。為節(jié)能降碳，太西洗煤廠對(duì)炭化爐進(jìn)行改造，采用返回?zé)煹姥b置，將尾部煙氣直接返回爐頭進(jìn)行能量循環(huán)，以提高余熱能量利用效率。為獲得返回?zé)煹乐睆?、軸流風(fēng)機(jī)功率最佳數(shù)值，采用Solidworks軟件建立了炭化爐返回?zé)煹滥Ｐ?，并利用Fluent軟件對(duì)不同管徑的返回?zé)煹纼?nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 炭化爐低碳化改造方案

1.1 概述

太西洗煤廠是國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司洗選中心進(jìn)行無(wú)煙煤洗選加工的選煤企業(yè)，始建于1983年，于1986年9月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)能力為2.10 Mt/a，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，又新增年生產(chǎn)石墨化產(chǎn)品8萬(wàn)t，活性炭產(chǎn)品2萬(wàn)t，碳化硅產(chǎn)品1萬(wàn)t。炭化爐改造在太西洗煤廠活性炭一車間炭化爐工段設(shè)計(jì)和實(shí)施?；炷蟪尚团浞綖椋航褂秃兔悍郾壤秊?∶3.4(即煤粉∶焦油為100∶29.4)，煤粉揮發(fā)分為8%，產(chǎn)出炭化料揮發(fā)分為8%。經(jīng)過(guò)炭化工藝成型條平均得率為69%，產(chǎn)出炭化料在16～18 t/d之間。

1.2 實(shí)施步驟

首先，經(jīng)熱平衡計(jì)算可知，系統(tǒng)中約有2 904 MJ/h能量在焚燒爐中未用盡而沉積在系統(tǒng)中，可使之返回?zé)煔庋h(huán)利用系統(tǒng)。采用返回?zé)煹篮?，爐頭補(bǔ)燃需要能量約為2 093 MJ/h，爐內(nèi)煙氣熱值為1.88 MJ/Nm3，理論計(jì)算的返回?zé)煔饬考s為1 200 Nm3/h，因余熱煙氣中可燃?xì)怏w成分較少，故采用蓄熱體作為明火燃燒此余熱?？紤]到其他因素，管道返回?zé)煔饬堪? 000 Nm3/h設(shè)計(jì)。然后，設(shè)計(jì)并安裝架空煙道，使炭化爐爐尾富余煙氣通過(guò)風(fēng)機(jī)裝置和返回?zé)煹婪祷氐綘t頭位置，將能量循環(huán)利用。引入爐頭時(shí)采用沿炭化爐軸向直通方案，有利于充分利用輻射熱，提高熱利用效率。該方案不僅能替代爐頭額外補(bǔ)充燃料，達(dá)到降低能耗、減少碳排放量的目的，而且爐尾富余的部分煙氣還能通過(guò)余熱鍋爐生產(chǎn)少量的蒸汽，滿足后續(xù)工藝需要，實(shí)現(xiàn)炭化流程的低碳化改造。經(jīng)初步測(cè)算，項(xiàng)目實(shí)施后每臺(tái)炭化爐每天可節(jié)約燃煤2 t左右，同時(shí)爐頭燃燒方式的改變還可促使燒蝕率降低，產(chǎn)率提高，預(yù)計(jì)每年可為企業(yè)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益100余萬(wàn)元。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

炭化爐返回?zé)煹老到y(tǒng)包括煙氣返回?zé)煹?、支撐架、清灰口、軸流風(fēng)機(jī)、燃燒器等，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 炭化爐返回?zé)煹老到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 General design of the return-gas flue system

系統(tǒng)中返回?zé)煹篮洼S流風(fēng)機(jī)是主要裝置，需對(duì)其進(jìn)行模擬研究，來(lái)確定返回?zé)煹雷顑?yōu)管徑和合適的風(fēng)機(jī)選型，以能夠在改善系統(tǒng)性能的同時(shí)減少后期施工、調(diào)試工作量，提高改造效率，降低改造成本。

2 返回?zé)煹罃?shù)值模擬

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)炭化爐返回?zé)煹涝O(shè)計(jì)圖紙，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)返回?zé)煹肋M(jìn)行1∶1三維建模，在構(gòu)建幾何模型過(guò)程中，忽略煙道外部支撐結(jié)構(gòu)及清灰口。構(gòu)建的返回?zé)煹缼缀文Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 返回?zé)煹缼缀文Ｐ虵ig.2 Geometrical model of the return-gas flue duct

對(duì)煙道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，優(yōu)先采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)壁面處、進(jìn)出口及速度梯度較大的部分進(jìn)行網(wǎng)格面加密處理。為進(jìn)一步提升網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)流體壁面設(shè)置了尺寸約束，設(shè)置定義算法為四面體算法，網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)算法選擇單元質(zhì)量檢測(cè)算法，絕大多數(shù)網(wǎng)格質(zhì)量都在0.7以上，網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.3 Meshing result

2.2 控制方程及邊界條件設(shè)置

2.2.1 控制方程

返回?zé)煹纼?nèi)流體流動(dòng)為復(fù)雜的三維湍流流場(chǎng)，返回?zé)煹罒煔獾臍饬骼字Z數(shù)至少為104的數(shù)量級(jí)。因此，返回?zé)煹罋怏w為高度湍流狀態(tài)。模擬時(shí)假定氣體不可壓縮，作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，氣體黏度不可忽略。采用標(biāo)準(zhǔn)的雙方程模型求解湍流問(wèn)題，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流脈動(dòng)能k方程和湍流耗散率ε方程分別如式(1)—式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

2.2.2 邊界條件設(shè)置

余熱煙氣成分含量見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，多組分煙氣性質(zhì)主要成分為CO2和N2。

表1 余熱煙氣成分含量Table 1 Composition analysis of the return flue gas %

為簡(jiǎn)化計(jì)算，后續(xù)模擬中煙道流體近似為CO2和N2。入口邊界條件設(shè)置為均勻入口，各管徑入口速度值以進(jìn)口流量3 m3/s計(jì)算得出；出口邊界條件設(shè)置為流動(dòng)出口。邊界條件見(jiàn)表2。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

2.3 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算采用Fluent軟件求解器完成，模擬計(jì)算了模型進(jìn)口速度(Vin)、出口速度(Vout)、靜態(tài)壓差(△P)及動(dòng)態(tài)壓差(△DP)，不同管徑下的模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同管徑下的模擬參數(shù)Table 3 Simulated parameters of the flue ducts with different diameters

2.3.1 最優(yōu)管徑

根據(jù)Fluent軟件模擬的結(jié)果，已知進(jìn)出口速度以及壓力，由伯努利方程可得管道的沿程阻力以及局部阻力損失，即：

(4)

式中：P1、P2分別為進(jìn)口、出口壓力；ρ為煙氣密度；v1、v2分別為煙道流體進(jìn)口、出口速度；z1、z2分別為進(jìn)口、出口位能，z=ρgh；△H表示阻力損失。

返回?zé)煹纼A斜角不超過(guò)5°，可忽略位能變化，則有：

(5)

根據(jù)公式(5)繪制阻力損失隨管徑變化趨勢(shì)圖，如圖4所示。

圖4 △H隨管徑變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of △H with variation of duct size

由圖4可知，管徑越大，流動(dòng)損失越小，僅從此角度，初步可得DN400 mm的管徑最佳。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨著管徑進(jìn)一步增大，當(dāng)返回?zé)煹拦Q直徑超過(guò)300 mm以后，流動(dòng)損失雖然減小但變化非常平緩，管道直徑投資增加帶來(lái)的返回?zé)煹佬阅芨纳撇伙@著，性價(jià)比變差，因此考慮到經(jīng)濟(jì)和性能的平衡，返回?zé)煹拦軓阶罴堰x為300 mm。

2.3.2 軸流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算[15-17]

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量(Q)計(jì)算如下：

Q=KQ總=1.1×2 000=2 200 Nm3/h，

(6)

式中：K為風(fēng)量?jī)?chǔ)備系數(shù)，取1.1；Q總為返回?zé)煔饬?，Q總=2 000 Nm3/h。因此風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2 200 Nm3/h。

軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓(P)計(jì)算如下：

P=(ppipeα1+pequipment)α2=(397.912×1.05+500)×1.2=1 101.37 Pa，

(7)

式中：ppipe為管網(wǎng)總壓損，Pa；pequipment為設(shè)備壓損，Pa；α1為管網(wǎng)計(jì)算總壓損附加系數(shù)；α2為風(fēng)壓儲(chǔ)備系數(shù)，取1.2。

為使出口處達(dá)到與入口處相同的壓力及速度，阻力損失即為所需向管道內(nèi)加入的能量，考慮一定的富裕量，所需軸流風(fēng)機(jī)的功率(N)為：

(8)

式中：Q為風(fēng)量，m3/h；P為風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓，Pa；η0為風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率，取0.75；η1為機(jī)械效率，取1。

軸流風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率(Nm)計(jì)算如下：

(9)

式中：K為電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù)，取1.2；ηd為電動(dòng)機(jī)效率，一般取0.9。

根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)功率計(jì)算出所需電機(jī)功率為1 196.55 W，超過(guò)了常用電機(jī)功率(1.1 kW)，因此需選用1.5 kW的電機(jī)作為返回?zé)煹垒S流風(fēng)機(jī)的配套電機(jī)。

3 結(jié)論

為了響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，太西洗煤廠對(duì)炭化爐進(jìn)行了低碳化升級(jí)改造，利用返回?zé)煹缹⒂酂岣咝Ю?，以顯著降低燃料消耗，提高能量利用效率，減少碳排放。利用Fluent軟件模擬對(duì)不同管徑的返回?zé)煹肋M(jìn)行了數(shù)值模擬，并開(kāi)展了風(fēng)機(jī)選型計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)隨著管徑的增大，返回?zé)煹懒鲃?dòng)阻力呈減小趨勢(shì)，往后，流動(dòng)阻力隨管徑變化并不明顯。

(2)綜合經(jīng)濟(jì)和性能因素，返回?zé)煹赖淖罴压軓綖镈N300 mm，此時(shí)性價(jià)比最高。

(3)經(jīng)過(guò)選型計(jì)算，最終軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)選用1.5 kW。