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      鋁電解槽集氣結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

      2022-08-09 12:37:38李雪嬌楊洪英趙鶴飛胡紅勝
      關(guān)鍵詞:集氣電解槽煙道

      李雪嬌, 楊洪英, 趙鶴飛, 胡紅勝

      (1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819; 2.沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110001;3.沈陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110045)

      鋁電解煙氣中的主要污染物是氟化物,其彌散在電解車間影響工人身體健康,擴(kuò)散至鋁廠周圍對(duì)大氣和土壤造成污染[1-3].根據(jù)《鋁工業(yè)準(zhǔn)入條件》的要求,電解鋁項(xiàng)目每噸鋁的氟排放量須低于0.6 kg[4].然而,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)鋁電解的全氟排放水平普遍較高,每噸鋁的氟排放量在0.6 kg左右,因此,降低電解鋁氟排放是十分重要的.

      電解鋁產(chǎn)生的氟主要通過(guò)兩種途徑排放,即有組織排放和無(wú)組織排放[5-6].由于有組織排放凈化系統(tǒng)的不斷改進(jìn)[7-9],進(jìn)入有組織排放的煙氣除氟率可達(dá)99.5%.因而,經(jīng)無(wú)組織排放的氟化物成為氟化物排放的主要源頭,占全部氟排放的75%以上[10].因此,降低鋁電解煙氣的無(wú)組織排放十分重要.

      鋁電解煙氣的無(wú)組織排放與電解槽的集氣效率密切相關(guān),提高電解槽的集氣效率,可以有效降低煙氣的無(wú)組織排放[11].在生產(chǎn)過(guò)程中電解槽產(chǎn)生的煙氣首先由集氣結(jié)構(gòu)收集,再通過(guò)煙管匯總至凈化系統(tǒng)統(tǒng)一處理.因此,改進(jìn)電解槽的集氣結(jié)構(gòu),提高電解槽集氣效率,對(duì)于減少電解煙氣的無(wú)組織排放十分重要[12-13].

      目前,電解槽的集氣結(jié)構(gòu)多為下煙道V形集氣罩,煙道上設(shè)有多個(gè)集氣孔.隨著技術(shù)進(jìn)步,電解槽槽型逐漸變大,以某廠400 kA電解槽為例,電解槽長(zhǎng)度約為18 m,集氣孔78個(gè).由于煙道較長(zhǎng),電解槽集氣沿長(zhǎng)度方向不均勻,且煙道內(nèi)存在大量積灰,集氣效果較差[14].

      本文以該廠400 kA電解槽為例,采用數(shù)值模擬的手段計(jì)算集氣煙道中內(nèi)部流場(chǎng)分布情況.以此為基礎(chǔ),對(duì)煙道提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬,選擇適合的改造方案.

      1 數(shù)值模擬基本方程及模型選擇

      流體運(yùn)動(dòng)符合物理守恒定律,其基本方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[15-16]:

      1)質(zhì)量守恒方程.質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程,表示對(duì)于一個(gè)控制體系,質(zhì)量流入和流出的差等于控制體系內(nèi)流體質(zhì)量的增量.

      (1)

      式中:ρ為密度,g/cm3;t為時(shí)間,s;U為速度矢量,U在x,y,z方向上的速度分量分別為u,v和w;div為散度.

      在集氣結(jié)構(gòu)的模擬過(guò)程中,煙氣在集氣結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)屬于低速氣體流動(dòng)(|U|<50 m/s),因此屬于不可壓縮流體.

      對(duì)于不可壓縮流體,式(1)可以簡(jiǎn)化為

      (2)

      2)動(dòng)量守恒方程.動(dòng)量守恒方程也是流體運(yùn)動(dòng)應(yīng)遵循的普遍定律,即牛頓第二定律,表示對(duì)于一個(gè)給定的流體系統(tǒng)來(lái)說(shuō),流體動(dòng)量隨時(shí)間的變化率等同于外界作用在該流體系統(tǒng)上的所有力之和.對(duì)于牛頓流體來(lái)說(shuō),動(dòng)量守恒方程簡(jiǎn)稱動(dòng)量方程,也叫運(yùn)動(dòng)方程,即N-S方程,其表達(dá)式如下:

      (3)

      (4)

      (5)

      式中:μ為動(dòng)力黏度;p為流體系統(tǒng)壓力;grad為梯度;Su,Sv,Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng).

      3)能量守恒方程.能量守恒方程是當(dāng)流體系統(tǒng)存在熱交換時(shí)需要滿足的定律,以溫度T為變量,在電解槽集氣結(jié)構(gòu)中,煙氣溫度約為100~150 ℃,由于在集氣結(jié)構(gòu)中煙氣溫度變化不大,按照150 ℃計(jì)算[17-18].因此,對(duì)于不可壓縮流體,當(dāng)熱交換很小時(shí),可以不考慮能量守恒方程.

      為了選擇合適的計(jì)算模型,首先計(jì)算煙氣流動(dòng)的雷諾數(shù),判斷煙氣的流動(dòng)狀態(tài).雷諾數(shù)的計(jì)算公式為

      Re=ρvgasd/μ.

      (6)

      式中:Re為雷諾數(shù);vgas為煙氣流速;d為管道直徑.

      以煙管出口處為例,計(jì)算煙氣流動(dòng)的雷諾數(shù).煙氣密度ρ按照空氣密度近似取值,在150 ℃,當(dāng)?shù)卮髿鈮?8 kPa的情況下為0.95 kg/m3;煙氣流速vgas按照400 kA電解槽單槽排煙量8 500 m3/h(273 ℃,101 325 Pa),管徑760 mm計(jì)算,為9.29 m/s;管徑d為760 mm;動(dòng)力黏度μ按照空氣近似取值,在150 ℃情況下約為2.4×10-5kg·m-2·s.因此計(jì)算得電解槽出口處雷諾數(shù)為2.8×105.一般認(rèn)為,Re<2 300為層流狀態(tài),2 3004 000為湍流狀態(tài),Re>10 000為完全湍流狀態(tài).因此,電解槽出口處雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于臨界值,為完全湍流狀態(tài),其他部分的雷諾數(shù)與出口處數(shù)量級(jí)相似,因此,集氣結(jié)構(gòu)中的煙氣流動(dòng)為湍流狀態(tài).

      目前,應(yīng)用最廣泛的湍流模型是兩方程模型,其中標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型是最基本的,也是最常用的兩方程模型.該模型分別引入了關(guān)于湍流動(dòng)能κ和耗散率ε的方程,其方程式如下[19-20]:

      (7)

      (8)

      式中:κ為湍流動(dòng)能,湍流模型中最常見(jiàn)物理量,是湍流強(qiáng)度的度量;ε為湍流動(dòng)能耗散率,即在分子黏性作用下,由湍流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的速率;Gk為由于平均速度梯度而引起的湍流動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng);Gb為由于浮力而引起的湍流動(dòng)能κ的產(chǎn)生項(xiàng);YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk為與湍流動(dòng)能κ對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù);σε為與湍流動(dòng)能耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù).

      因此,電解槽集氣結(jié)構(gòu)的模擬采用κ-ε模型,湍流參數(shù)選擇湍流強(qiáng)度I和水力直徑D.

      對(duì)于圓管,水力直徑即為圓管直徑.湍流強(qiáng)度的計(jì)算公式為

      (9)

      式中,ReD為按水力直徑計(jì)算得到的雷諾數(shù).

      以煙管出口處為例,其雷諾數(shù)為2.8×105,代入式(9)計(jì)算得煙管出口處的湍流強(qiáng)度為0.033.按照式(9)分別計(jì)算各進(jìn)出口的湍流強(qiáng)度,并將湍流強(qiáng)度和水力直徑輸入數(shù)值模擬軟件.采用速度進(jìn)口的邊界條件,按照8 500 m3/h(273 ℃,101 325 Pa)定義煙管出口流速為9.29 m/s,輸入模擬軟件.

      2 400 kA電解槽集氣結(jié)構(gòu)模擬

      該廠400 kA電解槽采用下煙道集氣結(jié)構(gòu),即側(cè)面開(kāi)孔的V型集氣罩.根據(jù)現(xiàn)有400 kA電解槽集氣結(jié)構(gòu),建立計(jì)算模型,如圖1所示.V型集氣罩兩側(cè)開(kāi)孔數(shù)分別為39個(gè).由于電解槽上部結(jié)構(gòu)中有料箱、打殼錘頭等穿過(guò)集氣煙道,集氣罩的開(kāi)孔位置需考慮空間位置限制,其分布不均勻.因此,為保證整個(gè)煙道集氣的均勻性,每個(gè)小孔集氣的目標(biāo)流量有所差異.通過(guò)調(diào)整集氣孔的直徑,控制煙氣的進(jìn)氣流量.

      圖1 下煙道集氣結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

      根據(jù)400 kA電解槽煙氣量測(cè)試數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)值,以煙氣量8 500 m3/h(273 ℃,101 325 Pa),煙氣溫度150 ℃作為邊界條件,當(dāng)?shù)卮髿鈮?8 kPa,集氣管道出口直徑760 mm.通過(guò)模擬計(jì)算,400 kA電解槽下煙道集氣結(jié)構(gòu)的壓力損失約為363 Pa,其內(nèi)部氣流流線圖如圖2a所示.由圖2a可知,煙道的集氣均勻性較差,出鋁端集氣量遠(yuǎn)小于煙道端,出鋁端煙氣流速較低.

      圖2 下煙道集氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣流流線圖

      400 kA電解槽下煙道集氣結(jié)構(gòu)各小孔的目標(biāo)流量和模擬流量如圖3所示(將集氣結(jié)構(gòu)中小孔編號(hào)從小到大為出鋁端至煙道端),由圖3可知,原集氣結(jié)構(gòu)小孔的模擬流量與目標(biāo)流量偏差較大.由于煙道較長(zhǎng),集氣孔數(shù)量較多,為了更清晰地對(duì)比不同煙道位置的集氣性能,以打殼下料孔位置為依據(jù),對(duì)下集氣煙道進(jìn)行分段,如圖1c所示,各段煙道目標(biāo)流量和模擬流量如表1所示.由表1可知,在下煙道集氣結(jié)構(gòu)前4段,原結(jié)構(gòu)流量小于目標(biāo)流量, 尤其是第一段和第四段偏差最大,分別比目標(biāo)流量小21.07%和47.17%.第五段和第六段,原結(jié)構(gòu)流量遠(yuǎn)大于目標(biāo)流量,接近煙道端的第六段,其原結(jié)構(gòu)流量比目標(biāo)流量大57.61%.由此可見(jiàn),原結(jié)構(gòu)集氣不均勻現(xiàn)象嚴(yán)重,煙道中段和出鋁端皆容易出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象,集氣效率低,車間環(huán)境差,氟化鹽消耗偏高.此外,集氣不均勻會(huì)破壞電解槽內(nèi)的熱平衡,集氣量小的地方爐幫較厚,集氣量大的地方爐幫較薄.由于下煙道集氣結(jié)構(gòu)中,出鋁端煙氣流速較低(<5 m/s),煙氣中攜帶的粉塵容易在煙道中發(fā)生沉降,產(chǎn)生煙道積灰,從而進(jìn)一步加大了煙道阻力,降低集氣效果.

      圖3 下煙道集氣結(jié)構(gòu)小孔流量

      表1 下煙道集氣結(jié)構(gòu)流量對(duì)比表

      表1中偏差為

      (10)

      其中:L1為目標(biāo)流量;L2為原結(jié)構(gòu)或改造后結(jié)構(gòu)流量.

      3 下煙道集氣結(jié)構(gòu)改造模擬

      鑒于電解槽原下煙道集氣結(jié)構(gòu)存在集氣嚴(yán)重不均勻、煙道阻力大、粉塵沉積和集氣效率低等問(wèn)題,對(duì)下煙道集氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,通過(guò)調(diào)整開(kāi)孔大小,改變隔板位置,減少流量偏差,提高電解槽集氣效率.

      對(duì)改造后的下煙道集氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算,其壓力損失略低于原結(jié)構(gòu),為340 Pa.圖2b所示為改造后的內(nèi)部氣流流線圖,與圖2a相比,雖然出鋁端煙氣流速依然小于煙道端,但各小孔的集氣均勻性得到了顯著改善.改造后下煙道集氣結(jié)構(gòu)的模擬流量與目標(biāo)流量和原結(jié)構(gòu)流量對(duì)比如圖3所示.由圖3可知,改造后各小孔的模擬流量與目標(biāo)流量之間的偏差遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu).各段煙道目標(biāo)流量與模擬流量如表1所示.由表1可知,改造后模擬流量與目標(biāo)流量相近,其流量偏差皆小于10%,改造效果明顯.其中,第三段、第四段煙道模擬流量分別較目標(biāo)流量小2.48%,9.97%,其余各段煙氣流量皆略大于目標(biāo)流量.值得注意的是,改造后,第一段和第二段煙道,即出鋁端煙道,模擬流量分別比目標(biāo)流量高1.22%和7.49%,有利于出鋁端集氣.該改造措施不調(diào)整電解槽上部結(jié)構(gòu)整體布局,改造施工量小,施工容易(施工時(shí)間約3天/臺(tái)),投資量少(約1萬(wàn)元/臺(tái)).現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際改造結(jié)果表明,改造后電解槽集氣均衡效果明顯,出鋁端煙氣泄露現(xiàn)象得到明顯改善,集氣效率得到顯著提高,煙道積灰現(xiàn)象改善不明顯,仍需頻繁清灰.

      4 新型上煙道集氣結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

      雖然通過(guò)下煙道集氣結(jié)構(gòu)改造,集氣均勻性得到了顯著改善,集氣效率明顯提高.但是依然存在一些缺點(diǎn):煙道內(nèi)流速不均勻;出鋁端煙氣流速低(<5 m/s),從出鋁端到煙道端,流速逐漸增大,煙道端流速大于10 m/s,煙道內(nèi)流速變化大,內(nèi)部負(fù)壓分布不均勻;且由于出鋁端煙氣流速過(guò)低,容易產(chǎn)生積灰,進(jìn)一步增大出鋁端阻力,不利于煙道長(zhǎng)期的均勻集氣.此外,在負(fù)壓的作用下,煙道端小孔進(jìn)氣流速高(大于20 m/s),遠(yuǎn)高于粉塵的沉降速度.而小孔集氣后直接進(jìn)入主煙道,造成槽膛內(nèi)的大量粉塵將進(jìn)入主煙道,減少煙道流通面積,影響集氣效果,需要頻繁清理煙道.由于下煙道集氣結(jié)構(gòu)的集氣罩在水平罩板以下,距離電解槽殼面較近,即在電解熱煙氣上升力較大的位置改變煙氣走向進(jìn)行收集,因此下煙道集氣結(jié)構(gòu)的壓力損失較大,即使經(jīng)過(guò)改造,改善效果也不明顯.

      鑒于以上原因,開(kāi)發(fā)了一種上煙道集氣結(jié)構(gòu),其模型如圖4所示.上煙道集氣技術(shù)利用電解槽大梁上部的空間布置煙道,并連接至集氣罩開(kāi)孔位置.集氣罩開(kāi)孔較大,位于水平罩板以上.為了減少煙氣沉降造成的管道積灰,集氣煙道采用變截面設(shè)計(jì),控制管道內(nèi)煙氣流速,保證出鋁端的煙氣流速高于粉塵沉降速度.此外,在上煙道內(nèi)設(shè)置噴吹管,利用壓縮空氣定期對(duì)電解槽上煙道內(nèi)進(jìn)行噴吹清灰,帶出至電解煙氣凈化系統(tǒng),徹底解決煙道積灰.

      圖4 上煙道集氣結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

      與下煙道集氣模擬相同,以8 500 m3/h(273 ℃,101 325 Pa),煙氣溫度150 ℃作為邊界條件,當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?8 kPa.上煙道集氣結(jié)構(gòu)管道出口直徑為550 mm.通過(guò)模擬計(jì)算,400 kA電解槽上煙道集氣結(jié)構(gòu)的壓力損失約為187 Pa,其內(nèi)部氣流流線圖如圖5所示.由圖可知,由于集氣罩開(kāi)口大,在集氣罩內(nèi)煙氣流速低,小于6 m/s,且煙氣在上升過(guò)程中有足夠的空間和距離沉降,因此,不會(huì)將大量粉塵帶到集氣管道中.集氣管道內(nèi)流速均勻,大于14 m/s,大于粉塵沉降速度,避免了煙氣內(nèi)粉塵在煙道內(nèi)沉積的問(wèn)題.鑒于以上兩點(diǎn),上集氣煙道中不易出現(xiàn)積灰,避免了積灰堵住集氣口,進(jìn)而從集氣罩落料影響電解質(zhì)濃度平衡的現(xiàn)象.此外,由于煙氣經(jīng)過(guò)上煙道集氣罩后,需要繼續(xù)上升到電解槽大梁上翼板下面的位置才開(kāi)始轉(zhuǎn)向,充分利用了熱煙氣上升力,從而大幅度減少了壓力損失,上煙道集氣結(jié)構(gòu)的壓力損失約為下煙道集氣結(jié)構(gòu)的1/2,降低了集氣能耗,提高了集氣效率.

      圖5 上煙道集氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部流線圖

      表2為電解槽上煙道集氣結(jié)構(gòu)各集氣罩目標(biāo)流量與模擬流量.由表2可知,上煙道集氣結(jié)構(gòu)的模擬流量與目標(biāo)流量相近,其流量偏差最大為8.2%.其中,靠近出鋁端的集氣罩1和集氣罩2分別比目標(biāo)流量高4.9%和8.2%,有利于出鋁端煙氣的收集.

      表2 上煙道集氣結(jié)構(gòu)煙氣流量對(duì)比

      新型上煙道集氣結(jié)構(gòu)改造需將現(xiàn)有下部集氣罩和水平罩板整體拆除,料箱部分切除,并重新焊接水平罩板、上翼板、補(bǔ)焊料箱等,與下煙道集氣結(jié)構(gòu)改造相比,施工較為復(fù)雜(施工時(shí)間約15天/臺(tái)),投資較高(約6萬(wàn)元/臺(tái)).現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際改造結(jié)果表明,上煙道集氣結(jié)構(gòu)改造后,在煙氣量不變的情況下,煙道出口負(fù)壓明顯降低,能耗降低,集氣更加均勻.經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行,煙道內(nèi)沒(méi)有明顯積灰,電解車間環(huán)境得到顯著改善.

      5 結(jié) 論

      1) 原有電解槽下煙道集氣結(jié)構(gòu)壓力損失約為363 Pa,集氣均勻性差,出鋁端集氣量遠(yuǎn)小于煙道端,出鋁端煙氣流速低,煙道積灰嚴(yán)重,集氣效率低.

      2) 改造后的下煙道集氣結(jié)構(gòu)壓力損失約為340 Pa,略低于改造前,集氣均衡效果明顯,集氣效率顯著提高,煙道積灰現(xiàn)象改善不明顯,仍需頻繁清灰.

      3) 新型上煙道集氣結(jié)構(gòu)改造后,壓力損失約為187 Pa,遠(yuǎn)小于下集氣結(jié)構(gòu).集氣均勻,集氣效率高,煙道沒(méi)有明顯積灰,車間環(huán)境得到顯著改善,但投資較高,建議在投資允許的情況下,采用上煙道集氣結(jié)構(gòu).

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