焙燒爐分料箱對(duì)CO3上升管流場(chǎng)的影響分析

孫勝仁

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110001)

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產(chǎn)的最后一道工序,目前全球有兩種主流的氫氧化鋁焙燒技術(shù),循環(huán)流化床焙燒爐技術(shù)(CFB)和氣態(tài)懸浮焙燒爐技術(shù)(GSC)。氣態(tài)懸浮焙燒爐焙燒具有時(shí)間短、主爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全系統(tǒng)負(fù)壓操作、易于開(kāi)停車(chē),清理工作量少等優(yōu)點(diǎn)。目前約有90%的氧化鋁企業(yè)采用GSC技術(shù),但其缺點(diǎn)是焙燒爐系統(tǒng)中多個(gè)單體旋風(fēng)分離器與下料管之間相互交錯(cuò),設(shè)備總高度高,氫氧化鋁顆粒停留時(shí)間長(zhǎng)。

我國(guó)上世紀(jì)80年代逐漸引進(jìn)850、1350、1850 t/d等幾種不同規(guī)格的氣態(tài)懸浮焙燒爐技術(shù),在此基礎(chǔ)上于2014年首次自主研發(fā)了4000 t/d焙燒爐技術(shù)并在2015年成功投產(chǎn),運(yùn)行穩(wěn)定。4000 t/d焙燒爐對(duì)于系統(tǒng)中CO3上升管處分料箱位置等細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)因缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)及工業(yè)數(shù)據(jù),并且國(guó)內(nèi)外對(duì)物料進(jìn)入系統(tǒng)管道位置的流場(chǎng)研究相對(duì)較少,所以部分保留了引進(jìn)技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)。但是隨著焙燒爐產(chǎn)能的增大,設(shè)備總體高度變高,分料箱位置是優(yōu)化設(shè)備總高的關(guān)鍵因素之一。在不影響焙燒爐系統(tǒng)正常工作的前提下調(diào)整分料箱的位置,可降低總體設(shè)備高度,進(jìn)而減少建設(shè)投資,同時(shí)減少物料在系統(tǒng)中的停留時(shí)間,減少系統(tǒng)風(fēng)阻,降低風(fēng)機(jī)電耗。

本文結(jié)合某廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對(duì)CO3上升管處分料箱的位置進(jìn)行優(yōu)化,提出了分料箱理論上的最優(yōu)位置。通過(guò)對(duì)下料管、分料箱和T12燃燒器進(jìn)行共同建模,借助fluent軟件中的DPM模型,首次耦合了氣固兩相流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng),追蹤帶料烘爐時(shí)氧化鋁顆粒在上升管中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),以及氣相本身的流動(dòng)和換熱狀態(tài),證明了優(yōu)化后的分料箱位置對(duì)此處的流場(chǎng)幾乎無(wú)影響,滿(mǎn)足烘爐和正常運(yùn)行要求,可以滿(mǎn)足優(yōu)化設(shè)備高度的需求。

1 CO3上升管模型與計(jì)算

1.1 物理模型

圖1是某氧化鋁廠(chǎng)4000 t/d氫氧化鋁焙燒爐CO3上升管局部結(jié)構(gòu)示意,物料從CO1下料管進(jìn)入分料箱,再進(jìn)入CO3上升管中。焙燒爐在帶料烘爐時(shí),此處下料點(diǎn)的流場(chǎng)最為復(fù)雜。冷風(fēng)從CO3自下而上進(jìn)入CO3上升管,T12燃燒器產(chǎn)生的熱風(fēng)從T12入口進(jìn)入,混合后的熱風(fēng)攜帶預(yù)熱后的物料共同進(jìn)入到CO2中。圖2為原CO3上升管模型圖。

圖1 焙燒爐CO3上升管局部結(jié)構(gòu)示意

圖2 原CO3上升管模型

圖3為CO3上升管改進(jìn)模型:將分料箱上調(diào)到平臺(tái)支座以上,因上升管彎頭為異形管道,分料箱不宜設(shè)置在異形管道處,因此將分料箱設(shè)置在彎頭下方,與T12高度基本一致,此處為分料箱可能提升的最大高度。同時(shí)平臺(tái)支座與T12距離也可相應(yīng)縮短。原分料箱位置距新支座位置的高度差為CO3上升管理論上可降低的最大高度,即焙燒爐總體在該處可降低的最大高度(～2 m),而證明可以?xún)?yōu)化的前提就是分料箱的位置在上移之后,該處的流場(chǎng)基本不發(fā)生變化或者變化較小。

圖3 CO3上升管改進(jìn)模型

1.2 基本假設(shè)

該模型做了如下假設(shè)和簡(jiǎn)化:

(1)因分料箱中設(shè)有撒料盤(pán)等均化結(jié)構(gòu),考慮氫氧化鋁為連續(xù)均勻下料,顆粒是大小均勻的球形物料;

(2)不考慮燃燒器的燃燒反應(yīng)及燃料燃燒過(guò)程的風(fēng)量波動(dòng),認(rèn)為T(mén)12入口為均勻的熱風(fēng)。

1.3 穩(wěn)態(tài)離散相問(wèn)題的設(shè)定、求解

穩(wěn)態(tài)離散相問(wèn)題的設(shè)定、求解的一般過(guò)程如下:

(1)求解連續(xù)相流場(chǎng);

(2)創(chuàng)建離散相噴射源;

(3)求解耦合流動(dòng);

(4)用PLOT 或 REPORT 圖形界面來(lái)跟蹤離散相。

1.4 控制方程

(1)顆粒的力平衡

顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(x方向?yàn)槔?為:

(1)

式中:FD——顆粒的單位質(zhì)量曳力,N;

u——流體相速度,m/s;

up——流體相速度,m/s;

ρ——流體密度,kg/m3;

ρp——顆粒密度,kg/m3。

(2)

式中:Re——相對(duì)雷諾數(shù),無(wú)量綱;

dp——顆粒直徑,mm;

μ——為流體動(dòng)力粘度,N·s/m2。

(2)顆粒溫度Tp(t)與顆粒表面的對(duì)流與輻射傳熱:

(3)

式中:mp——顆粒質(zhì)量,kg;

cp——相對(duì)顆粒比熱,J/(kg·K);

Ap——顆粒表面積,m2;

T∞——連續(xù)相的當(dāng)?shù)販囟?K;

Tp——連續(xù)相的當(dāng)?shù)販囟?K;

h——對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K);

σ——斯蒂芬孫-玻耳茲曼常數(shù),

5.67×10-8W/(m2·K4);

θR——輻射溫度,K;

εp——輻射率,無(wú)量綱。

1.5 邊界條件

兩種模型輸入的邊界條件如下:

CO3上升管氣相入口:1.5 m/s,溫度30℃(303 K);

T12氣相入口:34 m/s,溫度1200℃(1473 K);

下料管:顆粒速度6 m/s,顆粒溫度300℃(573 K)。

2 CO3上升管流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

2.1 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡-停留時(shí)長(zhǎng)

通過(guò)數(shù)值模擬,得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4a和圖4b所示。模型通過(guò)追蹤顆粒的跡線(xiàn)來(lái)反映顆粒在多股不同溫度的氣流作用下的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖中曲線(xiàn)即為不同顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,顏色代表顆粒到達(dá)該點(diǎn)累計(jì)的時(shí)間。

圖4 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡-停留時(shí)長(zhǎng)(s)

顆粒從下料管進(jìn)口進(jìn)入,靠重力作用下落,通過(guò)分料箱進(jìn)入CO3上升管;多數(shù)顆粒在上升管中上升氣流的作用下沿上升管壁向上運(yùn)動(dòng),之后在上升氣流和T12燃燒室橫向熱風(fēng)的共同作用下,斜向上運(yùn)動(dòng),最終通過(guò)出口流出進(jìn)入CO2旋風(fēng)分離器。

從圖4可以看出,顆粒在整個(gè)結(jié)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)歷經(jīng)的時(shí)長(zhǎng)約在2.4～3.6 s之間。圖4a模型中分料箱(進(jìn)料)的位置比較靠下,顆粒停留的平均時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),符合客觀規(guī)律。圖4b模型中由于將分料箱位置提升至T12所在高度,顆粒在T12橫向熱風(fēng)的作用下,個(gè)別粒子在模型內(nèi)停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)分散一些,但總體都不超過(guò)6 s,且兩個(gè)模型中的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致。

2.2 顆粒溫度

固相顆粒的溫度沿運(yùn)動(dòng)軌跡的變化情況如圖5所示。曲線(xiàn)為顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,顏色代表溫度高低不同。顆粒溫度跡線(xiàn)反應(yīng)了顆粒從下料管進(jìn)口開(kāi)始運(yùn)動(dòng)至彎頭出口的溫度變化情況,顆粒在通過(guò)分料箱進(jìn)入上升管以后,溫度逐漸上升。流經(jīng)彎頭出口,換熱后溫度在1100～1360 K(827～1087℃)之間。顆粒在進(jìn)入CO2旋風(fēng)分離器以后,會(huì)進(jìn)一步與氣相進(jìn)行換熱。

圖5 顆粒跡線(xiàn)-溫度(K)

2.3 氣相速度場(chǎng)分布

在多股不同速度和溫度的氣流共同作用下,CO3上升管中的氣相速度分布圖6所示。雖然分料箱的位置不同,但上升管內(nèi)的速度場(chǎng)分區(qū)趨勢(shì)和大小基本一致,說(shuō)明固相顆粒對(duì)氣相的速度場(chǎng)影響不大。

圖6 升管氣相速度場(chǎng)(m/s)

2.4 氣相溫度場(chǎng)分布

上升管中的溫度分布如圖7和圖8所示。分料箱的位置不同,分料箱與CO3上升管接觸的位置及上側(cè)區(qū)域的溫度分布情況略有不同,但上升管內(nèi)的總的溫度場(chǎng)趨勢(shì)基本一致。固相顆粒對(duì)上升管內(nèi)熱場(chǎng)的影響有限,影響最大的部位僅為分料箱周?chē)?2個(gè)模型中其他部位的外壁溫度場(chǎng)近乎一致。

圖7 外壁溫度場(chǎng)(K)

圖8 中心截面溫度場(chǎng)(K)

通過(guò)綜合對(duì)比分料箱位置優(yōu)化前后CO3上升管處的流場(chǎng)可以判定,固相對(duì)氣相的反作用影響很小,此分料箱上移至T12所處高度位置對(duì)整體流場(chǎng)沒(méi)有明顯影響,證明可以按預(yù)期最大程度上的降低CO3上升管的高度。

3 分料箱位置優(yōu)化收益

對(duì)于分料箱上移后,可相應(yīng)降低CO3上升管的高度及該平臺(tái)對(duì)應(yīng)的其他所有焙燒爐系統(tǒng)連接管道高度,減少設(shè)備鋼材和內(nèi)襯用量。通過(guò)優(yōu)化此處配置,最大程度上降低設(shè)備高度～2 m;預(yù)計(jì)可減少焙燒爐鋼材用量～8.5 t,對(duì)應(yīng)減少建設(shè)投資～6.38萬(wàn)元(含人工費(fèi),下同);保溫塊和耐火磚等內(nèi)襯材料量共計(jì)～28.2 t,對(duì)應(yīng)減少建設(shè)投資～9.82萬(wàn)元;綜合減少焙燒爐設(shè)備投資～16.2萬(wàn)元。焙燒爐降低高度的同時(shí)可以有效的減少物料在焙燒爐中的停留時(shí)間,并降低系統(tǒng)風(fēng)阻。

在其他條件不變的情況下,焙燒爐降低2 m高度,對(duì)應(yīng)可減少結(jié)構(gòu)框架鋼材用量～70 t,對(duì)應(yīng)減少建設(shè)投資～52.5萬(wàn)元,并且提高了結(jié)構(gòu)框架和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。合計(jì)總建設(shè)費(fèi)用可降低～68.7萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)優(yōu)化焙燒爐CO3上升管處分料箱的相對(duì)位置,焙燒爐總高度降低了～2 m,減少設(shè)備和結(jié)構(gòu)鋼材用量～78.5 t,內(nèi)襯用量～28.2 t,優(yōu)化后減少投資～68.7萬(wàn)元,且能進(jìn)一步縮短氣態(tài)懸浮焙燒爐中物料的停留時(shí)間。

(2)通過(guò)對(duì)比分析優(yōu)化前后CO3上升管的流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)固相對(duì)氣相的反作用很小,分料箱位置調(diào)整帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì),從理論上證明了上述優(yōu)化方案的可行性。

優(yōu)化后的焙燒爐已經(jīng)投產(chǎn),運(yùn)行良好,也初步印證了這一結(jié)論。同時(shí)也說(shuō)明利用這種可視化的分析手段結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)焙燒爐設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作。