電解槽集氣系統(tǒng)排煙管網(wǎng)煙氣流動(dòng)及傳熱模擬研究

何愛玲王尚元

(1.沈陽環(huán)境科學(xué)研究院,遼寧沈陽 110015;2.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司),遼寧沈陽 110013)

電解槽集氣系統(tǒng)排煙管網(wǎng)煙氣流動(dòng)及傳熱模擬研究

何愛玲1王尚元2

(1.沈陽環(huán)境科學(xué)研究院,遼寧沈陽 110015;2.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司),遼寧沈陽 110013)

為提高電解槽集氣系統(tǒng)排煙管網(wǎng)集氣均勻性,并為保證后續(xù)工作安全性,筆者就電解槽集氣系統(tǒng)煙氣流動(dòng)及傳熱的數(shù)值模擬進(jìn)行了簡單介紹,并就網(wǎng)格劃分提出了切實(shí)可行的解決思路,為工程設(shè)計(jì)提出了合理可行的解決方案。

電解槽 管網(wǎng) 模擬 集氣系統(tǒng)

1 概述

自90年代以來，我國電解鋁行業(yè)的發(fā)生了翻天覆地的變化。與此同時(shí)國家關(guān)于節(jié)能減排的各項(xiàng)政策也陸續(xù)出臺(tái)，因此出于改善電解車間工作環(huán)境，減少污染物排放的考慮，提高電解槽集氣系統(tǒng)集氣效率就成為電解鋁生產(chǎn)工藝中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電解槽集氣結(jié)構(gòu)外形尺寸優(yōu)化，以及集氣系統(tǒng)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)便成為需要我們解決的重要課題。電解鋁行業(yè)的從業(yè)者對如何有效提高電解鋁煙氣集氣系統(tǒng)的效率提出了更高的要求。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)以及其它的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)成為模擬和研究電解鋁煙氣排放系統(tǒng)有力工具。

2 思路

因此我們下面開展的工作就是采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，對集氣系統(tǒng)中的排煙管網(wǎng)的流動(dòng)阻力和傳熱特性進(jìn)行分析，計(jì)算出相應(yīng)的壓力損失。同時(shí)提高排煙管網(wǎng)內(nèi)部煙氣流動(dòng)速度的均勻性以及煙道管網(wǎng)入口處負(fù)壓分布的均勻性。我們使用Fluent等國際著名的專業(yè)流體分析軟件對電解鋁煙氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的煙氣流動(dòng)、壓力分布以及換熱特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，我們主要分以下幾個(gè)階段來對煙氣管網(wǎng)系統(tǒng)的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行計(jì)算：

(1)計(jì)算分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，分別構(gòu)建幾何模型，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)形式下，煙氣流動(dòng)速度分布，通過比較流場的均勻度，比較兩者的差異和優(yōu)劣，從而確定支管接入主煙管位置。

(2)根據(jù)上一步的計(jì)算結(jié)果，分析各處的流動(dòng)狀況，對流速變化較大的區(qū)域的管徑進(jìn)行修正，以達(dá)到提高流動(dòng)的均勻性和壓力變化均勻性的目的。

(3)在前面計(jì)算優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化排煙支管的接入角度，分別取30°、45°和60°三種角度進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對比三種不同條件下的流動(dòng)狀況和阻力損失，以獲得最優(yōu)的接入支管角度。

3 模型建立

3.1 計(jì)算思路

本次計(jì)算的思路，是按照“幾何建模”→“網(wǎng)格劃分” →“數(shù)值計(jì)算” →“后處理分析”的標(biāo)準(zhǔn)CFD工程分析程序進(jìn)行的。

3.2 計(jì)算所用軟件

本次計(jì)算采用的是國際通行的專業(yè)CFD處理工具。其中前處理采用的是GAMBIT2.4自帶前處理程序，數(shù)值計(jì)算的時(shí)候采用的求解器為FLUENT6.3求解器。

3.3 幾何建模

我們利用GAMBIT2.4軟件建立電解車間排煙管網(wǎng)系統(tǒng)的幾何模型。該幾何模型包括排煙支管、主排煙管、煙道出口管道以及主排煙管保溫層等影響煙氣流動(dòng)與傳熱的部分。我們在不影響模擬結(jié)果的前提下提出以下簡化方案：(1)忽略主排煙管分段連接處縫隙；(2)對支管的形式進(jìn)行理想化處理，忽略不影響煙氣流動(dòng)局部結(jié)構(gòu)形式。

3.4 網(wǎng)格劃分

煙道網(wǎng)管主要由支、主排煙管及主排煙管出口管道組成。管網(wǎng)內(nèi)部我們主要考慮主、支煙道交接處、管網(wǎng)保溫層厚度、支煙道放置位置以及主排煙管與主排煙管出口交接處等對煙氣流動(dòng)有影響的結(jié)構(gòu)部位，而對其他部位結(jié)構(gòu)則已經(jīng)在3.3節(jié)中進(jìn)行了工程簡化。為CFD數(shù)值模擬做準(zhǔn)備，我們需要對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響著數(shù)值模擬計(jì)算的收斂性、效率與精度。因此根據(jù)幾何模型結(jié)構(gòu)及流場分布特點(diǎn)對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分是十分必要的。

由于主排煙管與煙管出口的交接處的幾何形狀復(fù)雜性較高。如果要生成完全六面體網(wǎng)格，需要大量時(shí)間才能完成，而四面體網(wǎng)格的長寬比較小，在主支煙道交接處會(huì)產(chǎn)生非常差的網(wǎng)格甚至不能生成網(wǎng)格。因此我們采用GAMBIT2.4提供的Hex core(Native)劃分中心六面體周圍四面體網(wǎng)格，并優(yōu)先對與主排煙管的圓柱管道劃分六面體網(wǎng)格，可以保證直管道為六面體及網(wǎng)格連續(xù)性，從而提高計(jì)算精度。

在主、支煙管有角度變化的連接處，幾何輪廓線較多，容易形成狹縫，從而造成網(wǎng)格劃分困難甚至不能進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因此我們進(jìn)行幾何體虛化處理，這樣使網(wǎng)格劃分成為可能并且得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先采用邊網(wǎng)格控制網(wǎng)格的疏密變化，以保證圓弧的模擬精度，再采用Hex core網(wǎng)格劃分，從而加快網(wǎng)格劃分速度并保證網(wǎng)格質(zhì)量。

本文在對主、支煙道角度變化的研究后，還對官網(wǎng)保溫層的傳熱數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算。由于保溫層相對煙管直徑較小，直接生成網(wǎng)格則難以保證保溫層徑向的網(wǎng)格數(shù)，影響模擬精度。因此我們利用貼體坐標(biāo)的方法對保溫層進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分，生成六面體及棱柱體網(wǎng)格，并保證保溫層的徑向網(wǎng)格數(shù)。

4 計(jì)算模型和邊界條件的設(shè)定

本次模擬計(jì)算的對象是煙氣在排煙管網(wǎng)系統(tǒng)中的流動(dòng)問題，可以認(rèn)為是不可壓縮煙氣和冷空氣的混合流動(dòng)。本次模擬計(jì)算涉及到湍流流動(dòng)及傳熱等復(fù)雜物理過程，為準(zhǔn)確模擬該過程，我們采用kε雙方程湍流模型，通過設(shè)定湍流強(qiáng)度和粘性比來確定初始及邊界處的湍流特性，以獲得更快的收斂速度。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，我們可將其視為單一不可壓縮的氣體處理，并根據(jù)煙氣和冷空氣的體積比，確定管網(wǎng)中目標(biāo)氣體的主要物性。

煙氣的物性參數(shù)包括：混合氣體的物性參數(shù)如下：密度ρ= 1.233kg/m3，動(dòng)力粘度ν=1.7758E-5kg/s*m，比熱Cp=1003.7J/ kg*k，導(dǎo)熱系數(shù)k=0.024W/m*k。排煙管網(wǎng)各支管的流量按照10000 Nm3/h設(shè)定，因此相應(yīng)質(zhì)量流量設(shè)定為3.403kg/s。

5 總結(jié)及建議

(1)由于采用主排煙管分段增擴(kuò)和支管接入角度變化等措施，目前的管網(wǎng)系統(tǒng)可在-210Pa到-250Pa之間的負(fù)壓范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作，且能保證單個(gè)煙氣集氣系統(tǒng)的集氣量要求。同時(shí)考慮到集氣系統(tǒng)負(fù)壓的要求我們建議主排煙管的出口處的風(fēng)機(jī)負(fù)壓高于-560Pa。

(2)在目前計(jì)算條件下，三種支管接入角度(60°、45°和30°)中，30°的接入角度可以獲得最佳的阻力損失和速度均衡效果。因此建議將支管的接入角度修改為30°。