基于數(shù)值仿真開發(fā)的電解槽集氣系統(tǒng)

耿培久

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110001)

0 前言

FLUENT是基于有限容積法的CFD大型商業(yè)軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機設(shè)計、電力、冶金等行業(yè)，主要用于解決轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面的問題[1]。電解鋁行業(yè)中也存在大量多相流動、傳熱等現(xiàn)象，例如電解槽內(nèi)高溫熔液的多相流動與波動、槽上集氣煙道內(nèi)部的煙氣流動與傳熱、電解車間內(nèi)電解槽散熱與廠房通風等。因此，借助FLUENT軟件可深入研究流體的流動與傳熱行為，全面地解析流體的運動與換熱規(guī)律，為合理、精細化的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供便利條件。本文結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗并利用數(shù)值模擬方法進行了電解槽新型集氣煙道結(jié)構(gòu)與雙煙管技術(shù)的研制開發(fā)。

1 電解槽等量吸風集氣煙道結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用

電解槽的集氣煙道是收集槽膛內(nèi)煙氣和粉塵的主要通道，也是調(diào)整電解槽熱平衡的有效手段之一(煙氣帶走熱量約占電解槽總散熱量的25%)。合理的煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計能有效維持槽膛內(nèi)負壓分布的均勻穩(wěn)定，強化集氣效果，減少污染物外泄，為電解槽熱量收入支出平衡提供可靠保證。

傳統(tǒng)的設(shè)計手段是依靠經(jīng)驗通過改變沿程的集氣孔大小來實現(xiàn)槽膛內(nèi)的風壓均勻。隨著槽容量的不斷增大，煙道結(jié)構(gòu)逐漸變寬加長，使得維持槽膛內(nèi)風壓均衡穩(wěn)定的難度也相應(yīng)加大，容易出現(xiàn)電解槽遠端(出鋁側(cè))冒煙冒料的問題。近年來，隨著電解鋁技術(shù)的不斷進步，電解槽逐漸向低極距、低電壓的保溫型方向發(fā)展，作為調(diào)節(jié)電解槽熱平衡手段之一的排煙量也必須相應(yīng)調(diào)整。因此調(diào)整電解槽的集氣策略，兼顧集氣效果和電解槽熱平衡，就成為集氣煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。

沈陽鋁鎂院以數(shù)值仿真為手段，借助CFD模擬軟件FLUENT，研究現(xiàn)有多種集氣煙道內(nèi)部煙氣流動場與溫度場的分布和變化規(guī)律，分析了上煙道和下煙道2種集氣煙道形式，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多分段等量吸風集氣煙道結(jié)構(gòu)[1-3]。

圖1為上煙道集氣形式(主體煙道位于電解槽大梁頂部)的煙道內(nèi)部煙氣流速分布，圖2為下煙道集氣形式(主體煙道位于電解槽大梁底部)的煙道內(nèi)部煙氣流速分布。

從圖1、圖2可以看出，上煙道內(nèi)部煙氣流速分布更為均勻，流速更為理想。

圖1 上集氣煙道內(nèi)部煙氣流速分布圖

圖2 下集氣煙道內(nèi)部煙氣流速分布圖

通過對比，等量吸風方案總體采用上煙道集氣形式。等量吸風主要是通過數(shù)值模擬方式，在電解槽煙道出口壓力和流量一定的條件下，通過設(shè)置多段煙道結(jié)構(gòu)，并對煙道的截面進行必要優(yōu)化，保證電解槽各集氣點的分量均勻。

通過深入研究槽膛及煙道內(nèi)部煙氣的溫度與流速分布，全面解析了煙氣的流動和變化規(guī)律，開發(fā)出等量吸風煙道結(jié)構(gòu)。等量吸風煙道在強化集氣效果、均衡槽膛風壓分布的同時，還能大幅度降低電解槽排煙量，使煙道阻力降低50～80 Pa(煙道阻力的17%～27%)。表1所示為某鋁廠節(jié)能型電解槽排煙量的實測數(shù)據(jù)。

在表1中，該型電解槽煙管閥門開度為30°～55°(全開90°)，電解系列平均單槽排煙量為6 200 Nm3/h，較設(shè)計值(8 500 Nm3/h)降低近30%，煙氣帶走熱量僅占電解槽總散熱量的29.9%。電解槽在低排煙量條件下槽膛密封良好，未發(fā)生冒煙冒料等現(xiàn)象，車間環(huán)境透亮，能見度較高。由此驗證了等量吸風煙道數(shù)學(xué)模型的可靠性。

表1 某鋁廠節(jié)能型電解槽排煙量

多年的生產(chǎn)實踐證明，等量吸風煙道具有結(jié)構(gòu)簡單合理、槽膛內(nèi)風壓平衡性較好、煙道遠端(出鋁側(cè))集氣效果明顯等優(yōu)點。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于多家中外鋁廠。

2 電解槽雙煙管技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

在進行換極、出鋁、撈渣等操作時，往往需要打開電解槽的槽罩板，導(dǎo)致槽膛內(nèi)的集氣負壓降低，使得電解車間的氟化物無組織排放增多[4-5]。因此，如何在進行開槽操作時有效減少污染物外泄就成為控制電解車間無組織煙氣排放量的關(guān)鍵。

挪威海德魯(HYDRO)和法國索羅斯(SOLIOS)采取的方法是在每臺電解槽上安裝副煙管，與主煙管共用槽上集氣煙道，并為副煙管系統(tǒng)設(shè)增壓風機。這樣的設(shè)置在開槽操作時可瞬時將單槽排煙量增大數(shù)倍[6]，詳細方案如圖3所示。主、副煙管系統(tǒng)收集的煙氣最終匯合進入凈化系統(tǒng)。該方案的優(yōu)點是開槽作業(yè)時單槽排煙量增加幅度較大；缺點是增大了凈化系統(tǒng)的處理風量，副煙管的開閉極大干擾了集氣煙道及主煙管系統(tǒng)的風壓平衡，且增設(shè)的風機增大了凈化系統(tǒng)的投資和電耗水平。

圖3 SOLIOS雙煙管凈化系統(tǒng)

針對上述技術(shù)方案的不足，沈陽鋁鎂院利用FLUENT軟件對槽上集氣系統(tǒng)內(nèi)部的煙氣流動場和溫度場進行數(shù)值模擬研究，開發(fā)出了無動力雙煙管集氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)與SOLIOS雙煙管凈化系統(tǒng)的主要區(qū)別在于充分利用凈化系統(tǒng)風機，主、副煙管均由凈化風機提供負壓動力，不再單設(shè)副煙管風機。該系統(tǒng)在每臺電解槽上設(shè)主、副排煙管，其中主煙管為常開狀態(tài)，而副煙管有開、關(guān)兩種狀態(tài)。電解槽正常運行時，副煙管關(guān)閉，通過主煙管集氣；當電解槽進行換極、出鋁等開槽作業(yè)時，打開副煙管，主、副煙管同時集氣，可使電解槽排煙量瞬時增大2～3倍。雙煙管系統(tǒng)內(nèi)部的煙氣流速分布如圖4所示。

圖4 雙煙管管道內(nèi)部煙氣流速分布圖

由圖4可知，在副煙管開啟時，副煙管煙氣流量可瞬時增大到正常排煙量的1～2倍，且不影響主煙管內(nèi)的煙氣流動狀態(tài)及風壓分布。開槽作業(yè)時，電解槽位置和數(shù)量不同，雙煙管煙氣流量增大倍數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同工況下單槽雙煙管的排煙量變化圖

由圖5可知，當凈化系統(tǒng)對應(yīng)的電解工區(qū)4臺槽同時開槽作業(yè)時(工況一、二)，作業(yè)槽的排煙量可增大至正常排煙量的2.4～2.8倍；若有8臺槽同時開槽作業(yè)(工況二、三、四)，作業(yè)槽的排煙量可增大至正常排煙量的1.9～2.4倍。

經(jīng)現(xiàn)場測量，在密閉狀態(tài)下，某節(jié)能型電解系列主煙管排煙溫度為105～115 ℃，雙煙管的排煙風量分布見表2。

表2 某鋁廠電解槽雙煙管系統(tǒng)(1/4凈化系統(tǒng))

根據(jù)測試結(jié)果，在單根1/4凈化系統(tǒng)管所轄的電解槽中，在1臺電解槽進行開槽作業(yè)時，打開副煙管閥門，副煙管排煙量是主煙管設(shè)計風量的2倍；當2臺槽進行開槽作業(yè)時，副煙管排煙量是主煙管設(shè)計風量的1.2倍；當3臺槽進行開槽作業(yè)時，副煙管排煙量是主煙管設(shè)計風量的0.7倍。在開槽處，無明顯煙氣外逸，電解槽密閉效果較好。該測試結(jié)果與設(shè)計值較接近，由此驗證了數(shù)學(xué)模型的準確性。

副煙管的閥門可設(shè)在槽控箱處控制，與換極、出鋁、撈渣、陽極效應(yīng)等開槽作業(yè)實現(xiàn)自動連鎖，以便有效控制電解車間的污染物無組織排放濃度。

雙煙管技術(shù)已申請發(fā)明專利，并成功應(yīng)用多家國內(nèi)外鋁廠。

3 結(jié)束語

工程設(shè)計、實踐經(jīng)驗和物理場的數(shù)值模擬結(jié)果是電解槽設(shè)計的主要依據(jù)，對槽膛及槽上集氣煙道系統(tǒng)內(nèi)部溫度場、流場進行數(shù)值模擬是完善電解槽熱平衡計算的重要環(huán)節(jié)，有助于深入了解電解煙氣的流動狀態(tài)與變化規(guī)律，為電解槽的精細化工程設(shè)計和新型結(jié)構(gòu)形式的研究開發(fā)提供了可靠的技術(shù)保證。

本文利用FLUENT軟件研究開發(fā)了電解槽等量吸風集氣煙道結(jié)構(gòu)和雙煙管技術(shù)。等量吸風集氣煙道結(jié)構(gòu)可使槽膛內(nèi)達到等量吸風、負壓均衡、降低煙道阻力(降幅17%～27%)的效果；雙煙管在開槽作業(yè)時的排煙量可瞬時增大到正常風量的2～3倍，在不干擾凈化管路系統(tǒng)內(nèi)風壓平衡、不增加凈化系統(tǒng)能耗的前提下，極大地提高了電解槽集氣效率，可有效控制電解車間的污染物無組織排放，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標。

電解槽槽上新型集氣煙道結(jié)構(gòu)、雙煙管技術(shù)的廣泛應(yīng)用與推廣，可為建設(shè)單位提供投資經(jīng)濟、指標先進、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)質(zhì)工程設(shè)計，在創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會影響力的同時，也極大提升了中國電解鋁行業(yè)的整體裝備和生產(chǎn)技術(shù)水平。