鋁電解槽集氣結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

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).