敞開式焙燒爐新型排煙架技術開發(fā)和應用

楊正華，張國金，王曉東，劉敬山，李清亮，胡 偉，劉偉男，夏雪森

(1.霍煤鴻駿鋁電有限責任公司，內蒙古 霍林郭勒 029200；2.北京華宇天控有限公司，北京 100085)

敞開式焙燒爐排煙架是連接焙燒爐火道與煙氣凈化系統(tǒng)的核心設備，排煙架在每條火道配置有支管連接各條火道，并設置閥門對火道負壓進行控制，各條火道煙氣在排煙架筒體匯集后，經焙燒爐環(huán)形煙道接入煙氣凈化系統(tǒng)。其中排煙架的壓損大小以及壓力分布的均勻性直接影響焙燒爐火道的負壓分布狀況，而火道負壓是影響焙燒爐運行效果的核心參數(shù)，其直接決定了火道之間的溫差水平、焦油燃燒狀況、能耗水平、料箱內炭塊的溫度水平等。因此如何合理的控制焙燒爐火道的負壓水平，將決定焙燒爐的運行效果和產品質量，而其中作為各條火道負壓控制唯一的設備，其結構的合理性、壓損大小就顯得尤為重要。

1 傳統(tǒng)排煙架存在的問題

傳統(tǒng)焙燒爐多數(shù)采用的同徑排煙架或者變徑，即便有變徑，也是單一的變徑方式，在運行過程中，總體壓損較大。為了每條火道負壓合適，排煙架總體負壓需要達到-2000 Pa左右，結果造成環(huán)形煙道負壓更大，漏入系統(tǒng)的冷風量增加，給后續(xù)凈化系統(tǒng)帶來很大的負擔，因此電耗和能耗也居高不下，為了獲取更好的結構，不同研究人員采用計算機模擬的方法對敞開式焙燒爐進行研究[1-2]。同時由于傳統(tǒng)排煙架結構，不同的火道負壓相差較大，特別是遠端的邊火道，其負壓水平往往達不到要求，造成邊火道溫度曲線跟不上設定曲線，同時為了平衡每條火道負壓，火道閥門開度不一，變化頻繁，因此能耗較大，且炭塊質量均一性較差[3-4]。

目前國內某炭素廠由于排煙架壓損過大，致使部分火道負壓不足，跟不上正常的升溫曲線，特別是邊火道，從目前排煙架的使用情況來看，存在以下問題：

(1)火道負壓偏低，跟不上正常升溫曲線。

(2)邊火道壓力不夠，導致邊火道溫差大。

(3)由于總管壓力偏小，火道負壓明顯不足。

現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場排煙架運行數(shù)據(jù)

2 新型排煙架結構型式優(yōu)化

為解決上述問題，采用數(shù)值模擬的方法，對排煙架結構進行優(yōu)化，減少排煙架壓力損失，達到提高火道負壓水平的目標。

以傳統(tǒng)老式排煙架研究對象，在此基礎上提出新型排煙架結構，為建立其在實際工作過程中的數(shù)學模型，設置相應的邊界條件，對整個系統(tǒng)的流場和壓力場進行計算，并對相應結果進行詳細分析。

通過模擬計算，得到流場和壓力場等分布結果。

圖2分別為傳統(tǒng)排煙架和新型排煙架主截面速度云圖。從分布結果對比看，新型排煙架整體流場分布更加均勻，并且每條火道煙氣進入主管道更加平順，火道間的互相影響較小，主管道的渦流相對較少。傳統(tǒng)排煙架每條火道煙氣入口流速約為17 m/s，主管道出口流速約為19 m/s，出口速度略高。新型排煙架每條火道煙氣入口流速約為13 m/s，主管道出口流速約為15 m/s，新型結構整體流速相對較低，更加接近經濟流速，負壓損失降低。

圖2 傳統(tǒng)排煙架和新型排煙架速度分布圖

圖3分別為傳統(tǒng)排煙架和新型排煙架壓力云圖。從分布結果對比看，傳統(tǒng)排煙架整體壓力分布差異較大，尤其體現(xiàn)在各個火道上，表現(xiàn)出明顯的階梯跳躍現(xiàn)象，而新型排煙架整體壓力分布更加均勻，各火道的壓力分布差異較低，并且火道內和排煙架總管的壓力值十分接近，在整體上更加均衡。

圖4為兩種排煙架各火道壓力分布，計算設定排煙架總管出口壓力為-800 Pa，從圖中可以看出，在該工況下，傳統(tǒng)排煙架各個火道煙氣入口壓力差距較大，1火道壓力值最低，為-742 Pa，9火道壓力值最高，為-637 Pa，火道之間最大壓差105 Pa。新型排煙架各火道壓力值接近，8火道壓力值最低，為-760 Pa，7火道壓力值最高，為-741 Pa，火道之間最大壓差19 Pa。傳統(tǒng)排煙架總阻力約為163 Pa，新型排煙架總阻力約為59 Pa，對比看來，新型結構總的管道損失可降低64%。

圖3 傳統(tǒng)排煙架和新型排煙架壓力分布圖

圖4 兩種排煙架各火道出口壓力分布情況

表1 各火道壓差對比 Pa

3 排煙架結構應力分析及輕量化設計

考慮排煙架正常工作時，內部有150℃左右煙氣，此時煙管外壁溫度大約在100℃左右，周圍環(huán)境溫度按40℃，排煙架壁厚由5 mm改為4 mm再進行靜力學分析，圖5為不同厚度下排煙架的應力分布圖，可以看出，在4 mm壁厚情況下，最大應力55 MPa位于煙道末端支架頂部，最大位移量11 mm，其剛度和強度均在允許范圍內。

圖5 不同壁厚下排煙架應力分布圖

排煙架在一臺爐子上工作結束后需要轉移至其他爐子繼續(xù)工作，這時將采用吊裝的方式運輸，排煙架整體重約3.2 t，結果如圖6，最大應力點在吊點處為28.8 MPa，可以滿足吊裝運輸可靠性。

圖6 排煙架吊運過程中應力分布情圖

通過對排煙架各種工況下的結構模擬：

(1)確定排煙架在正常使用過程中其剛度和強度能滿足要求。

(2)確定排煙架在吊裝運輸時，吊點周圍各部分應力均在允許范圍內，可以正常使用。

(3)主煙道壁厚改為4 mm后，最大應力55 MPa，最大變形量11 mm，依然在允許范圍內，通過對排煙架的輕量化設計，其重量減少近30%左右。

4 實際應用效果

改造后，排煙架的運行也達到了設備開發(fā)之初的應用效果:

(1)排煙架出口負壓可控制在600～800 Pa左右運行，同時火道測溫測壓位置負壓基本能保證110～130 Pa的水平，火道負壓的提升，為系統(tǒng)的正常運行提供了保障，同時邊火道的負壓也能達到正常升溫的需求，預熱段火道溫差從200℃降低至50℃左右，如圖7所示。

(2)主管負壓的降低，風機頻率從43 Hz降低至38～39 Hz，噸產品電耗降低10 kWh左右。

(3)焙燒爐預熱段的火道溫度水平的提升，也提升了炭塊終溫水平，炭塊終溫從1060℃上升至1080℃。

(4)同時能耗水平由改造前的63 Nm3/t﹣陽極降至57 Nm3/t﹣陽極。

圖7 新型排煙架火道負壓及升溫狀況

5 結 語

通過敞開式焙燒爐新型排煙架的開發(fā)及應用，可得到以下幾點結論：

(1)新型排煙架的流道設計，采用漸縮式變徑結構，同時改變每條火道進煙管與總管的連接方式，使其更加符合流體力學特性，整體流場分布更加均勻，進、出口流速均在經濟流速范圍內。

(2)新型排煙架整體壓力場分布更加均衡，各個火道壓力分布差異較低，火道之間最大壓差19 Pa，相比傳統(tǒng)排煙架火道最大壓差105 Pa，新型排煙架壓差降低了82%。

(3)傳統(tǒng)排煙架總阻力163 Pa，新型排煙架總阻力59 Pa，相較之下 ，新型結構總的管道損失可降低64%，運行所需總管負壓大大降低。

(4)通過采用輕量化設計，相比于傳統(tǒng)排煙架，通過對其結構進行優(yōu)化，其重量減少近30%左右。

(5)通過新型排煙架的應用，各條火道之間的負壓均勻度明顯變好，總管負壓需求降低，邊火道升溫基本能跟上正常升溫水平。

(6)火道負壓得到提升的前提下，工藝得到了大幅提升和改進，系統(tǒng)能耗水平由改造前的63 Nm3/t降至57 Nm3/t，料箱內陽極終溫從1060℃上升至1080℃；