孫勝仁

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 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、易于開停車,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)幾乎無影響,滿足烘爐和正常運(yùn)行要求,可以滿足優(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),而證明可以優(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)及燃料燃燒過程的風(fēng)量波動(dòng),認(rèn)為T12入口為均勻的熱風(fēng)。

1.3 穩(wěn)態(tài)離散相問題的設(shè)定、求解

穩(wěn)態(tài)離散相問題的設(shè)定、求解的一般過程如下:

(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。模型通過追蹤顆粒的跡線來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。顆粒溫度跡線反應(yīng)了顆粒從下料管進(jìn)口開始運(yùn)動(dòng)至彎頭出口的溫度變化情況,顆粒在通過分料箱進(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-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圍,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～9.82萬元;綜合減少焙燒爐設(shè)備投資～16.2萬元。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～68.7萬元。

4 結(jié) 論

(1)通過優(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。