楊正華，張國(guó)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(zé)任公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200；2.北京華宇天控有限公司，北京 100085)

敞開(kāi)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(shè)備，排煙架在每條火道配置有支管連接各條火道，并設(shè)置閥門(mén)對(duì)火道負(fù)壓進(jìn)行控制，各條火道煙氣在排煙架筒體匯集后，經(jīng)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(fù)壓分布狀況，而火道負(fù)壓是影響焙燒爐運(yùn)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(nèi)炭塊的溫度水平等。因此如何合理的控制焙燒爐火道的負(fù)壓水平，將決定焙燒爐的運(yùn)行效果和產(chǎn)品質(zhì)量，而其中作為各條火道負(fù)壓控制唯一的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)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(wèn)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(yùn)行過(guò)程中，總體壓損較大。為了每條火道負(fù)壓合適，排煙架總體負(fù)壓需要達(dá)到-2000 Pa左右，結(jié)果造成環(huán)形煙道負(fù)壓更大，漏入系統(tǒng)的冷風(fēng)量增加，給后續(xù)凈化系統(tǒng)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，因此電耗和能耗也居高不下，為了獲取更好的結(jié)構(gòu)，不同研究人員采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)敞開(kāi)式焙燒爐進(jìn)行研究[1-2]。同時(shí)由于傳統(tǒng)排煙架結(jié)構(gòu)，不同的火道負(fù)壓相差較大，特別是遠(yuǎn)端的邊火道，其負(fù)壓水平往往達(dá)不到要求，造成邊火道溫度曲線跟不上設(shè)定曲線，同時(shí)為了平衡每條火道負(fù)壓，火道閥門(mén)開(kāi)度不一，變化頻繁，因此能耗較大，且炭塊質(zhì)量均一性較差[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)某炭素廠由于排煙架壓損過(guò)大，致使部分火道負(fù)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(lái)看，存在以下問(wèn)題：

(1)火道負(fù)壓偏低，跟不上正常升溫曲線。

(2)邊火道壓力不夠，導(dǎo)致邊火道溫差大。

(3)由于總管壓力偏小，火道負(fù)壓明顯不足。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)排煙架運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 新型排煙架結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化

為解決上述問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)排煙架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少排煙架壓力損失，達(dá)到提高火道負(fù)壓水平的目標(biāo)。

以傳統(tǒng)老式排煙架研究對(duì)象，在此基礎(chǔ)上提出新型排煙架結(jié)構(gòu)，為建立其在實(shí)際工作過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

通過(guò)模擬計(jì)算，得到流場(chǎng)和壓力場(chǎng)等分布結(jié)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(jié)果對(duì)比看，新型排煙架整體流場(chǎng)分布更加均勻，并且每條火道煙氣進(jìn)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(duì)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(jié)構(gòu)整體流速相對(duì)較低，更加接近經(jīng)濟(jì)流速，負(fù)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(jié)果對(duì)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(gè)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(nèi)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(jì)算設(shè)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(gè)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(duì)比看來(lái)，新型結(jié)構(gòu)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(duì)比 Pa

3 排煙架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及輕量化設(shè)計(jì)

考慮排煙架正常工作時(shí)，內(nèi)部有150℃左右煙氣，此時(shí)煙管外壁溫度大約在100℃左右，周?chē)h(huán)境溫度按40℃，排煙架壁厚由5 mm改為4 mm再進(jìn)行靜力學(xué)分析，圖5為不同厚度下排煙架的應(yīng)力分布圖，可以看出，在4 mm壁厚情況下，最大應(yīng)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(qiáng)度均在允許范圍內(nèi)。

圖5 不同壁厚下排煙架應(yīng)力分布圖

排煙架在一臺(tái)爐子上工作結(jié)束后需要轉(zhuǎn)移至其他爐子繼續(xù)工作，這時(shí)將采用吊裝的方式運(yùn)輸，排煙架整體重約3.2 t，結(jié)果如圖6，最大應(yīng)力點(diǎn)在吊點(diǎn)處為28.8 MPa，可以滿足吊裝運(yùn)輸可靠性。

圖6 排煙架吊運(yùn)過(guò)程中應(yīng)力分布情圖

通過(guò)對(duì)排煙架各種工況下的結(jié)構(gòu)模擬：

(1)確定排煙架在正常使用過(guò)程中其剛度和強(qiáng)度能滿足要求。

(2)確定排煙架在吊裝運(yùn)輸時(shí)，吊點(diǎn)周?chē)鞑糠謶?yīng)力均在允許范圍內(nèi)，可以正常使用。

(3)主煙道壁厚改為4 mm后，最大應(yīng)力55 MPa，最大變形量11 mm，依然在允許范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)排煙架的輕量化設(shè)計(jì)，其重量減少近30%左右。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

改造后，排煙架的運(yùn)行也達(dá)到了設(shè)備開(kāi)發(fā)之初的應(yīng)用效果:

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

(2)主管負(fù)壓的降低，風(fēng)機(jī)頻率從43 Hz降低至38～39 Hz，噸產(chǎn)品電耗降低10 kWh左右。

(3)焙燒爐預(yù)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(shí)能耗水平由改造前的63 Nm3/t﹣陽(yáng)極降至57 Nm3/t﹣陽(yáng)極。

圖7 新型排煙架火道負(fù)壓及升溫狀況

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)敞開(kāi)式焙燒爐新型排煙架的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)新型排煙架的流道設(shè)計(jì)，采用漸縮式變徑結(jié)構(gòu)，同時(shí)改變每條火道進(jìn)煙管與總管的連接方式，使其更加符合流體力學(xué)特性，整體流場(chǎng)分布更加均勻，進(jìn)、出口流速均在經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)。

(2)新型排煙架整體壓力場(chǎng)分布更加均衡，各個(gè)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(jié)構(gòu)總的管道損失可降低64%，運(yùn)行所需總管負(fù)壓大大降低。

(4)通過(guò)采用輕量化設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)排煙架，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其重量減少近30%左右。

(5)通過(guò)新型排煙架的應(yīng)用，各條火道之間的負(fù)壓均勻度明顯變好，總管負(fù)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(fù)壓得到提升的前提下，工藝得到了大幅提升和改進(jìn)，系統(tǒng)能耗水平由改造前的63 Nm3/t降至57 Nm3/t，料箱內(nèi)陽(yáng)極終溫從1060℃上升至1080℃；