王志強(qiáng)

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

在鋁電解工業(yè)生產(chǎn)預(yù)焙陽極過程中，石油焦是生產(chǎn)炭素所需要的主要原料之一，將石油焦在高溫下進(jìn)行熱處理，除去所含的揮發(fā)分，并相應(yīng)地提高原料理化性能的生產(chǎn)工序稱為煅燒。煅燒是首個(gè)重要工序，煅燒工序的安全運(yùn)行是第一要素。

目前市場(chǎng)上鋁用陽極石油焦主要煅燒設(shè)備為回轉(zhuǎn)窯和罐式煅燒爐?；剞D(zhuǎn)窯煅燒自動(dòng)化程度高，但是碳質(zhì)燒損較大；罐式爐煅燒質(zhì)量好、碳質(zhì)燒損小，但自動(dòng)化程度較低。近幾年來，各大科研院校及設(shè)計(jì)院對(duì)大型罐式爐進(jìn)行了開發(fā)，包括罐式爐本體的熱平衡和模擬研究、自動(dòng)控制研究以及余熱利用系統(tǒng)研究。

當(dāng)余熱利用系統(tǒng)出現(xiàn)事故時(shí)，罐式爐不能長時(shí)間停止運(yùn)行，此時(shí)，需開啟旁通煙道閘板，通過煙囪自然抽力迅速將煙氣排除。該文以某工程為例，從安全角度對(duì)罐式爐事故排煙進(jìn)行模擬研究，以找到1種安全可靠的排煙裝置保證罐式爐的安全生產(chǎn)。分析了煙囪緊急情況下的排煙存在的問題，并針對(duì)在冷態(tài)運(yùn)行時(shí)煙囪能否及時(shí)將罐式爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔獬槌鲞M(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 基礎(chǔ)條件

某國外石油焦煅燒項(xiàng)目為12臺(tái)32罐罐式爐，總煙氣量192 000 Nm3/h，煙氣溫度：800 ℃～900 ℃，罐式爐尾部設(shè)余熱利用及煙氣凈化裝置。為保證罐式爐正常運(yùn)行，正常生產(chǎn)時(shí)，高溫?zé)煔饪梢灾苯铀椭劣酂徨仩t綜合利用熱能，余熱利用降溫后的煙氣由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排除；

在事故狀態(tài)時(shí)(如引風(fēng)機(jī)跳停，余熱鍋爐故障等情況)，通向余熱鍋爐系統(tǒng)的閘板閥關(guān)閉，開啟聯(lián)通旁通煙道的閘板閥，此時(shí)高溫?zé)煔庥蔁焽枳匀怀榱臒焽枧懦?/p>

煙囪高度為75 m，出口內(nèi)徑φ3.2 m，底部直徑φ6.2 m。

事故煙囪的設(shè)立，必須解決以下問題：

事故時(shí)，煙囪由冷運(yùn)行狀態(tài)至建立完全的抽力需要多少時(shí)間？該時(shí)間段罐式爐不能即時(shí)壓火，這些高溫?zé)煔鈱墓奘綘t頂部冒出，而這些冒出的煙氣溫度高且含有有害成分，對(duì)罐式爐安全運(yùn)行存在極大的隱患。

為解決以上問題，故進(jìn)行此次模擬研究。

2 數(shù)值計(jì)算及排煙模擬

2.1 軟件選擇

進(jìn)行數(shù)值流體計(jì)算需要建立模型、前處理、分析計(jì)算以及后處理等幾個(gè)步驟。在該次煙囪排煙模擬中，軟件選擇如下：

模型建立：Bentley Microstation XM；前處理模型編輯：ANSYS 13.0 DesignModeler；前處理網(wǎng)格劃分：ANSYS 13.0 Meshing和ICEM CFD；分析計(jì)算：ANSYS 13.0 Fluent13.0；后處理：Tecplot 360 2008。

2.2 排煙模擬方案

2.2.1 模擬區(qū)域

根據(jù)布置情況，將旁通煙道變徑后的部分煙道和煙囪納入模擬區(qū)域。一方面模擬的主要目標(biāo)是考察煙囪抽力的變化情況，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行模擬，其結(jié)果足以反映煙囪抽力的變化；另一方面，該區(qū)域與煙道軸線成對(duì)稱布置，可以在模擬計(jì)算時(shí)設(shè)置對(duì)稱面，以減少計(jì)算量。

該次煙囪排煙模擬分為穩(wěn)態(tài)模擬和非穩(wěn)態(tài)模擬2大類，每種模擬又分二維和三維模擬2種，對(duì)于相同的模擬方式，三維和二維僅僅在模型和網(wǎng)格劃分有所不同，其他模擬計(jì)算設(shè)置相同。

2.2.2 穩(wěn)態(tài)模擬

(1)二維穩(wěn)態(tài)模擬

根據(jù)所確定的模擬區(qū)域，可直接取三維模型的對(duì)稱中軸面作為二維模型。該模型為1個(gè)完整的面。Microstation中采用Z軸作為豎直向上，在ANSYS 13.0 WorkBench中導(dǎo)入二維模型SAT文件后，即可啟動(dòng)Meshing模塊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。在將模型網(wǎng)格化處理后，即可啟動(dòng)Fluent進(jìn)行分析計(jì)算。

在點(diǎn)擊計(jì)算后，F(xiàn)LUENT會(huì)根據(jù)“Monitor”的設(shè)置，在窗口輸出設(shè)定值。在完成500次迭代以后監(jiān)視輸出值見圖1、圖2。

由圖1可見，隨著迭代次數(shù)的增加，各個(gè)控制方程的殘差逐漸減小，在迭代到100步時(shí)，所有的殘差值均低于0.001，可以判定該計(jì)算收斂。

由圖2可見，進(jìn)口流量隨著迭代次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定，在迭代到100步時(shí)，逐漸趨于穩(wěn)定值31.55 kg/s左右，略低于理論穩(wěn)態(tài)計(jì)算值32.53 kg/s。該差別主要在于煙囪入口溫度的變化導(dǎo)致的密度差。

綜和殘差值和流量值的監(jiān)測(cè)，可以判定計(jì)算結(jié)果收斂，在將FLUENT的設(shè)置和解文件(cas和dat)文件保存后，通過tecplot軟件進(jìn)行CFD計(jì)算的后處理工作。

圖3從煙囪負(fù)壓分布情況來看，在煙囪高度20 m以上，煙囪負(fù)壓隨煙囪增高而減小，完全符合理論計(jì)算。

圖4雖然通過加密溫度級(jí)數(shù)將溫度場(chǎng)和等溫線分布有了一個(gè)較為理想的結(jié)果，但最高溫度1 073.05 K和最低溫度1 072 K僅僅相差了1.05 K。在整個(gè)75 m高的空間內(nèi)溫度相差了1 K，可以說明在煙囪穩(wěn)態(tài)排煙時(shí)，煙囪內(nèi)部溫度基本沒有變化。由于在假設(shè)分析時(shí)將煙囪壁當(dāng)作是絕熱，因此當(dāng)高溫?zé)煔饬鬟^煙囪形成穩(wěn)態(tài)后，煙囪內(nèi)的溫度應(yīng)該不會(huì)有太大的變化。

(2)三維穩(wěn)態(tài)模擬

通過二維穩(wěn)態(tài)模擬，足以證明先前的假設(shè)和計(jì)算條件以及分析計(jì)算的參數(shù)選取符合要求。而三維穩(wěn)態(tài)模擬的主要任務(wù)是通過三維穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果校核三維網(wǎng)格的劃分，其余設(shè)置均與二維相同。

三維模型采用Microstation建模，采用了圓臺(tái)-六面體-模型并集而完成。同時(shí)通過旋轉(zhuǎn)命令將Y軸設(shè)為煙囪的豎直方向；三維模型網(wǎng)格劃分采用ANSYS 13.0 ICEM CFD進(jìn)行。網(wǎng)格的規(guī)模即計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)為26萬余個(gè)，其中6面體網(wǎng)格單元25萬余個(gè)，面上的4邊形網(wǎng)格單元近3萬個(gè)，考慮到煙囪實(shí)際模型的大小及計(jì)算精度，該網(wǎng)格劃分已經(jīng)完全符合模擬計(jì)算的要求。

點(diǎn)擊計(jì)算后，在進(jìn)行約500次迭代以后，所有控制方程的殘差均下降到0.001以下，表明計(jì)算已經(jīng)收斂。殘差曲線見圖5。

綜合殘差曲線，可以判定該三維穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算收斂，可以進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的輸出和分析。

將三維等壓云圖與二維云圖做比較，可以看到其負(fù)壓分布基本與二維計(jì)算一致，見圖6。在此可以驗(yàn)證三維模型的有效性和三維網(wǎng)格劃分的合理性。

與二維等溫云圖作比較，三維等溫云圖溫度分布與二維基本一致，見圖7。在煙囪排煙達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，整煙囪內(nèi)部溫度變化不明顯，也就說在煙氣溫度較環(huán)境溫度高很多的情況下，煙囪的最大抽力計(jì)算直接采用煙氣進(jìn)口溫度是合理的。

2.2.3 瞬態(tài)模擬

在完成二維三維穩(wěn)態(tài)模擬之后，增加瞬態(tài)設(shè)置即可開始進(jìn)行瞬態(tài)模擬。但是由于該煙囪排煙物理狀態(tài)的特殊性，需要重新定義入口邊界條件。

在煙氣逐步流入煙囪的過程中，煙囪的平均溫度在每個(gè)時(shí)間步長上都會(huì)發(fā)生變化，因此在FLUENT軟件壓力入口的輸入項(xiàng)中，無法滿足我們?cè)O(shè)定的壓力入口邊界條件，由此需要采用FLUENT中的用戶自定義函數(shù)功能(UDF)。

利用UDF編寫完程序后，動(dòng)態(tài)的連接到Fluent求解器上來提高求解器性能。導(dǎo)入網(wǎng)格文件，設(shè)置完邊界條件及初始化選項(xiàng)，點(diǎn)擊Calculate進(jìn)行模擬計(jì)算。

(1)二維瞬態(tài)模擬結(jié)果

根據(jù)二維瞬態(tài)模擬結(jié)果的殘差曲線，基本在每一個(gè)時(shí)間步長上經(jīng)過20次迭代計(jì)算后，所有方程的解都能達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，因此計(jì)算收斂，可以直接進(jìn)行解的分析。

圖8～11中可以看出，不管是煙囪升浮力還是煙囪內(nèi)部溫度，在9 s時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說對(duì)于1個(gè)二維模型，煙囪只需要9 s的時(shí)間即可建立完全的抽力，而在9 s以后的瞬態(tài)運(yùn)行工況中，煙囪即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，該結(jié)果可以直接采用二維穩(wěn)態(tài)的計(jì)算結(jié)果。

(2)三維瞬態(tài)模擬

在經(jīng)過二維穩(wěn)態(tài)模擬的驗(yàn)證之后，就可以導(dǎo)入三維網(wǎng)格，在FLUENT中進(jìn)行三維瞬態(tài)的模擬輸出。

經(jīng)過多次試驗(yàn)試算，綜合殘差曲線和計(jì)算速度，將時(shí)間步長調(diào)整為0.1 s，計(jì)算時(shí)間步為400步，即模擬40 s內(nèi)的煙囪排煙變化。同時(shí)調(diào)整每個(gè)時(shí)間步進(jìn)行的迭代計(jì)算量為10。

在殘差曲線圖中可見，所有方程的解的殘差隨時(shí)間步長而波動(dòng)，除連續(xù)性方程以外，其余方程解的殘差均在0.001以下。

圖12～17為三維瞬態(tài)模擬結(jié)構(gòu)圖，圖中可見，煙囪升浮力和煙囪內(nèi)部溫度均在約22.5 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

3 結(jié) 語

(1)模擬計(jì)算結(jié)論

通過二維穩(wěn)態(tài)、三維穩(wěn)態(tài)和二維瞬態(tài)的模擬，對(duì)三維瞬態(tài)模擬進(jìn)行了驗(yàn)證與鋪墊，最終的三維瞬態(tài)結(jié)果是合理且滿足物理規(guī)律的。

通過三維瞬態(tài)模擬，可以看到無論是煙囪升浮力和煙囪內(nèi)部溫度均在約22.5 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，也即是說整個(gè)煙囪從冷態(tài)(環(huán)境溫度)到熱態(tài)(高溫?zé)煔庠跓焽柚辛鲃?dòng)達(dá)到能量平衡)所需要的時(shí)間大約為22.5 s。

當(dāng)罐式爐尾部煙氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，開啟旁通煙道閥門后，煙囪需要22.5 s的時(shí)間才能建立起最大抽力。在22.5 s時(shí)間內(nèi)，業(yè)主有效將人員疏散其安全區(qū)域，保證了工人人生安全，并且開啟完善的防爆排煙裝置后，避免了系統(tǒng)出現(xiàn)進(jìn)一步的事故。該項(xiàng)目模擬結(jié)果已成功在國外某項(xiàng)目的得到實(shí)施。

(2)總結(jié)

由于罐式爐尾部煙氣系統(tǒng)基本成熟，要徹底解決事故狀態(tài)下罐式爐的安全隱患，則需在該區(qū)域設(shè)置經(jīng)濟(jì)的技術(shù)解決方案需要多專業(yè)協(xié)同。如設(shè)置在罐式爐本體設(shè)置可以控制的排煙煙囪，在廠房設(shè)置可以控制的排煙天窗，或設(shè)計(jì)1套防爆排煙通風(fēng)裝置等。