楊忠福，魏英華，張振武，李學振，張雋銘，竇東陽

(1.國家能源集團 寧夏煤業(yè)有限責任公司洗選中心，寧夏 銀川 750000；2.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221000)

2020年9月22日，在第75屆聯(lián)合國大會上，習近平主席向全世界鄭重宣布——中國“力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。2020年10月29日，中國共產黨十九屆五中全會提出，“十四五”期間，加快推動綠色低碳發(fā)展，降低碳排放強度，對傳統(tǒng)裝備綠色低碳化改造升級是實現(xiàn)上述目標的重要途經。煤炭是我國重要的工業(yè)資源，并且我國煤炭資源的戰(zhàn)略地位仍然會在很長一段時間持續(xù)下去[1]，要推動煤炭資源可持續(xù)性發(fā)展，煤炭清潔高效利用尤為重要[2]。

隨著人民生活水平日益提高和環(huán)保行業(yè)快速發(fā)展，各類民用和工業(yè)用活性炭需求量越來越大[3]。煤制活性炭是煤炭清潔高效利用的有效途徑，而且以煤炭為原料制備的活性炭具有發(fā)達的孔隙結構、良好的化學穩(wěn)定性和機械強度，是一種優(yōu)良的吸附材料。與生物質活性炭相比，煤制活性炭具有原料來源廣、價格低、流體阻力小等特點。此外，它吸附飽和后便于回收再生[4]，應用于飲用水深度凈化、工業(yè)給水及污水凈化、脫色、脫氯、除臭、除油等方面時具有顯著的經濟和環(huán)保效益[5-10]。當前國內外很多企業(yè)為了解決鍋爐排放的煙氣對鍋爐裝置造成腐蝕，通常將排煙溫度設置得相對較高，導致水蒸氣中蘊含的能量直接排放到室外，造成能源浪費現(xiàn)象[11-12]，現(xiàn)有多數(shù)余熱利用技術采用煙氣出口改造、蒸發(fā)器回收余熱、熱循環(huán)泵回收余熱等方式，對鍋爐余熱利用率并不高[13-14]。與此相似，傳統(tǒng)的炭化過程需要在炭化爐爐頭補充大量燃料，如燃煤、天然氣、柴油等，以維持炭化溫度，爐尾大量高溫可燃煙氣通過余熱鍋爐產生蒸汽，但煤炭企業(yè)蒸汽需求小，蒸汽只能大量排空，造成能源嚴重浪費，與我國提出的碳達峰、碳中和目標相悖。為節(jié)能降碳，太西洗煤廠對炭化爐進行改造，采用返回煙道裝置，將尾部煙氣直接返回爐頭進行能量循環(huán)，以提高余熱能量利用效率。為獲得返回煙道直徑、軸流風機功率最佳數(shù)值，采用Solidworks軟件建立了炭化爐返回煙道模型，并利用Fluent軟件對不同管徑的返回煙道內的流場進行了數(shù)值模擬。

1 炭化爐低碳化改造方案

1.1 概述

太西洗煤廠是國家能源集團寧夏煤業(yè)集團有限責任公司洗選中心進行無煙煤洗選加工的選煤企業(yè)，始建于1983年，于1986年9月建成投產，設計能力為2.10 Mt/a，經過近40年的發(fā)展，又新增年生產石墨化產品8萬t，活性炭產品2萬t，碳化硅產品1萬t。炭化爐改造在太西洗煤廠活性炭一車間炭化爐工段設計和實施?；炷蟪尚团浞綖椋航褂秃兔悍郾壤秊?∶3.4(即煤粉∶焦油為100∶29.4)，煤粉揮發(fā)分為8%，產出炭化料揮發(fā)分為8%。經過炭化工藝成型條平均得率為69%，產出炭化料在16～18 t/d之間。

1.2 實施步驟

首先，經熱平衡計算可知，系統(tǒng)中約有2 904 MJ/h能量在焚燒爐中未用盡而沉積在系統(tǒng)中，可使之返回煙氣循環(huán)利用系統(tǒng)。采用返回煙道后，爐頭補燃需要能量約為2 093 MJ/h，爐內煙氣熱值為1.88 MJ/Nm3，理論計算的返回煙氣量約為1 200 Nm3/h，因余熱煙氣中可燃氣體成分較少，故采用蓄熱體作為明火燃燒此余熱?？紤]到其他因素，管道返回煙氣量按2 000 Nm3/h設計。然后，設計并安裝架空煙道，使炭化爐爐尾富余煙氣通過風機裝置和返回煙道返回到爐頭位置，將能量循環(huán)利用。引入爐頭時采用沿炭化爐軸向直通方案，有利于充分利用輻射熱，提高熱利用效率。該方案不僅能替代爐頭額外補充燃料，達到降低能耗、減少碳排放量的目的，而且爐尾富余的部分煙氣還能通過余熱鍋爐生產少量的蒸汽，滿足后續(xù)工藝需要，實現(xiàn)炭化流程的低碳化改造。經初步測算，項目實施后每臺炭化爐每天可節(jié)約燃煤2 t左右，同時爐頭燃燒方式的改變還可促使燒蝕率降低，產率提高，預計每年可為企業(yè)帶來直接經濟效益100余萬元。

1.3 系統(tǒng)總體設計

炭化爐返回煙道系統(tǒng)包括煙氣返回煙道、支撐架、清灰口、軸流風機、燃燒器等，系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1 炭化爐返回煙道系統(tǒng)總體設計圖Fig.1 General design of the return-gas flue system

系統(tǒng)中返回煙道和軸流風機是主要裝置，需對其進行模擬研究，來確定返回煙道最優(yōu)管徑和合適的風機選型，以能夠在改善系統(tǒng)性能的同時減少后期施工、調試工作量，提高改造效率，降低改造成本。

2 返回煙道數(shù)值模擬

2.1 幾何模型與網格劃分

根據(jù)炭化爐返回煙道設計圖紙，應用SolidWorks軟件對返回煙道進行1∶1三維建模，在構建幾何模型過程中，忽略煙道外部支撐結構及清灰口。構建的返回煙道幾何模型如圖2所示。

圖2 返回煙道幾何模型Fig.2 Geometrical model of the return-gas flue duct

對煙道結構模型進行網格劃分時，優(yōu)先采取結構化網格，并對壁面處、進出口及速度梯度較大的部分進行網格面加密處理。為進一步提升網格質量，對流體壁面設置了尺寸約束，設置定義算法為四面體算法，網格質量檢測算法選擇單元質量檢測算法，絕大多數(shù)網格質量都在0.7以上，網格質量較好。網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網格劃分結果Fig.3 Meshing result

2.2 控制方程及邊界條件設置

2.2.1 控制方程

返回煙道內流體流動為復雜的三維湍流流場，返回煙道煙氣的氣流雷諾數(shù)至少為104的數(shù)量級。因此，返回煙道氣體為高度湍流狀態(tài)。模擬時假定氣體不可壓縮，作穩(wěn)態(tài)流動，氣體黏度不可忽略。采用標準的雙方程模型求解湍流問題，連續(xù)性方程、動量方程、湍流脈動能k方程和湍流耗散率ε方程分別如式(1)—式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

2.2.2 邊界條件設置

余熱煙氣成分含量見表1。由表1可見，多組分煙氣性質主要成分為CO2和N2。

表1 余熱煙氣成分含量Table 1 Composition analysis of the return flue gas %

為簡化計算，后續(xù)模擬中煙道流體近似為CO2和N2。入口邊界條件設置為均勻入口，各管徑入口速度值以進口流量3 m3/s計算得出；出口邊界條件設置為流動出口。邊界條件見表2。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

2.3 模擬結果及分析

數(shù)值計算采用Fluent軟件求解器完成，模擬計算了模型進口速度(Vin)、出口速度(Vout)、靜態(tài)壓差(△P)及動態(tài)壓差(△DP)，不同管徑下的模擬參數(shù)見表3。

表3 不同管徑下的模擬參數(shù)Table 3 Simulated parameters of the flue ducts with different diameters

2.3.1 最優(yōu)管徑

根據(jù)Fluent軟件模擬的結果，已知進出口速度以及壓力，由伯努利方程可得管道的沿程阻力以及局部阻力損失，即：

(4)

式中：P1、P2分別為進口、出口壓力；ρ為煙氣密度；v1、v2分別為煙道流體進口、出口速度；z1、z2分別為進口、出口位能，z=ρgh；△H表示阻力損失。

返回煙道傾斜角不超過5°，可忽略位能變化，則有：

(5)

根據(jù)公式(5)繪制阻力損失隨管徑變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4 △H隨管徑變化趨勢圖Fig.4 Trend chart of △H with variation of duct size

由圖4可知，管徑越大，流動損失越小，僅從此角度，初步可得DN400 mm的管徑最佳。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，隨著管徑進一步增大，當返回煙道公稱直徑超過300 mm以后，流動損失雖然減小但變化非常平緩，管道直徑投資增加帶來的返回煙道性能改善不顯著，性價比變差，因此考慮到經濟和性能的平衡，返回煙道管徑最佳選為300 mm。

2.3.2 軸流風機選型計算[15-17]

在標準條件下，軸流風機風量(Q)計算如下：

Q=KQ總=1.1×2 000=2 200 Nm3/h，

(6)

式中：K為風量儲備系數(shù)，取1.1；Q總為返回煙氣量，Q總=2 000 Nm3/h。因此風機風量為2 200 Nm3/h。

軸流風機的風壓(P)計算如下：

P=(ppipeα1+pequipment)α2=(397.912×1.05+500)×1.2=1 101.37 Pa，

(7)

式中：ppipe為管網總壓損，Pa；pequipment為設備壓損，Pa；α1為管網計算總壓損附加系數(shù)；α2為風壓儲備系數(shù)，取1.2。

為使出口處達到與入口處相同的壓力及速度，阻力損失即為所需向管道內加入的能量，考慮一定的富裕量，所需軸流風機的功率(N)為：

(8)

式中：Q為風量，m3/h；P為風機的全風壓，Pa；η0為風機的內效率，取0.75；η1為機械效率，取1。

軸流風機的電機功率(Nm)計算如下：

(9)

式中：K為電機儲備系數(shù)，取1.2；ηd為電動機效率，一般取0.9。

根據(jù)軸流風機功率計算出所需電機功率為1 196.55 W，超過了常用電機功率(1.1 kW)，因此需選用1.5 kW的電機作為返回煙道軸流風機的配套電機。

3 結論

為了響應國家“雙碳”目標，太西洗煤廠對炭化爐進行了低碳化升級改造，利用返回煙道將余熱高效利用，以顯著降低燃料消耗，提高能量利用效率，減少碳排放。利用Fluent軟件模擬對不同管徑的返回煙道進行了數(shù)值模擬，并開展了風機選型計算，得到以下結論：

(1)隨著管徑的增大，返回煙道流動阻力呈減小趨勢，往后，流動阻力隨管徑變化并不明顯。

(2)綜合經濟和性能因素，返回煙道的最佳管徑為DN300 mm，此時性價比最高。

(3)經過選型計算，最終軸流風機電機選用1.5 kW。