孫勝仁

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,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間短、主爐結(jié)構(gòu)簡單、全系統(tǒng)負壓操作、易于開停車,清理工作量少等優(yōu)點。目前約有90%的氧化鋁企業(yè)采用GSC技術(shù),但其缺點是焙燒爐系統(tǒng)中多個單體旋風分離器與下料管之間相互交錯,設備總高度高,氫氧化鋁顆粒停留時間長。

我國上世紀80年代逐漸引進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),運行穩(wěn)定。4000 t/d焙燒爐對于系統(tǒng)中CO3上升管處分料箱位置等細節(jié)的設計因缺乏相關(guān)實驗及工業(yè)數(shù)據(jù),并且國內(nèi)外對物料進入系統(tǒng)管道位置的流場研究相對較少,所以部分保留了引進技術(shù)的設計參數(shù)。但是隨著焙燒爐產(chǎn)能的增大,設備總體高度變高,分料箱位置是優(yōu)化設備總高的關(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,可降低總體設備高度,進而減少建設投資,同時減少物料在系統(tǒng)中的停留時間,減少系統(tǒng)風阻,降低風機電耗。

本文結(jié)合某廠的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),對CO3上升管處分料箱的位置進行優(yōu)化,提出了分料箱理論上的最優(yōu)位置。通過對下料管、分料箱和T12燃燒器進行共同建模,借助fluent軟件中的DPM模型,首次耦合了氣固兩相流的溫度場和速度場,追蹤帶料烘爐時氧化鋁顆粒在上升管中的運動狀態(tài),以及氣相本身的流動和換熱狀態(tài),證明了優(yōu)化后的分料箱位置對此處的流場幾乎無影響,滿足烘爐和正常運行要求,可以滿足優(yōu)化設備高度的需求。

1 CO3上升管模型與計算

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下料管進入分料箱,再進入CO3上升管中。焙燒爐在帶料烘爐時,此處下料點的流場最為復雜。冷風從CO3自下而上進入CO3上升管,T12燃燒器產(chǎn)生的熱風從T12入口進入,混合后的熱風攜帶預熱后的物料共同進入到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上升管改進模型:將分料箱上調(diào)到平臺支座以上,因上升管彎頭為異形管道,分料箱不宜設置在異形管道處,因此將分料箱設置在彎頭下方,與T12高度基本一致,此處為分料箱可能提升的最大高度。同時平臺支座與T12距離也可相應縮短。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,該處的流場基本不發(fā)生變化或者變化較小。

圖3 CO3上升管改進模型

1.2 基本假設

該模型做了如下假設和簡化:

(1)因分料箱中設有撒料盤等均化結(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及燃料燃燒過程的風量波動,認為T12入口為均勻的熱風。

1.3 穩(wěn)態(tài)離散相問題的設定、求解

穩(wěn)態(tài)離散相問題的設定、求解的一般過程如下:

(1)求解連續(xù)相流場;

(2)創(chuàng)建離散相噴射源;

(3)求解耦合流動;

(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系下的形式(x方向為例)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——相對雷諾數(shù),無量綱;

dp——顆粒直徑,mm;

μ——為流體動力粘度,N·s/m2。

(2)顆粒溫度Tp(t)與顆粒表面的對流與輻射傳熱:

(3)

式中:mp——顆粒質(zhì)量,kg;

cp——相對顆粒比熱,J/(kg·K);

Ap——顆粒表面積,m2;

T∞——連續(xù)相的當?shù)販囟?K;

Tp——連續(xù)相的當?shù)販囟?K;

h——對流傳熱系數(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上升管流場模擬結(jié)果分析

2.1 顆粒運動軌跡-停留時長

通過數(shù)值模擬,得到顆粒的運動軌跡如圖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動狀態(tài)。圖中曲線即為不同顆粒的運動軌跡,顏色代表顆粒到達該點累計的時間。

圖4 顆粒運動軌跡-停留時長(s)

顆粒從下料管進口進入,靠重力作用下落,通過分料箱進入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動,之后在上升氣流和T12燃燒室橫向熱風的共同作用下,斜向上運動,最終通過出口流出進入CO2旋風分離器。

從圖4可以看出,顆粒在整個結(jié)構(gòu)中運動歷經(jīng)的時長約在2.4～3.6 s之間。圖4a模型中分料箱(進料)的位置比較靠下,顆粒停留的平均時間相對較長,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橫向熱風的作用下,個別粒子在模型內(nèi)停留時間相對較長,粒子的運動軌跡相對分散一些,但總體都不超過6 s,且兩個模型中的運動趨勢基本一致。

2.2 顆粒溫度

固相顆粒的溫度沿運動軌跡的變化情況如圖5所示。曲線為顆粒的運動軌跡,顏色代表溫度高低不同。顆粒溫度跡線反應了顆粒從下料管進口開始運動至彎頭出口的溫度變化情況,顆粒在通過分料箱進入上升管以后,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。顆粒在進入CO2旋風分離器以后,會進一步與氣相進行換熱。

圖5 顆粒跡線-溫度(K)

2.3 氣相速度場分布

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)的速度場分區(qū)趨勢和大小基本一致,說明固相顆粒對氣相的速度場影響不大。

圖6 升管氣相速度場(m/s)

2.4 氣相溫度場分布

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)的總的溫度場趨勢基本一致。固相顆粒對上升管內(nèi)熱場的影響有限,影響最大的部位僅為分料箱周圍,2個模型中其他部位的外壁溫度場近乎一致。

圖7 外壁溫度場(K)

圖8 中心截面溫度場(K)

通過綜合對比分料箱位置優(yōu)化前后CO3上升管處的流場可以判定,固相對氣相的反作用影響很小,此分料箱上移至T12所處高度位置對整體流場沒有明顯影響,證明可以按預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

對于分料箱上移后,可相應降低CO3上升管的高度及該平臺對應的其他所有焙燒爐系統(tǒng)連接管道高度,減少設備鋼材和內(nèi)襯用量。通過優(yōu)化此處配置,最大程度上降低設備高度～2 m;預計可減少焙燒爐鋼材用量～8.5 t,對應減少建設投資～6.38萬元(含人工費,下同);保溫塊和耐火磚等內(nèi)襯材料量共計～28.2 t,對應減少建設投資～9.82萬元;綜合減少焙燒爐設備投資～16.2萬元。焙燒爐降低高度的同時可以有效的減少物料在焙燒爐中的停留時間,并降低系統(tǒng)風阻。

在其他條件不變的情況下,焙燒爐降低2 m高度,對應可減少結(jié)構(gòu)框架鋼材用量～70 t,對應減少建設投資～52.5萬元,并且提高了結(jié)構(gòu)框架和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。合計總建設費用可降低～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位置,焙燒爐總高度降低了～2 m,減少設備和結(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,且能進一步縮短氣態(tài)懸浮焙燒爐中物料的停留時間。

(2)通過對比分析優(yōu)化前后CO3上升管的流場,發(fā)現(xiàn)固相對氣相的反作用很小,分料箱位置調(diào)整帶來的影響可以忽略不計,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),運行良好,也初步印證了這一結(jié)論。同時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)可以指導焙燒爐設計和優(yōu)化工作。