鋁電解槽排煙管網(wǎng)流量平衡數(shù)值模擬研究

謝照亮,袁永健,張海龍

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

隨著鋁工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,鋁電解槽型逐步趨于大型化,電解車間的規(guī)模也隨之越來越大,單個(gè)車間就會(huì)配置數(shù)百臺(tái)電解槽,相應(yīng)配置的煙氣凈化排煙管網(wǎng)也變得十分龐大。根據(jù)鋁電解生產(chǎn)工藝的要求[1],每臺(tái)電解槽排煙量基本相等,即排煙管網(wǎng)流量平衡時(shí)才能更好的保證電解槽(尤其遠(yuǎn)端電解槽)的集氣效率,減少電解槽煙氣外逸,同時(shí)改善車間工作環(huán)境。因此電解車間排煙管網(wǎng)設(shè)計(jì)是否合理,能否實(shí)現(xiàn)電解槽均勻排煙,會(huì)直接影響電解槽的集氣效率。

對(duì)于如此龐大的電解槽排煙管網(wǎng)的流量平衡,傳統(tǒng)方法通常是通過計(jì)算使排煙干管的管徑沿著氣流方向逐漸擴(kuò)大,并在每臺(tái)電解槽排煙支管上設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)支管阻力,使每臺(tái)電解槽排煙量盡可能的接近設(shè)計(jì)值,實(shí)現(xiàn)均勻排煙,從而保證電解槽的集氣效率。由于特殊過流斷面的局部阻力系數(shù)無法得出確定值,通常采取近似值或者粗略的計(jì)算方法進(jìn)行試算,因此計(jì)算結(jié)果很容易產(chǎn)生較大誤差。且在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后續(xù)閥門時(shí),由于整個(gè)排煙管網(wǎng)阻力隨之不斷變化,導(dǎo)致前期調(diào)整的支管排煙量又偏離設(shè)計(jì)值,往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力進(jìn)行多個(gè)周期不斷的調(diào)整,才能基本實(shí)現(xiàn)電解槽均勻排煙。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件Fluent的出現(xiàn),數(shù)值模擬方法逐漸發(fā)展為一種用于研究排煙管網(wǎng)內(nèi)部煙氣流動(dòng)規(guī)律的重要手段。本文基于計(jì)算所得電解槽排煙干管、支管管徑及蝶閥的開度計(jì)算值,通過CFD方法對(duì)排煙管網(wǎng)以及蝶閥內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證及修正,從而更好的保證電解槽排煙管網(wǎng)流量平衡。

1 研究對(duì)象

以某鋁廠420 kA電解槽排煙管網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象。電解槽排煙管網(wǎng)布置如圖1所示,單套煙氣凈化系統(tǒng)共凈化90臺(tái)電解槽排放的煙氣,排煙管網(wǎng)共劃分為8個(gè)區(qū)域。由于排煙管網(wǎng)對(duì)稱布置,因此僅對(duì)其中一個(gè)區(qū)域電解槽對(duì)應(yīng)的排煙管網(wǎng)建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 排煙管網(wǎng)水力計(jì)算

電解槽排煙管網(wǎng)水力計(jì)算主要是沿程阻力損失與局部阻力損失計(jì)算。

2.1 沿程阻力損失

從最遠(yuǎn)端電解槽排煙支管出口至煙氣凈化系統(tǒng)除塵器入口,經(jīng)過上百米排煙管道熱交換,煙氣溫度會(huì)逐漸降低。將電解煙氣近似認(rèn)為理想氣體,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,在排煙管網(wǎng)中,煙氣隨著溫度的降低,體積減小,密度增加,但質(zhì)量流量不變。沿程阻力按下式計(jì)算。

(1)

式中:△Pm——摩擦阻力,Pa;

l——煙管長(zhǎng)度,m;

λ——摩擦阻力系數(shù);

de——煙管當(dāng)量直徑,m;

ρ——?dú)怏w密度,kg/m3;

V——煙氣流速,m/s;

摩擦阻力系數(shù)λ按以下公式計(jì)算:

(2)

式中:K——煙管內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度,m;

υ——運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s。

2.2 局部阻力損失

鋁電解槽排煙管網(wǎng)中涉及到的局部阻力部件主要是蝶閥(或孔板)和三通。排煙管道上的蝶閥是用來調(diào)節(jié)排煙支管阻力,保證各電解槽之間流量平衡的,一般為圓形蝶閥,其通用公式[2]:

ξ=0.2e0.1α

(3)

通常是根據(jù)局部阻力系數(shù)ξ來求解蝶閥的開啟角度α,故將上述公式轉(zhuǎn)化為反函數(shù):

α=10ln(5ξ)

(4)

三通有合流三通和分流三通。電解槽排煙管網(wǎng)上的三通均為合流三通,故本文只列出合流三通局部阻力系數(shù)計(jì)算方法。決定合流三通阻力損失的主要因素是三通件的結(jié)構(gòu)形狀,旁通管與總管之間的夾角,直通管、分支管與總管的面積比和流量比。合流三通有30°、45°、90°三通以及60°對(duì)稱分叉三通。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:L——空氣流量,m3/h;

V——風(fēng)管內(nèi)氣流速度,m3/s;

注腳1、2、3分別表示總管、直通管和旁支管。注腳21或31表示空氣由直通管2或旁支管3流向總管1。ξ注腳中(1)為對(duì)應(yīng)總管1動(dòng)壓的局部阻力系數(shù),其他類推。

2.3 水力計(jì)算程序的應(yīng)用

為了提高計(jì)算過程的高效性,同時(shí)有效地減輕設(shè)計(jì)人員的計(jì)算量,使其從繁瑣的手工計(jì)算中解脫出來,極大的提高工作效率,應(yīng)用VB語(yǔ)言開發(fā)了一種適用于多種新型電解槽排煙管網(wǎng)水力計(jì)算的程序[3]。通過輸入工程相關(guān)基本信息,確定排煙管網(wǎng)的物理模型,再輸入干管計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)(圖2左側(cè)),點(diǎn)擊計(jì)算即可得到排煙管網(wǎng)干管各段管徑、流速和各支管蝶閥的開度(全開為0°),并能直觀的顯示在計(jì)算程序界面上,如圖2右側(cè)所示。由于蝶閥開度指示精確到0.5度,因此將計(jì)算結(jié)果修正為15°、21°、27°、27.5°、30.5°、33°、34.5°、36°、37°、37.5°、38.5°、39°。

圖2 計(jì)算程序輸出結(jié)果

3 排煙管網(wǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)

CFD方法是研究各種流體流動(dòng)問題的數(shù)值分析方法,主要包括建立幾何模型、劃分計(jì)算網(wǎng)格、確定計(jì)算模型、定義邊界條件、給定解控方程、求解離散方程和后處理等步驟[4～7]。

3.1 建立幾何模型、劃分計(jì)算網(wǎng)格

基于計(jì)算所得電解槽排煙干管、支管管徑及蝶閥的開度,通過CFD前處理軟件,對(duì)數(shù)值模擬三維幾何模型與計(jì)算所得排煙管網(wǎng)按1∶1建模,幾何模型如圖3所示。數(shù)值模擬模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。排煙管網(wǎng)干管及支管均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,蝶閥采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并將蝶閥閥板周圍的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密(見圖5),以確保網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度。

圖3 數(shù)值模擬三維幾何模型(數(shù)值為支管編號(hào)、度數(shù)為蝶閥開度)

圖4 數(shù)值模擬模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 蝶閥網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 確定計(jì)算模型和邊界條件

由于電解槽排煙管網(wǎng)內(nèi)部流場(chǎng)比較復(fù)雜,確定計(jì)算模型需做如下假設(shè):① 流體作定常流動(dòng),各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)均與時(shí)間無關(guān);② 流體為不可壓縮流體。

計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程,有限容積法離散控制方程,數(shù)值計(jì)算為SMPLE算法,對(duì)流項(xiàng)差分格式為二階迎風(fēng)格式,近壁面和閥板壁面處為壁面函數(shù)。

電解槽排煙口均采用壓力進(jìn)口邊界,壓力初始值為-300 Pa,湍流參數(shù)采用湍流強(qiáng)度和水力直徑,其值分別為3.1%、0.63 m;排煙管網(wǎng)干管出口則采用壓力出口邊界,出口靜壓為-650 Pa,湍流強(qiáng)度為2.6%,水力直徑為1.9 m。

4 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

將前處理軟件建立的幾何模型輸出為網(wǎng)格文件,導(dǎo)入求解軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值分析,計(jì)算輸出每臺(tái)電解槽排煙量如圖6所示,電解槽排煙量范圍為13,661～16,353 m3/h,設(shè)計(jì)排煙量為15,000 m3/h,故流量偏差范圍為-8.92%～9.02%。同時(shí)將計(jì)算程序所得結(jié)果應(yīng)用于某鋁廠420 kA電解槽排煙管網(wǎng)的調(diào)試,待其穩(wěn)定運(yùn)行后,采用嶗應(yīng)3012H型自動(dòng)煙塵(氣)測(cè)試儀對(duì)其電解槽排煙支管煙氣量進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7所示,電解槽排煙量范圍為13,515～16,510 m3/h,流量偏差范圍為-9.89%～10.07%,由圖6～7可以看出,數(shù)值模擬煙氣量與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煙氣量變化趨勢(shì)基本一致,最遠(yuǎn)端的第1根以及近端的第11、12根支管排煙量偏低,而中間的第5、6、7根支管排煙量偏高,可見僅依靠計(jì)算并不能完全保證每臺(tái)電解槽排煙量基本相等。

圖6 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煙氣量

后續(xù)的數(shù)值模擬試驗(yàn)主要針對(duì)這六根支管蝶閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過反復(fù)多次的模擬試驗(yàn),最終得出各支管蝶閥開度分別為13°、21°、27°、27.5°、32°、34°、35°、36°、37°、37.5°、39°、40°時(shí),每臺(tái)電解槽排煙量如圖8所示,電解槽排煙量范圍為14,693～15,366 m3/h,流量偏差范圍為-2.04%～2.44%,電解槽之間煙氣量偏差控制在±5%以內(nèi),認(rèn)為每臺(tái)電解槽排煙量基本相等[8]。

圖8 優(yōu)化調(diào)整前后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煙氣量對(duì)比

根據(jù)數(shù)值模擬試驗(yàn)所得優(yōu)化結(jié)果對(duì)排煙管網(wǎng)蝶閥開度進(jìn)行調(diào)整,并再次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。優(yōu)化調(diào)整前后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試煙氣量對(duì)比如圖8所示,電解槽排煙量范圍為14,357～15,478 m3/h,流量偏差范圍為-4.29%～3.19%,電解槽之間煙氣量偏差仍然控制在±5%以內(nèi),驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可信性。也說明通過數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)軐?duì)程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,并能快捷的通過調(diào)整模型,對(duì)程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,從而更好的保證電解槽排煙管網(wǎng)流量平衡。

由圖9～11可以看出,電解槽排煙支管煙氣流經(jīng)蝶閥后,會(huì)在閥板背面形成局部低壓區(qū),從閥板上方越過的氣流部分折向下流,下方越過的氣流部分折向上流,在閥板背面靠下部分形成漩渦;且通閥板兩端的氣流速度高達(dá)45 m/s,因此對(duì)蝶閥的耐磨性有著很高的要求。

圖9 排煙管道內(nèi)局部氣流速度云圖

圖10 排煙管道內(nèi)局部壓力云圖

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)鋁電解槽排煙管網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果可以作為數(shù)值模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬試驗(yàn)來對(duì)程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證及修正,從而更好的保證電解槽排煙管網(wǎng)流量平衡。

(2)數(shù)值模擬試驗(yàn)可以對(duì)排煙管網(wǎng)按實(shí)際尺寸建模,更加快捷的進(jìn)行模型試驗(yàn),同時(shí)數(shù)值模擬后處理軟件可以直觀的顯示各個(gè)支管排煙量和阻力,通過不斷的調(diào)整模型,最終得出優(yōu)化結(jié)果,大大減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試繁雜的工作量。

圖11 排煙管網(wǎng)整體壓力云圖

(3)數(shù)值模擬方法不僅可以為新建鋁電解槽排煙管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供依據(jù),也能對(duì)現(xiàn)有鋁電解槽排煙管網(wǎng)改造進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)驗(yàn)證,使現(xiàn)有排煙管網(wǎng)流量分配更加平衡,從而保證更高的集氣效率,改善車間工作環(huán)境。