電解槽集氣系統排煙管網煙氣流動及傳熱模擬研究

何愛玲王尚元

(1.沈陽環境科學研究院,遼寧沈陽 110015;2.東北大學設計研究院(有限公司),遼寧沈陽 110013)

電解槽集氣系統排煙管網煙氣流動及傳熱模擬研究

何愛玲1王尚元2

(1.沈陽環境科學研究院,遼寧沈陽 110015;2.東北大學設計研究院(有限公司),遼寧沈陽 110013)

為提高電解槽集氣系統排煙管網集氣均勻性,并為保證后續工作安全性,筆者就電解槽集氣系統煙氣流動及傳熱的數值模擬進行了簡單介紹,并就網格劃分提出了切實可行的解決思路,為工程設計提出了合理可行的解決方案。

電解槽 管網 模擬 集氣系統

1 概述

自90年代以來，我國電解鋁行業的發生了翻天覆地的變化。與此同時國家關于節能減排的各項政策也陸續出臺，因此出于改善電解車間工作環境，減少污染物排放的考慮，提高電解槽集氣系統集氣效率就成為電解鋁生產工藝中關鍵環節。電解槽集氣結構外形尺寸優化，以及集氣系統管網的優化設計便成為需要我們解決的重要課題。電解鋁行業的從業者對如何有效提高電解鋁煙氣集氣系統的效率提出了更高的要求。計算流體力學(CFD)以及其它的計算機輔助工程(CAE)技術成為模擬和研究電解鋁煙氣排放系統有力工具。

2 思路

因此我們下面開展的工作就是采用計算流體力學(CFD)方法，對集氣系統中的排煙管網的流動阻力和傳熱特性進行分析，計算出相應的壓力損失。同時提高排煙管網內部煙氣流動速度的均勻性以及煙道管網入口處負壓分布的均勻性。我們使用Fluent等國際著名的專業流體分析軟件對電解鋁煙氣管網系統中的煙氣流動、壓力分布以及換熱特性進行數值計算和分析。

在項目實施過程中，我們主要分以下幾個階段來對煙氣管網系統的流動和傳熱進行計算：

(1)計算分析現有結構的優劣，分別構建幾何模型，計算不同結構形式下，煙氣流動速度分布，通過比較流場的均勻度，比較兩者的差異和優劣，從而確定支管接入主煙管位置。

(2)根據上一步的計算結果，分析各處的流動狀況，對流速變化較大的區域的管徑進行修正，以達到提高流動的均勻性和壓力變化均勻性的目的。

(3)在前面計算優化的基礎上，進一步優化排煙支管的接入角度，分別取30°、45°和60°三種角度進行模擬計算，通過對比三種不同條件下的流動狀況和阻力損失，以獲得最優的接入支管角度。

3 模型建立

3.1 計算思路

本次計算的思路，是按照“幾何建模”→“網格劃分” →“數值計算” →“后處理分析”的標準CFD工程分析程序進行的。

3.2 計算所用軟件

本次計算采用的是國際通行的專業CFD處理工具。其中前處理采用的是GAMBIT2.4自帶前處理程序，數值計算的時候采用的求解器為FLUENT6.3求解器。

3.3 幾何建模

我們利用GAMBIT2.4軟件建立電解車間排煙管網系統的幾何模型。該幾何模型包括排煙支管、主排煙管、煙道出口管道以及主排煙管保溫層等影響煙氣流動與傳熱的部分。我們在不影響模擬結果的前提下提出以下簡化方案：(1)忽略主排煙管分段連接處縫隙；(2)對支管的形式進行理想化處理，忽略不影響煙氣流動局部結構形式。

3.4 網格劃分

煙道網管主要由支、主排煙管及主排煙管出口管道組成。管網內部我們主要考慮主、支煙道交接處、管網保溫層厚度、支煙道放置位置以及主排煙管與主排煙管出口交接處等對煙氣流動有影響的結構部位，而對其他部位結構則已經在3.3節中進行了工程簡化。為CFD數值模擬做準備，我們需要對幾何模型進行網格劃分。網格劃分的質量直接影響著數值模擬計算的收斂性、效率與精度。因此根據幾何模型結構及流場分布特點對計算區域進行合理的網格劃分是十分必要的。

由于主排煙管與煙管出口的交接處的幾何形狀復雜性較高。如果要生成完全六面體網格，需要大量時間才能完成，而四面體網格的長寬比較小，在主支煙道交接處會產生非常差的網格甚至不能生成網格。因此我們采用GAMBIT2.4提供的Hex core(Native)劃分中心六面體周圍四面體網格，并優先對與主排煙管的圓柱管道劃分六面體網格，可以保證直管道為六面體及網格連續性，從而提高計算精度。

在主、支煙管有角度變化的連接處，幾何輪廓線較多，容易形成狹縫，從而造成網格劃分困難甚至不能進行網格劃分。因此我們進行幾何體虛化處理，這樣使網格劃分成為可能并且得到較高質量的網格。在進行網格劃分時，首先采用邊網格控制網格的疏密變化，以保證圓弧的模擬精度，再采用Hex core網格劃分，從而加快網格劃分速度并保證網格質量。

本文在對主、支煙道角度變化的研究后，還對官網保溫層的傳熱數值進行模擬計算。由于保溫層相對煙管直徑較小，直接生成網格則難以保證保溫層徑向的網格數，影響模擬精度。因此我們利用貼體坐標的方法對保溫層進行分塊網格劃分，生成六面體及棱柱體網格，并保證保溫層的徑向網格數。

4 計算模型和邊界條件的設定

本次模擬計算的對象是煙氣在排煙管網系統中的流動問題，可以認為是不可壓縮煙氣和冷空氣的混合流動。本次模擬計算涉及到湍流流動及傳熱等復雜物理過程，為準確模擬該過程，我們采用kε雙方程湍流模型，通過設定湍流強度和粘性比來確定初始及邊界處的湍流特性，以獲得更快的收斂速度。在實際計算時，我們可將其視為單一不可壓縮的氣體處理，并根據煙氣和冷空氣的體積比，確定管網中目標氣體的主要物性。

煙氣的物性參數包括：混合氣體的物性參數如下：密度ρ= 1.233kg/m3，動力粘度ν=1.7758E-5kg/s*m，比熱Cp=1003.7J/ kg*k，導熱系數k=0.024W/m*k。排煙管網各支管的流量按照10000 Nm3/h設定，因此相應質量流量設定為3.403kg/s。

5 總結及建議

(1)由于采用主排煙管分段增擴和支管接入角度變化等措施，目前的管網系統可在-210Pa到-250Pa之間的負壓范圍內穩定的工作，且能保證單個煙氣集氣系統的集氣量要求。同時考慮到集氣系統負壓的要求我們建議主排煙管的出口處的風機負壓高于-560Pa。

(2)在目前計算條件下，三種支管接入角度(60°、45°和30°)中，30°的接入角度可以獲得最佳的阻力損失和速度均衡效果。因此建議將支管的接入角度修改為30°。