罐式爐煅燒項目煙囪排煙情況模擬

王志強

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

在鋁電解工業生產預焙陽極過程中，石油焦是生產炭素所需要的主要原料之一，將石油焦在高溫下進行熱處理，除去所含的揮發分，并相應地提高原料理化性能的生產工序稱為煅燒。煅燒是首個重要工序，煅燒工序的安全運行是第一要素。

目前市場上鋁用陽極石油焦主要煅燒設備為回轉窯和罐式煅燒爐。回轉窯煅燒自動化程度高，但是碳質燒損較大；罐式爐煅燒質量好、碳質燒損小，但自動化程度較低。近幾年來，各大科研院校及設計院對大型罐式爐進行了開發，包括罐式爐本體的熱平衡和模擬研究、自動控制研究以及余熱利用系統研究。

當余熱利用系統出現事故時，罐式爐不能長時間停止運行，此時，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，從安全角度對罐式爐事故排煙進行模擬研究，以找到1種安全可靠的排煙裝置保證罐式爐的安全生產。分析了煙囪緊急情況下的排煙存在的問題，并針對在冷態運行時煙囪能否及時將罐式爐產生的高溫煙氣抽出進行了數值模擬。

1 基礎條件

某國外石油焦煅燒項目為12臺32罐罐式爐，總煙氣量192 000 Nm3/h，煙氣溫度：800 ℃～900 ℃，罐式爐尾部設余熱利用及煙氣凈化裝置。為保證罐式爐正常運行，正常生產時，高溫煙氣可以直接送至余熱鍋爐綜合利用熱能，余熱利用降溫后的煙氣由引風機送往煙囪排除；

在事故狀態時(如引風機跳停，余熱鍋爐故障等情況)，通向余熱鍋爐系統的閘板閥關閉，開啟聯通旁通煙道的閘板閥，此時高溫煙氣由煙囪自然抽力從煙囪排除。

煙囪高度為75 m，出口內徑φ3.2 m，底部直徑φ6.2 m。

事故煙囪的設立，必須解決以下問題：

事故時，煙囪由冷運行狀態至建立完全的抽力需要多少時間？該時間段罐式爐不能即時壓火，這些高溫煙氣將從罐式爐頂部冒出，而這些冒出的煙氣溫度高且含有有害成分，對罐式爐安全運行存在極大的隱患。

為解決以上問題，故進行此次模擬研究。

2 數值計算及排煙模擬

2.1 軟件選擇

進行數值流體計算需要建立模型、前處理、分析計算以及后處理等幾個步驟。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；前處理網格劃分：ANSYS 13.0 Meshing和ICEM CFD；分析計算：ANSYS 13.0 Fluent13.0；后處理：Tecplot 360 2008。

2.2 排煙模擬方案

2.2.1 模擬區域

根據布置情況，將旁通煙道變徑后的部分煙道和煙囪納入模擬區域。一方面模擬的主要目標是考察煙囪抽力的變化情況，對該區域進行模擬，其結果足以反映煙囪抽力的變化；另一方面，該區域與煙道軸線成對稱布置，可以在模擬計算時設置對稱面，以減少計算量。

該次煙囪排煙模擬分為穩態模擬和非穩態模擬2大類，每種模擬又分二維和三維模擬2種，對于相同的模擬方式，三維和二維僅僅在模型和網格劃分有所不同，其他模擬計算設置相同。

2.2.2 穩態模擬

(1)二維穩態模擬

根據所確定的模擬區域，可直接取三維模型的對稱中軸面作為二維模型。該模型為1個完整的面。Microstation中采用Z軸作為豎直向上，在ANSYS 13.0 WorkBench中導入二維模型SAT文件后，即可啟動Meshing模塊進行網格的劃分。在將模型網格化處理后，即可啟動Fluent進行分析計算。

在點擊計算后，FLUENT會根據“Monitor”的設置，在窗口輸出設定值。在完成500次迭代以后監視輸出值見圖1、圖2。

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

由圖2可見，進口流量隨著迭代次數的增加逐漸趨于穩定，在迭代到100步時，逐漸趨于穩定值31.55 kg/s左右，略低于理論穩態計算值32.53 kg/s。該差別主要在于煙囪入口溫度的變化導致的密度差。

綜和殘差值和流量值的監測，可以判定計算結果收斂，在將FLUENT的設置和解文件(cas和dat)文件保存后，通過tecplot軟件進行CFD計算的后處理工作。

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

圖4雖然通過加密溫度級數將溫度場和等溫線分布有了一個較為理想的結果，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75 m高的空間內溫度相差了1 K，可以說明在煙囪穩態排煙時，煙囪內部溫度基本沒有變化。由于在假設分析時將煙囪壁當作是絕熱，因此當高溫煙氣流過煙囪形成穩態后，煙囪內的溫度應該不會有太大的變化。

(2)三維穩態模擬

通過二維穩態模擬，足以證明先前的假設和計算條件以及分析計算的參數選取符合要求。而三維穩態模擬的主要任務是通過三維穩態模擬的結果校核三維網格的劃分，其余設置均與二維相同。

三維模型采用Microstation建模，采用了圓臺-六面體-模型并集而完成。同時通過旋轉命令將Y軸設為煙囪的豎直方向；三維模型網格劃分采用ANSYS 13.0 ICEM CFD進行。網格的規模即計算節點數為26萬余個，其中6面體網格單元25萬余個，面上的4邊形網格單元近3萬個，考慮到煙囪實際模型的大小及計算精度，該網格劃分已經完全符合模擬計算的要求。

點擊計算后，在進行約500次迭代以后，所有控制方程的殘差均下降到0.001以下，表明計算已經收斂。殘差曲線見圖5。

綜合殘差曲線，可以判定該三維穩態模擬計算收斂，可以進行計算結果的輸出和分析。

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

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。在煙囪排煙達到穩態時，整煙囪內部溫度變化不明顯，也就說在煙氣溫度較環境溫度高很多的情況下，煙囪的最大抽力計算直接采用煙氣進口溫度是合理的。

2.2.3 瞬態模擬

在完成二維三維穩態模擬之后，增加瞬態設置即可開始進行瞬態模擬。但是由于該煙囪排煙物理狀態的特殊性，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時間步長上都會發生變化，因此在FLUENT軟件壓力入口的輸入項中，無法滿足我們設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功能(UDF)。

利用UDF編寫完程序后，動態的連接到Fluent求解器上來提高求解器性能。導入網格文件，設置完邊界條件及初始化選項，點擊Calculate進行模擬計算。

(1)二維瞬態模擬結果

根據二維瞬態模擬結果的殘差曲線，基本在每一個時間步長上經過20次迭代計算后，所有方程的解都能達到收斂標準，因此計算收斂，可以直接進行解的分析。

圖8～11中可以看出，不管是煙囪升浮力還是煙囪內部溫度，在9 s時基本達到穩定狀態，也就是說對于1個二維模型，煙囪只需要9 s的時間即可建立完全的抽力，而在9 s以后的瞬態運行工況中，煙囪即進入穩態運行狀態，該結果可以直接采用二維穩態的計算結果。

(2)三維瞬態模擬

在經過二維穩態模擬的驗證之后，就可以導入三維網格，在FLUENT中進行三維瞬態的模擬輸出。

經過多次試驗試算，綜合殘差曲線和計算速度，將時間步長調整為0.1 s，計算時間步為400步，即模擬40 s內的煙囪排煙變化。同時調整每個時間步進行的迭代計算量為10。

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

圖12～17為三維瞬態模擬結構圖，圖中可見，煙囪升浮力和煙囪內部溫度均在約22.5 s時達到穩態狀態。

3 結 語

(1)模擬計算結論

通過二維穩態、三維穩態和二維瞬態的模擬，對三維瞬態模擬進行了驗證與鋪墊，最終的三維瞬態結果是合理且滿足物理規律的。

通過三維瞬態模擬，可以看到無論是煙囪升浮力和煙囪內部溫度均在約22.5 s時達到穩態狀態，也即是說整個煙囪從冷態(環境溫度)到熱態(高溫煙氣在煙囪中流動達到能量平衡)所需要的時間大約為22.5 s。

當罐式爐尾部煙氣系統發生故障時，開啟旁通煙道閥門后，煙囪需要22.5 s的時間才能建立起最大抽力。在22.5 s時間內，業主有效將人員疏散其安全區域，保證了工人人生安全，并且開啟完善的防爆排煙裝置后，避免了系統出現進一步的事故。該項目模擬結果已成功在國外某項目的得到實施。

(2)總結

由于罐式爐尾部煙氣系統基本成熟，要徹底解決事故狀態下罐式爐的安全隱患，則需在該區域設置經濟的技術解決方案需要多專業協同。如設置在罐式爐本體設置可以控制的排煙煙囪，在廠房設置可以控制的排煙天窗，或設計1套防爆排煙通風裝置等。