陽極焙燒雙干法凈化工藝中炭粉吸附反應(yīng)器的模擬及分析

胡紅勝, 宋海琛, 劉竹昕

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁用預(yù)焙陽極是將主要原料煅后石油焦和瀝青混捏成型再通過焙燒爐高溫焙燒而成,生陽極中約加入15%的瀝青左右作為粘結(jié)劑,這些瀝青會在焙燒過程中轉(zhuǎn)化為瀝青煙氣散發(fā)[1]。瀝青煙氣中含有大量有機(jī)物和苯并芘等強(qiáng)致癌物等,同時, 由于在生陽極中還配入了從電解返回的含氟殘極, 焙燒時氟也將進(jìn)入煙氣中。

焙燒煙氣凈化常見的處理工藝包括“冷卻塔+電捕”工藝,“冷卻塔+氧化鋁干法吸附”工藝以及“冷卻塔+電捕+氧化鋁干法吸附”串聯(lián)工藝。現(xiàn)有的凈化技術(shù)可對瀝青煙、氟化物、顆粒物進(jìn)行有效處理,無法實(shí)現(xiàn)煙氣中各類污染物的綜合高效治理。同時,吸附焦油的氧化鋁難以輸送;電捕焦油器存在效率不穩(wěn)定、危廢二次污染、著火及腐蝕等問題。

為了更徹底的處理瀝青煙及苯并芘等污染物,國內(nèi)外某些企業(yè)采用了蓄熱式焚燒爐(RTO)工藝,焙燒爐出口煙氣接至RTO,通入天然氣進(jìn)行燃燒處理,煙氣中的瀝青煙和苯并芘等有機(jī)污染物分解燃燒轉(zhuǎn)變成二氧化碳和水,凈化效率極高且有機(jī)煙氣無二次污染,系統(tǒng)運(yùn)行安全,穩(wěn)定性高,無需考慮廢水等后續(xù)處理問題。但是,該技術(shù)采用天然氣高溫燃燒,運(yùn)行費(fèi)用較高,且高溫燃燒造成氮氧化物升高,末端煙氣需采用特殊的脫硝方案進(jìn)行處理。

因此必須綜合考慮鋁用陽極焙燒煙氣性質(zhì)的特殊性、綜合運(yùn)行及管理成本等因素,探索鋁用陽極焙燒煙氣處理最佳可行性技術(shù)路線。本文主要針對處理焙燒煙氣無需冷卻塔降溫,采用炭粉吸附焦油+半干法脫硫, 即“雙干法凈化技術(shù)”處理進(jìn)行研究,焙燒爐煙氣經(jīng)過干式還原脫硝(即脫硝劑噴入焙燒爐火道進(jìn)行脫硝)后,出口煙氣首先經(jīng)過黑法,即碳粉吸附反應(yīng)脫除煙氣中的有機(jī)污染物(瀝青煙、苯并芘),再通過半干法反應(yīng)器脫除煙氣中的酸性污染物(二氧化硫、氟化物),而后通過煙囪達(dá)標(biāo)排放。采用 “雙干法凈化技術(shù)”處理焙燒煙氣中的焦油及有機(jī)物采用的是炭粉吸附工藝并能循環(huán)使用,無二次污染問題。

1 研究方法及對象

計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是研究各種流體流動問題的數(shù)值分析方法。CFD以離散化方法建立數(shù)值模型,并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析,得到在時間和空間上離散的數(shù)據(jù)組成的集合體,最終獲得定量描述流場的數(shù)值解[2]。炭粉吸附反應(yīng)器作為黑法吸附去除焦油技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備,本文以某鋁用陽極廠焙燒煙氣凈化系統(tǒng)的炭粉吸附反應(yīng)器為研究對象,通過Gambit軟件建立炭粉吸附反應(yīng)器模型,利用fluent軟件進(jìn)行氣固兩相流模擬,研究反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)部流場的影響,最終給出優(yōu)化的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式。

2 炭粉吸附反應(yīng)器數(shù)值模擬

如圖1所示,炭粉吸附反應(yīng)器數(shù)值模擬方法主要包括以下8個步驟。

圖1 CFD數(shù)值模擬流程圖

2.1 建立幾何模型

對炭粉吸附反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)研究時,對炭粉反應(yīng)器內(nèi)部錐體、下料管、內(nèi)部支撐等進(jìn)行適當(dāng)簡化,數(shù)值模擬模型與工程實(shí)際尺寸比例為1:1。建立模型如圖2所示。

圖2 模型圖

2.2 劃分計(jì)算網(wǎng)格

炭粉反應(yīng)器進(jìn)口管道、候口、收縮段、擴(kuò)散段、出口管道均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,炭粉反應(yīng)器內(nèi)部錐體、下料管均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。炭粉反應(yīng)器數(shù)值模擬模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2.3 確定邊界類型及計(jì)算模型

炭粉反應(yīng)器內(nèi)部流場是復(fù)雜的三維湍流流場,為方便計(jì)算,假定流體作定常流動,流體的各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)與時間無關(guān);流體是不可壓縮的。計(jì)算模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型,物料采用DPM模型,控制方程包括:連續(xù)性方程、動量方程、湍動能k方程、耗散率ε方程[3-5]。進(jìn)口均采用速度進(jìn)口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件,物料假設(shè)為單一粒徑,以面源進(jìn)入反應(yīng)器。三維湍流流場的計(jì)算采用有限容積法離散控制方程,算法采用SIMPLE算法,對流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式,近壁面處采用壁面函數(shù)法處理。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

利用fluent軟件對黑法反應(yīng)器內(nèi)部氣流流動場進(jìn)行模擬,不同方案的模擬結(jié)果如下。

3.1 方案1模擬結(jié)果

方案1模型如圖2所示,根據(jù)模擬結(jié)果圖4可以得出,進(jìn)口管道彎頭內(nèi)側(cè)偏大,而傳統(tǒng)的經(jīng)過彎頭后,出口彎頭外側(cè)氣流速度偏大。根據(jù)圖4可以看出,在反應(yīng)器候口底部及錐體頂部斷面在彎頭內(nèi)側(cè)速度偏小,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是否為反應(yīng)器內(nèi)部錐體造成的,需要進(jìn)一步確定。

圖4 方案1反應(yīng)器不同斷面速度云圖

3.2 方案2模擬結(jié)果

為了更好的找出彎頭進(jìn)口彎頭內(nèi)側(cè)速度偏大,而反應(yīng)器候口底部及錐體頂部斷面在彎頭內(nèi)側(cè)速度偏小的原因,僅模擬直管道加彎頭的氣流流動狀態(tài),模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,在彎頭處內(nèi)側(cè)氣流速度偏大,氣流經(jīng)過彎頭向前流動,逐漸偏向彎頭側(cè),導(dǎo)致出口彎頭外側(cè)氣流速度偏大。因此,經(jīng)過彎頭后,在出口斷面彎頭外側(cè)氣流流速偏大,內(nèi)側(cè)偏小是正常存在。即在方案1中,在反應(yīng)器候口底部及錐體頂部斷面在彎頭內(nèi)側(cè)速度偏小,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因不是反應(yīng)器內(nèi)部錐體造成,是彎頭造成的。

圖5 方案2管道不同截面速度云圖

3.3 方案3模擬結(jié)果

在方案1的基礎(chǔ)上,為了解決在反應(yīng)器候口底部及錐體頂部斷面在彎頭內(nèi)側(cè)速度偏小的問題,在彎頭處等間距增加2塊導(dǎo)流板,導(dǎo)流板的拐彎半徑為1∶1。由圖6可以看出,增加導(dǎo)流板后,在反應(yīng)器候口底部及錐體頂部斷面氣流速度不存在彎頭內(nèi)側(cè)速度偏小的問題,但存在四周大中間小的現(xiàn)象。是否因?yàn)橛绣F體導(dǎo)致出現(xiàn)四周大中間小的現(xiàn)象需要進(jìn)一步模擬驗(yàn)證。

圖6 方案3反應(yīng)器不同斷面速度云圖

3.4 方案4模擬結(jié)果

在方案3的基礎(chǔ)上,為了錐體導(dǎo)致出現(xiàn)四周大中間小的現(xiàn)象,將模型中錐體去掉。由圖7可以看出,去掉錐體后,四周大中間小的現(xiàn)象消失。因此反應(yīng)器候口底部斷面出現(xiàn)四周大中間小的現(xiàn)象由錐體造成。

圖7 方案4反應(yīng)器不同斷面速度云圖

3.5 方案5模擬結(jié)果

在方案3的基礎(chǔ)上,增加直徑150 mm的下料管,下料管伸到錐體正下方。由圖8可以看出,增加循環(huán)下料管后,反應(yīng)器中間豎直斷面與反應(yīng)器候口底部及錐體頂部斷面的氣流速度分布變化很小。

圖8 方案5反應(yīng)器不同斷面速度云圖

3.6 反應(yīng)器內(nèi)部顆粒流動場模擬結(jié)果

在方案5的基礎(chǔ)上,采用DPM模型,給定循環(huán)料流量4.5833 kg/s,新鮮料未考慮。給定物料密度800 kg/m3,采用單一粒徑,物料直徑50 μm。下料管位置不同對物料分布的影響如圖9與圖10所示。

圖9 物料分布圖

圖10 物料分布圖(下料管超過錐體下方50mm)

由此可見,下料管位置對擴(kuò)散效果影響很大,圖10所示下料管超過錐體下方50 mm情況下,碳粉擴(kuò)散后比較均勻。

4 工程應(yīng)用

雙干法凈化技術(shù)已在內(nèi)蒙古某炭素廠焙燒煙氣凈化系統(tǒng)改造中應(yīng)用,建成并投用2套系統(tǒng),目前運(yùn)行8個月,系統(tǒng)穩(wěn)定,指標(biāo)達(dá)標(biāo)雙干法凈化技術(shù)是國內(nèi)領(lǐng)先的焙燒煙氣凈化技術(shù),經(jīng)第三方測試雙干法凈化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)焙燒煙氣六種污染物實(shí)現(xiàn)超低排放,具體排放濃度為:二氧化硫排放濃度25 mg/Nm3,氮氧化物排放濃度37 mg/Nm3,氟化物排放濃度0.1 mg/Nm3,瀝青煙排放濃度6.3 mg/Nm3,顆粒物排放濃度2.7 mg/Nm3,苯并芘排放濃度0.000215 mg/Nm3。

5 結(jié)論及建議

(1)沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)開發(fā)了焙燒煙氣雙干法凈化工藝,該技術(shù)運(yùn)行過程中,焙燒爐煙氣經(jīng)過干式還原脫硝后,出口煙氣首先經(jīng)過黑法反應(yīng)系統(tǒng)脫除瀝青煙和苯并芘,再通過半干法反應(yīng)系統(tǒng)脫除二氧化硫和氟化物。該技術(shù)利用焙燒車間收塵粉作為黑法反應(yīng)原料,有效處理了有機(jī)煙氣的同時,回收收塵粉,完成吸附后通過球團(tuán)制成填充料,日產(chǎn)填充料達(dá)到6 t以上,進(jìn)入焙燒車間循環(huán)使用。

(2)從工藝開發(fā)及工程化研究,計(jì)算模型開發(fā)與驗(yàn)證。采用數(shù)值模擬方法確定炭粉吸附反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù),并作為首套成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古某炭素廠焙燒煙氣的凈化處理中。經(jīng)第三方測試,二氧化硫<35 mg/Nm3,氮氧化物<50 mg/Nm3,氟化物<1 mg/Nm3,瀝青煙<10 mg/Nm3,顆粒物<5 mg/Nm3,苯并芘<0.0003 mg/Nm3,實(shí)現(xiàn)了全部污染物的超低排放,且無二次污染,實(shí)現(xiàn)了焙燒工序的循環(huán)經(jīng)濟(jì),降低了生產(chǎn)能耗,為鋁用陽極焙燒煙氣處理提供新的技術(shù)指導(dǎo)與借鑒。