炭化爐返回煙道模擬優化研究

楊忠福，魏英華，張振武，李學振，張雋銘，竇東陽

(1.國家能源集團 寧夏煤業有限責任公司洗選中心，寧夏 銀川 750000；2.中國礦業大學 化工學院，江蘇 徐州 221000)

2020年9月22日，在第75屆聯合國大會上，習近平主席向全世界鄭重宣布——中國“力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。2020年10月29日，中國共產黨十九屆五中全會提出，“十四五”期間，加快推動綠色低碳發展，降低碳排放強度，對傳統裝備綠色低碳化改造升級是實現上述目標的重要途經。煤炭是我國重要的工業資源，并且我國煤炭資源的戰略地位仍然會在很長一段時間持續下去[1]，要推動煤炭資源可持續性發展，煤炭清潔高效利用尤為重要[2]。

隨著人民生活水平日益提高和環保行業快速發展，各類民用和工業用活性炭需求量越來越大[3]。煤制活性炭是煤炭清潔高效利用的有效途徑，而且以煤炭為原料制備的活性炭具有發達的孔隙結構、良好的化學穩定性和機械強度，是一種優良的吸附材料。與生物質活性炭相比，煤制活性炭具有原料來源廣、價格低、流體阻力小等特點。此外，它吸附飽和后便于回收再生[4]，應用于飲用水深度凈化、工業給水及污水凈化、脫色、脫氯、除臭、除油等方面時具有顯著的經濟和環保效益[5-10]。當前國內外很多企業為了解決鍋爐排放的煙氣對鍋爐裝置造成腐蝕，通常將排煙溫度設置得相對較高，導致水蒸氣中蘊含的能量直接排放到室外，造成能源浪費現象[11-12]，現有多數余熱利用技術采用煙氣出口改造、蒸發器回收余熱、熱循環泵回收余熱等方式，對鍋爐余熱利用率并不高[13-14]。與此相似，傳統的炭化過程需要在炭化爐爐頭補充大量燃料，如燃煤、天然氣、柴油等，以維持炭化溫度，爐尾大量高溫可燃煙氣通過余熱鍋爐產生蒸汽，但煤炭企業蒸汽需求小，蒸汽只能大量排空，造成能源嚴重浪費，與我國提出的碳達峰、碳中和目標相悖。為節能降碳，太西洗煤廠對炭化爐進行改造，采用返回煙道裝置，將尾部煙氣直接返回爐頭進行能量循環，以提高余熱能量利用效率。為獲得返回煙道直徑、軸流風機功率最佳數值，采用Solidworks軟件建立了炭化爐返回煙道模型，并利用Fluent軟件對不同管徑的返回煙道內的流場進行了數值模擬。

1 炭化爐低碳化改造方案

1.1 概述

太西洗煤廠是國家能源集團寧夏煤業集團有限責任公司洗選中心進行無煙煤洗選加工的選煤企業，始建于1983年，于1986年9月建成投產，設計能力為2.10 Mt/a，經過近40年的發展，又新增年生產石墨化產品8萬t，活性炭產品2萬t，碳化硅產品1萬t。炭化爐改造在太西洗煤廠活性炭一車間炭化爐工段設計和實施。混捏成型配方為：焦油和煤粉比例為1∶3.4(即煤粉∶焦油為100∶29.4)，煤粉揮發分為8%，產出炭化料揮發分為8%。經過炭化工藝成型條平均得率為69%，產出炭化料在16～18 t/d之間。

1.2 實施步驟

首先，經熱平衡計算可知，系統中約有2 904 MJ/h能量在焚燒爐中未用盡而沉積在系統中，可使之返回煙氣循環利用系統。采用返回煙道后，爐頭補燃需要能量約為2 093 MJ/h，爐內煙氣熱值為1.88 MJ/Nm3，理論計算的返回煙氣量約為1 200 Nm3/h，因余熱煙氣中可燃氣體成分較少，故采用蓄熱體作為明火燃燒此余熱。考慮到其他因素，管道返回煙氣量按2 000 Nm3/h設計。然后，設計并安裝架空煙道，使炭化爐爐尾富余煙氣通過風機裝置和返回煙道返回到爐頭位置，將能量循環利用。引入爐頭時采用沿炭化爐軸向直通方案，有利于充分利用輻射熱，提高熱利用效率。該方案不僅能替代爐頭額外補充燃料，達到降低能耗、減少碳排放量的目的，而且爐尾富余的部分煙氣還能通過余熱鍋爐生產少量的蒸汽，滿足后續工藝需要，實現炭化流程的低碳化改造。經初步測算，項目實施后每臺炭化爐每天可節約燃煤2 t左右，同時爐頭燃燒方式的改變還可促使燒蝕率降低，產率提高，預計每年可為企業帶來直接經濟效益100余萬元。

1.3 系統總體設計

炭化爐返回煙道系統包括煙氣返回煙道、支撐架、清灰口、軸流風機、燃燒器等，系統總體設計如圖1所示。

圖1 炭化爐返回煙道系統總體設計圖Fig.1 General design of the return-gas flue system

系統中返回煙道和軸流風機是主要裝置，需對其進行模擬研究，來確定返回煙道最優管徑和合適的風機選型，以能夠在改善系統性能的同時減少后期施工、調試工作量，提高改造效率，降低改造成本。

2 返回煙道數值模擬

2.1 幾何模型與網格劃分

根據炭化爐返回煙道設計圖紙，應用SolidWorks軟件對返回煙道進行1∶1三維建模，在構建幾何模型過程中，忽略煙道外部支撐結構及清灰口。構建的返回煙道幾何模型如圖2所示。

圖2 返回煙道幾何模型Fig.2 Geometrical model of the return-gas flue duct

對煙道結構模型進行網格劃分時，優先采取結構化網格，并對壁面處、進出口及速度梯度較大的部分進行網格面加密處理。為進一步提升網格質量，對流體壁面設置了尺寸約束，設置定義算法為四面體算法，網格質量檢測算法選擇單元質量檢測算法，絕大多數網格質量都在0.7以上，網格質量較好。網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網格劃分結果Fig.3 Meshing result

2.2 控制方程及邊界條件設置

2.2.1 控制方程

返回煙道內流體流動為復雜的三維湍流流場，返回煙道煙氣的氣流雷諾數至少為104的數量級。因此，返回煙道氣體為高度湍流狀態。模擬時假定氣體不可壓縮，作穩態流動，氣體黏度不可忽略。采用標準的雙方程模型求解湍流問題，連續性方程、動量方程、湍流脈動能k方程和湍流耗散率ε方程分別如式(1)—式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

2.2.2 邊界條件設置

余熱煙氣成分含量見表1。由表1可見，多組分煙氣性質主要成分為CO2和N2。

表1 余熱煙氣成分含量Table 1 Composition analysis of the return flue gas %

為簡化計算，后續模擬中煙道流體近似為CO2和N2。入口邊界條件設置為均勻入口，各管徑入口速度值以進口流量3 m3/s計算得出；出口邊界條件設置為流動出口。邊界條件見表2。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

2.3 模擬結果及分析

數值計算采用Fluent軟件求解器完成，模擬計算了模型進口速度(Vin)、出口速度(Vout)、靜態壓差(△P)及動態壓差(△DP)，不同管徑下的模擬參數見表3。

表3 不同管徑下的模擬參數Table 3 Simulated parameters of the flue ducts with different diameters

2.3.1 最優管徑

根據Fluent軟件模擬的結果，已知進出口速度以及壓力，由伯努利方程可得管道的沿程阻力以及局部阻力損失，即：

(4)

式中：P1、P2分別為進口、出口壓力；ρ為煙氣密度；v1、v2分別為煙道流體進口、出口速度；z1、z2分別為進口、出口位能，z=ρgh；△H表示阻力損失。

返回煙道傾斜角不超過5°，可忽略位能變化，則有：

(5)

根據公式(5)繪制阻力損失隨管徑變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4 △H隨管徑變化趨勢圖Fig.4 Trend chart of △H with variation of duct size

由圖4可知，管徑越大，流動損失越小，僅從此角度，初步可得DN400 mm的管徑最佳。進一步觀察發現，隨著管徑進一步增大，當返回煙道公稱直徑超過300 mm以后，流動損失雖然減小但變化非常平緩，管道直徑投資增加帶來的返回煙道性能改善不顯著，性價比變差，因此考慮到經濟和性能的平衡，返回煙道管徑最佳選為300 mm。

2.3.2 軸流風機選型計算[15-17]

在標準條件下，軸流風機風量(Q)計算如下：

Q=KQ總=1.1×2 000=2 200 Nm3/h，

(6)

式中：K為風量儲備系數，取1.1；Q總為返回煙氣量，Q總=2 000 Nm3/h。因此風機風量為2 200 Nm3/h。

軸流風機的風壓(P)計算如下：

P=(ppipeα1+pequipment)α2=(397.912×1.05+500)×1.2=1 101.37 Pa，

(7)

式中：ppipe為管網總壓損，Pa；pequipment為設備壓損，Pa；α1為管網計算總壓損附加系數；α2為風壓儲備系數，取1.2。

為使出口處達到與入口處相同的壓力及速度，阻力損失即為所需向管道內加入的能量，考慮一定的富裕量，所需軸流風機的功率(N)為：

(8)

式中：Q為風量，m3/h；P為風機的全風壓，Pa；η0為風機的內效率，取0.75；η1為機械效率，取1。

軸流風機的電機功率(Nm)計算如下：

(9)

式中：K為電機儲備系數，取1.2；ηd為電動機效率，一般取0.9。

根據軸流風機功率計算出所需電機功率為1 196.55 W，超過了常用電機功率(1.1 kW)，因此需選用1.5 kW的電機作為返回煙道軸流風機的配套電機。

3 結論

為了響應國家“雙碳”目標，太西洗煤廠對炭化爐進行了低碳化升級改造，利用返回煙道將余熱高效利用，以顯著降低燃料消耗，提高能量利用效率，減少碳排放。利用Fluent軟件模擬對不同管徑的返回煙道進行了數值模擬，并開展了風機選型計算，得到以下結論：

(1)隨著管徑的增大，返回煙道流動阻力呈減小趨勢，往后，流動阻力隨管徑變化并不明顯。

(2)綜合經濟和性能因素，返回煙道的最佳管徑為DN300 mm，此時性價比最高。

(3)經過選型計算，最終軸流風機電機選用1.5 kW。