胡紅勝, 宋海琛, 劉竹昕

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

鋁用預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物和苯并芘等強致癌物等,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?，F(xiàn)有的凈化技術可對瀝青煙、氟化物、顆粒物進行有效處理,無法實現(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,通入天然氣進行燃燒處理,煙氣中的瀝青煙和苯并芘等有機污染物分解燃燒轉(zhuǎn)變成二氧化碳和水,凈化效率極高且有機煙氣無二次污染,系統(tǒng)運行安全,穩(wěn)定性高,無需考慮廢水等后續(xù)處理問題。但是,該技術采用天然氣高溫燃燒,運行費用較高,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”處理進行研究,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行脫硝)后,出口煙氣首先經(jīng)過黑法,即碳粉吸附反應脫除煙氣中的有機污染物(瀝青煙、苯并芘),再通過半干法反應器脫除煙氣中的酸性污染物(二氧化硫、氟化物),而后通過煙囪達標排放。采用 “雙干法凈化技術”處理焙燒煙氣中的焦油及有機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

計算流體動力學(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,并通過計算機進行數(shù)值計算和分析,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]。炭粉吸附反應器作為黑法吸附去除焦油技術的關鍵設備,本文以某鋁用陽極廠焙燒煙氣凈化系統(tǒng)的炭粉吸附反應器為研究對象,通過Gambit軟件建立炭粉吸附反應器模型,利用fluent軟件進行氣固兩相流模擬,研究反應器結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)部流場的影響,最終給出優(yōu)化的反應器結(jié)構(gòu)形式。

2 炭粉吸附反應器數(shù)值模擬

如圖1所示,炭粉吸附反應器數(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

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

圖2 模型圖

2.2 劃分計算網(wǎng)格

炭粉反應器進口管道、候口、收縮段、擴散段、出口管道均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,炭粉反應器內(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 確定邊界類型及計算模型

炭粉反應器內(nèi)部流場是復雜的三維湍流流場,為方便計算,假定流體作定常流動,流體的各項運動參數(shù)與時間無關;流體是不可壓縮的。計算模型選用標準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]。進口均采用速度進口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件,物料假設為單一粒徑,以面源進入反應器。三維湍流流場的計算采用有限容積法離散控制方程,算法采用SIMPLE算法,對流項差分格式采用二階迎風格式,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軟件對黑法反應器內(nèi)部氣流流動場進行模擬,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器內(nèi)部錐體造成的,需要進一步確定。

圖4 方案1反應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口彎頭內(nèi)側(cè)速度偏大,而反應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的基礎上,為了解決在反應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塊導流板,導流板的拐彎半徑為1∶1。由圖6可以看出,增加導流板后,在反應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。是否因為有錐體導致出現(xiàn)四周大中間小的現(xiàn)象需要進一步模擬驗證。

圖6 方案3反應器不同斷面速度云圖

3.4 方案4模擬結(jié)果

在方案3的基礎上,為了錐體導致出現(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,反應器中間豎直斷面與反應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反應器不同斷面速度云圖

3.6 反應器內(nèi)部顆粒流動場模擬結(jié)果

在方案5的基礎上,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,碳粉擴散后比較均勻。

4 工程應用

雙干法凈化技術已在內(nèi)蒙古某炭素廠焙燒煙氣凈化系統(tǒng)改造中應用,建成并投用2套系統(tǒng),目前運行8個月,系統(tǒng)穩(wěn)定,指標達標雙干法凈化技術是國內(nèi)領先的焙燒煙氣凈化技術,經(jīng)第三方測試雙干法凈化技術可實現(xiàn)焙燒煙氣六種污染物實現(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)沈陽鋁鎂設計研究院設計開發(fā)了焙燒煙氣雙干法凈化工藝,該技術運行過程中,焙燒爐煙氣經(jīng)過干式還原脫硝后,出口煙氣首先經(jīng)過黑法反應系統(tǒng)脫除瀝青煙和苯并芘,再通過半干法反應系統(tǒng)脫除二氧化硫和氟化物。該技術利用焙燒車間收塵粉作為黑法反應原料,有效處理了有機煙氣的同時,回收收塵粉,完成吸附后通過球團制成填充料,日產(chǎn)填充料達到6 t以上,進入焙燒車間循環(huán)使用。

(2)從工藝開發(fā)及工程化研究,計算模型開發(fā)與驗證。采用數(shù)值模擬方法確定炭粉吸附反應器結(jié)構(gòu)參數(shù),并作為首套成功應用于內(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,實現(xiàn)了全部污染物的超低排放,且無二次污染,實現(xiàn)了焙燒工序的循環(huán)經(jīng)濟,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指導與借鑒。