阳极焙烧双干法净化工艺中炭粉吸附反应器的模拟及分析

胡红胜, 宋海琛, 刘竹昕

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

铝用预焙阳极是将主要原料煅后石油焦和沥青混捏成型再通过焙烧炉高温焙烧而成,生阳极中约加入15%的沥青左右作为粘结剂,这些沥青会在焙烧过程中转化为沥青烟气散发[1]。沥青烟气中含有大量有机物和苯并芘等强致癌物等,同时, 由于在生阳极中还配入了从电解返回的含氟残极, 焙烧时氟也将进入烟气中。

焙烧烟气净化常见的处理工艺包括“冷却塔+电捕”工艺,“冷却塔+氧化铝干法吸附”工艺以及“冷却塔+电捕+氧化铝干法吸附”串联工艺。现有的净化技术可对沥青烟、氟化物、颗粒物进行有效处理,无法实现烟气中各类污染物的综合高效治理。同时,吸附焦油的氧化铝难以输送;电捕焦油器存在效率不稳定、危废二次污染、着火及腐蚀等问题。

为了更彻底的处理沥青烟及苯并芘等污染物,国内外某些企业采用了蓄热式焚烧炉(RTO)工艺,焙烧炉出口烟气接至RTO,通入天然气进行燃烧处理,烟气中的沥青烟和苯并芘等有机污染物分解燃烧转变成二氧化碳和水,净化效率极高且有机烟气无二次污染,系统运行安全,稳定性高,无需考虑废水等后续处理问题。但是,该技术采用天然气高温燃烧,运行费用较高,且高温燃烧造成氮氧化物升高,末端烟气需采用特殊的脱硝方案进行处理。

因此必须综合考虑铝用阳极焙烧烟气性质的特殊性、综合运行及管理成本等因素,探索铝用阳极焙烧烟气处理最佳可行性技术路线。本文主要针对处理焙烧烟气无需冷却塔降温,采用炭粉吸附焦油+半干法脱硫, 即“双干法净化技术”处理进行研究,焙烧炉烟气经过干式还原脱硝(即脱硝剂喷入焙烧炉火道进行脱硝)后,出口烟气首先经过黑法,即碳粉吸附反应脱除烟气中的有机污染物(沥青烟、苯并芘),再通过半干法反应器脱除烟气中的酸性污染物(二氧化硫、氟化物),而后通过烟囱达标排放。采用 “双干法净化技术”处理焙烧烟气中的焦油及有机物采用的是炭粉吸附工艺并能循环使用,无二次污染问题。

1 研究方法及对象

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)是研究各种流体流动问题的数值分析方法。CFD以离散化方法建立数值模型,并通过计算机进行数值计算和分析,得到在时间和空间上离散的数据组成的集合体,最终获得定量描述流场的数值解[2]。炭粉吸附反应器作为黑法吸附去除焦油技术的关键设备,本文以某铝用阳极厂焙烧烟气净化系统的炭粉吸附反应器为研究对象,通过Gambit软件建立炭粉吸附反应器模型,利用fluent软件进行气固两相流模拟,研究反应器结构参数对内部流场的影响,最终给出优化的反应器结构形式。

2 炭粉吸附反应器数值模拟

如图1所示,炭粉吸附反应器数值模拟方法主要包括以下8个步骤。

图1 CFD数值模拟流程图

2.1 建立几何模型

对炭粉吸附反应器进行数值模拟试验研究时,对炭粉反应器内部锥体、下料管、内部支撑等进行适当简化,数值模拟模型与工程实际尺寸比例为1:1。建立模型如图2所示。

图2 模型图

2.2 划分计算网格

炭粉反应器进口管道、候口、收缩段、扩散段、出口管道均采用结构化网格,炭粉反应器内部锥体、下料管均采用非结构化网格。炭粉反应器数值模拟模型网格划分如图3所示。

图3 网格划分图

2.3 确定边界类型及计算模型

炭粉反应器内部流场是复杂的三维湍流流场,为方便计算,假定流体作定常流动,流体的各项运动参数与时间无关;流体是不可压缩的。计算模型选用标准k-ε双方程模型,物料采用DPM模型,控制方程包括:连续性方程、动量方程、湍动能k方程、耗散率ε方程[3-5]。进口均采用速度进口边界条件,出口采用压力出口边界条件,物料假设为单一粒径,以面源进入反应器。三维湍流流场的计算采用有限容积法离散控制方程,算法采用SIMPLE算法,对流项差分格式采用二阶迎风格式,近壁面处采用壁面函数法处理。

3 数值模拟结果

利用fluent软件对黑法反应器内部气流流动场进行模拟,不同方案的模拟结果如下。

3.1 方案1模拟结果

方案1模型如图2所示,根据模拟结果图4可以得出,进口管道弯头内侧偏大,而传统的经过弯头后,出口弯头外侧气流速度偏大。根据图4可以看出,在反应器候口底部及锥体顶部断面在弯头内侧速度偏小,出现这种现象的原因是否为反应器内部锥体造成的,需要进一步确定。

图4 方案1反应器不同断面速度云图

3.2 方案2模拟结果

为了更好的找出弯头进口弯头内侧速度偏大,而反应器候口底部及锥体顶部断面在弯头内侧速度偏小的原因,仅模拟直管道加弯头的气流流动状态,模拟结果如图5所示。由图5可以看出,在弯头处内侧气流速度偏大,气流经过弯头向前流动,逐渐偏向弯头侧,导致出口弯头外侧气流速度偏大。因此,经过弯头后,在出口断面弯头外侧气流流速偏大,内侧偏小是正常存在。即在方案1中,在反应器候口底部及锥体顶部断面在弯头内侧速度偏小,出现这种现象的原因不是反应器内部锥体造成,是弯头造成的。

图5 方案2管道不同截面速度云图

3.3 方案3模拟结果

在方案1的基础上,为了解决在反应器候口底部及锥体顶部断面在弯头内侧速度偏小的问题,在弯头处等间距增加2块导流板,导流板的拐弯半径为1∶1。由图6可以看出,增加导流板后,在反应器候口底部及锥体顶部断面气流速度不存在弯头内侧速度偏小的问题,但存在四周大中间小的现象。是否因为有锥体导致出现四周大中间小的现象需要进一步模拟验证。

图6 方案3反应器不同断面速度云图

3.4 方案4模拟结果

在方案3的基础上,为了锥体导致出现四周大中间小的现象,将模型中锥体去掉。由图7可以看出,去掉锥体后,四周大中间小的现象消失。因此反应器候口底部断面出现四周大中间小的现象由锥体造成。

图7 方案4反应器不同断面速度云图

3.5 方案5模拟结果

在方案3的基础上,增加直径150 mm的下料管,下料管伸到锥体正下方。由图8可以看出,增加循环下料管后,反应器中间竖直断面与反应器候口底部及锥体顶部断面的气流速度分布变化很小。

图8 方案5反应器不同断面速度云图

3.6 反应器内部颗粒流动场模拟结果

在方案5的基础上,采用DPM模型,给定循环料流量4.5833 kg/s,新鲜料未考虑。给定物料密度800 kg/m3,采用单一粒径,物料直径50 μm。下料管位置不同对物料分布的影响如图9与图10所示。

图9 物料分布图

图10 物料分布图(下料管超过锥体下方50mm)

由此可见,下料管位置对扩散效果影响很大,图10所示下料管超过锥体下方50 mm情况下,碳粉扩散后比较均匀。

4 工程应用

双干法净化技术已在内蒙古某炭素厂焙烧烟气净化系统改造中应用,建成并投用2套系统,目前运行8个月,系统稳定,指标达标双干法净化技术是国内领先的焙烧烟气净化技术,经第三方测试双干法净化技术可实现焙烧烟气六种污染物实现超低排放,具体排放浓度为:二氧化硫排放浓度25 mg/Nm3,氮氧化物排放浓度37 mg/Nm3,氟化物排放浓度0.1 mg/Nm3,沥青烟排放浓度6.3 mg/Nm3,颗粒物排放浓度2.7 mg/Nm3,苯并芘排放浓度0.000215 mg/Nm3。

5 结论及建议

(1)沈阳铝镁设计研究院设计开发了焙烧烟气双干法净化工艺,该技术运行过程中,焙烧炉烟气经过干式还原脱硝后,出口烟气首先经过黑法反应系统脱除沥青烟和苯并芘,再通过半干法反应系统脱除二氧化硫和氟化物。该技术利用焙烧车间收尘粉作为黑法反应原料,有效处理了有机烟气的同时,回收收尘粉,完成吸附后通过球团制成填充料,日产填充料达到6 t以上,进入焙烧车间循环使用。

(2)从工艺开发及工程化研究,计算模型开发与验证。采用数值模拟方法确定炭粉吸附反应器结构参数,并作为首套成功应用于内蒙古某炭素厂焙烧烟气的净化处理中。经第三方测试,二氧化硫<35 mg/Nm3,氮氧化物<50 mg/Nm3,氟化物<1 mg/Nm3,沥青烟<10 mg/Nm3,颗粒物<5 mg/Nm3,苯并芘<0.0003 mg/Nm3,实现了全部污染物的超低排放,且无二次污染,实现了焙烧工序的循环经济,降低了生产能耗,为铝用阳极焙烧烟气处理提供新的技术指导与借鉴。