Моделирование газоходных сетей корпусов производства алюминия с целью выравнивания объемов газоотсоса от электролизеров

3. Глинка Н.Л. Общая химия: учебник. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Высшее образование, 2010. 886 с.

4. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высш. шк., 1998. 413 с.

5. Домрачева В.А. Извлечение металлов из сточных вод и техногенных образований: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 152 с.

6. Дубинин М.М. Методы приведения изотерм адсорбции и удельная поверхность адсорбентов. М.: Наука, 1976. 523 с.

7. Кельцев Н.А. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1976. 511 с.

8. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия, 1981. 168 с.

УДК 669.713

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОХОДНЫХ СЕТЕЙ КОРПУСОВ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ С ЦЕЛЬЮ ВЫРАВНИВАНИЯ ОБЪЕМОВ ГАЗООТСОСА ОТ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

С.Г. Шахрай1, А.Н. Баранов2, В.В. Коростовенко3

1,3Сибирский Федеральный университет, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Выполнен анализ основных причин повышенного аэродинамического сопротивления газоходных сетей и многократного различия объемов эвакуируемых от электролизеров газов. Приведены критерии моделирования газо-ходной сети и его результаты. Описаны технические решения по выравниванию объемов газоотсоса и снижению отложений в газоходах. Ил. 8. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: аэродинамическое сопротивление; газоходные сети; моделирование; объемы газоотсоса; отложения; газоходы.

SIMULATION OF FLUE NETWORKS OF ALUMINUM PRODUCTION HOUSINGS IN ORDER TO EQUALIZE GAS-SUCTION VOLUMES FROM ELECTROLYZERS S.G. Shakhrai, A.N. Baranov, V.V. Korostovenko

Siberian Federal University, 79 Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041. National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The analysis of the main reasons for the increased aerodynamic drag of the flue networks and multiple differences in the amounts of gases evacuated from electrolyzers is performed. The simulation criteria of a flue network and its results are given. Technical solutions on equalizing the volumes of a gas-suction and the decrease of scurf in flues are described. 8 figures. 5 sources.

Key words: aerodynamic drag; flue networks; simulation; modeling of gas-suction volumes; scurf; flues.

Газоходные сети, эксплуатируемые в корпусах электролиза, представляют собой сильноразветвлен-ные сети протяженностью 2-2,5 км с большим количеством тройников, диффузоров и поворотов, создающих аэродинамическое сопротивление, на преодоление которого затрачивается более 30% мощности, развиваемой дымососами. В масштабе бригады сопротивление сети порядка 500 Па, в масштабе корпу-

са электролиза - более 2000 Па, обусловленное:

- неравномерностью углов ввода спусков от горелок в подкорпусной газоход, колеблющихся от 450 до 900;

- наличием зон внезапного расширения потока -ввод спусков от «тупиковых горелок» бригад в сборный подкорпусной газоход диаметром, превышающим в 1,4-1,7 раз диаметр спуска;

1 Шахрай Сергей Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры техносферной безопасности горного и

металлургического производства Института цветных металлов и материаловедения, тел.: 89500841967.

Shakhrai Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Technospheric Safety of Mining and

Metallurgical Production the Institute of Nonferrous Metals and Material Science of the Siberian Federal University,

tel.: 89500841967.

2Баранов Анатолий Никитич, доктор технических наук, профессор кафедры металлургии цветных металлов, тел.: 89025610167, (3952) 405265, e-mail: a_baranow@mail.ru

Baranov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Metallurgy of Nonferrous Metals, tel.: (3952) 405265, 89025610167, e-mail: a_baranow@mail.ru

3Коростовенко Вячеслав Васильевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой техносферной безопасности горного и металлургического производства Института цветных металлов и материаловедения.

Korostovenko Vyacheslav, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Technospheric Safety of Mining and Metallurgical Production of the Institute of Nonferrous Metals and Material Science of the Siberian Federal University.

- наличием несанкционированных подсосов атмосферного воздуха по длине газоходного тракта;

- некорректной установкой диффузоров, как правило, в точке, не совпадающей с узлом слияния потоков;

- некорректным подбором диаметров газоходов, не обеспечивающим изокинетичность (равномерность скорости) движения потока.

В результате этого от электролизеров эвакуируются различные объемы газов, разность которых достигает 2-3-кратного значения, в зависимости от удаленности электролизера от источника разрежения (дымососа). Различные разрежения в горелках приводят к их неустойчивой работе, погасанию и выносу в газоходный тракт несгоревших смолистых и пылевых частиц. Пыль оседает в газоходах вследствие недостаточной скорости потока для ее увлечения.

В настоящей работе представлены результаты моделирования газоходной сети одной из бригад корпуса электролиза, включающей следующие технические решения:

- равномерность углов ввода спусков в подкорпус-ной газоход;

- исключение пылеосадительных камер после горелок;

- исключение несанкционированных подсосов атмосферного воздуха по длине газоходного тракта;

- одновременно включение вышеперечисленных технических решений;

- выравнивание объемов газоотсоса от горелок с помощью регулирующих устройств;

- исключение осаждения пылевых частиц путем увеличения скорости потока.

Моделирование газоходной сети выполнено с помощью программного комплекса оЫе1, позволяющего производить многовариантные расчеты и анализ систем с учетом неизотермичности, тепломассобмена с окружающей средой и химического реагирования. Электролизеры в моделируемой сети представлены как источники выбросов, горелочные устройства - как узлы химического реагирования. Узловые точки представлены тройниками, диффузорами и участками внезапного расширения потока, которые соединяются газоходами прямоугольного (подколокольное пространство электролизеров) и круглого сечения (рис. 1). Основным условием обеспечения равномерности объемов газоотсоса от электролизеров является равенство разрежений в горелочных устройствах, создаваемое дымососами (поузловая увязка давлений) [1].

Расчеты газоходных сетей. В существующей газоходной сети разница разрежений в горелках бригады достигает более чем 4-кратного значения - от 22,4 до 93,5 Па; разница объемов газоотсоса от горелок более, чем 2-кратная - от 129 до 264 нм3/ч. Температуры в горелках находятся в обратно пропорциональной зависимости от разрежения вследствие охлаждения горелок избыточно подсасываемым воздухом. Суммарный объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки бригады, составляет более 7600 нм3/ч, что в два раза ниже компонентов анодного газа, и по бенз(а)пирену и другим ПАУ обеспечивается

лишь в 7,5% горелочных устройств электролизеров бригады (в трех из сорока), температура горения в которых превышает 11000С [3]. Ввод спусков в под-корпусной газоход под углом 300, при котором аэродинамическое сопротивление минимально [4, 5], сокращает разницу разрежений в горелках до 2,7-кратного значения преимущественно за счет его увеличения на 10-20 Па в горелках, наиболее удаленных от поперечного превышает оптимальное значение а = 1,4-2,0 [2]. Эффективность дожига горючих подкорпусного газохода (рис. 2). Суммарный объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки, увеличивается примерно на 10% и составляет около 8400 нм3/ч, что является следствием сокращения аэродинамического сопротивления сети на 15-20%. Температуры в горелках падают на 50-2000С и не превышают 9580С. При этом эффективность дожига бенз(а)пирена и других ПАУ составляет 60-80%, СО 65-70%.

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40

Рис. 1. Теплофизические и аэродинамические параметры существующей газоходной сети

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40

Рис. 2. Теплофизические и аэродинамические параметры газоходной сети при условии ввода боковых ответвлений тройников под углом 30°С

Демонтаж пылеосадительных камер, каждая из которых создает аэродинамическое сопротивление 20 Па при средней эффективности улавливания пыли 10%, дает следующие результаты (рис. 3). В сравнении с существующей сетью общее аэродинамическое сопротивление сокращается на 20-25%, объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки, увеличивается примерно на 11% и составляет более 8500 нм3/ч. Разрежение в горелках, наиболее удаленных от поперечного подкорпусного газохода, увеличивается незначительно - от 1,5 до 10,0 Па. Значительное увеличение разрежения, от 20 до 35 Па, в наименее уда-

ленных горелках. Разница между минимальным и максимальным разрежениями в горелках достигает 5-кратного значения - от 23,8 до 128 Па. Температуры в горелках находятся в пределах 550-11300С, причем температура, превышающая 11000С, наблюдается лишь в 5% горелок. Стоит также отметить, что с введением в эксплуатацию «сухих» ГОУ необходимость эксплуатации пылеосадительных камер отпадает, т.к. практически вся пыль, улавливаемая рукавными фильтрами, возвращается в электролиз с фторированным глиноземом. Эксплуатируемые пылеосади-тельные камеры нуждаются в периодическом обслуживании - чистке и ремонте, что приводит к увеличению операционных затрат. При ликвидации несанкционированных подсосов по длине газоходного тракта общий объем воздуха, поступающего в горелки, составляет более 9200 нм3/ч - на 20% больше, чем в существующей сети (рис. 4). Разность разрежений сокращается до 2,5-кратного значения - в наиболее удаленных от поперечного подкорпусного газохода горелках оно увеличивается в 1,5 раза, в наименее удаленных - в 1,2-1,3 раза. Температура в горелках от 583 до 8770С, что обеспечивает полноту дожига СО на 60-85%, бенз(а)пирена и ПАУ - на 45-70%.

Рис. 3. Теплофизические и аэродинамические параметры газоходной сети при условии исключения пылеосадительных камер

Рис. 4. Теплофизические и аэродинамические параметры газоходной сети при условии исключения подсосов воздуха по длине газоходного тракта

Одновременное внедрение всех технических решений, рассмотренных в настоящей главе, сокращает

разницу разрежений в горелках до 2,1-кратного значения - от минимального 65,8 Па до максимального 146 Па (рис. 5). Общий объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки, в сравнении с существующей сетью увеличивается более чем на 50% и в сумме превышает 11000 нм3/ч. При этом температуры в горелочных устройствах находятся в пределах 517-7220С, что обеспечивает эффективность дожига СО на уровне 50-75%, бенз(а)пирена и ПАУ - на уровне 40-60%.

Рис. 5. Теплофизические и аэродинамические

параметры газоходной сети при одновременном

внедрении перечисленных технических решений

Вследствие того что рассмотренные технические решения не обеспечивают равномерности объемов газоотсоса и эффективности работы горелок, ни одно из них не может быть рекомендовано к внедрению. Напротив, внедрение вышеперечисленных решений создаст дополнительные проблемы при эксплуатации системы газоотсоса вследствие увеличения выноса в газоходный тракт пыли и смолистых веществ, оседающих на стенки газохода.

Выравнивание объемов газоотсоса от горелок. Техническим решением, обеспечивающим равномерность объемов газоотсоса от электролизеров бригады, может быть применение регулирующих устройств - шиберов или поворотных заслонок, аналогичных применяемым на электролизерах с предварительно обожженными анодами Хакасского алюминиевого завода. Применение диафрагм с постоянным аэродинамическим сопротивлением нежелательно вследствие подверженности их зарастанию отложениями и неудобством обслуживания. На рис. 6 представлена сетевая модель газоходной сети с регулирующими устройствами, где коэффициент сопротивления каждого из них рассчитан отдельно [5]. Модель предполагает, что газоходная сеть включает в себя технические решения, рассмотренные выше. Применение регулирующих устройств сокращает разность разрежений в горелках до 10-12%, что соответствует рекомендациям по «узловой» увязке разрежений (давлений) в газоходных сетях аспирационных систем (рис. 7). В сравнении с существующей газоходной сетью, взятой за основу, суммарный объем атмосферного воздуха, подсасываемого в горелки, увеличивается более чем на 25% - с 7630 до 9300 нм3/ч. Температура горения находится в пределах 660-7000С, что

обеспечивает эффективность дожига бенз(а)пирена и ПАУ на уровне 50-60 %, СО - 60-75%. Скорость транспортировки газов 10-12 м/с, что недостаточно для обеспечения полноты увлечения частиц газовым потоком, т.е. газоходы будут подвержены зарастанию отложениями.

1 4 7 10 13 16 ig 22 25 2S 31 34 37 40

Рис. 6. Теплофизические и аэродинамические параметры газоходной сети с регулирующими устройствами

1 4 7 10 13 16 19 22 25 2S 31 34 37 40

Рис. 7. Теплофизические и аэродинамические параметры «скоростной» газоходной сети

Предотвращение образования в газоходах отложений («скоростные» газоходы). Сократить (предотвратить) образование в газоходах отложений возможно за счет увеличения скорости движения газов до 15 м/с. Техническим решением, обеспечивающим достижение цели, является сокращение габаритов газоходной сети, в частности, диаметров спусков со 159 до 100 мм с соответствующим уменьшением диаметров подкорпусных газоходов. Результаты расчета «скоростной» газоходной сети (рис. 8) показывают, что разница разрежений в горелках бригады увеличивается до 20-кратной величины при одновремен-

ном сокращении более чем на 21% объема подсасываемого атмосферного воздуха, который составляет немногим более 6000 нм3/ч. Доля горелок, в которых температура превышает 11000С, и эффективность дожига СО, бенз(а)пирена и ПАУ высока и составляет 35% от их общего числа, что недостаточно для достижения норм выбросов, установленных для российских алюминиевых заводов. Выравнивание объемов газоотсоса и разрежений в горелочных устройствах возможно за счет применения тех же регулирующих устройств (шиберов, поворотных заслонок) (рис. 10). При этом достигается равномерность объемов газоотсоса от горелочных устройств и температура на уровне 1200 0С - достаточная для полного сгорания бенз(а)пирена, ПАУ и СО. Разница разрежений в горелках не превышает 20%, при этом суммарный объем газоотсоса от бригады уменьшен в сравнении с существующей сетью более чем в 2 раза.

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40

Рис. 8. Теплофизические и аэродинамические параметры «скоростной» газоходной сети с регулирующими устройствами

Модернизация существующей газоходной сети с целью выравнивания объемов газоотсоса от электролизеров, повышения устойчивости работы горелок и исключения осаждения в газоходах пыли нецелесообразна вследствие некорректных диаметров сети.

Достичь поставленной цели возможно за счет уменьшения диаметров газоходов в среднем в 1,5 раза и применения регулирующих устройств, устанавливаемых на спусках от горелок. При этом достигается полный дожиг горючих компонентов во всех горелках бригады при одновременном снижении объема газоотсоса в 2 раза за счет оптимизации коэффициента избытка воздуха а.

Библиографический список

1. Бошняков Е.Н. Аспирационно-технологические установки предприятий цветной металлургии. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1987. 160 с.

2. Буркат В.С., Друкарев В.А. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве алюминия. СПб., 2005. 275 с.

3. Юрьев А.С. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем. СПб.: Мир и семья, 2001. 1153 с.

4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Госэнергоиздат, 1975. 560 с.

5. Шахрай С.Г. Повышение эффективности вентиляции корпусов электролизного производства путем совершенствования системы газоотсоса: дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2008. 132 с.