敞開式陽(yáng)極焙燒爐三維數(shù)值模擬研究

劉 徹，朱東旭，劉希文，楊青辰，關(guān)永軍

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

預(yù)焙陽(yáng)極是以石油焦、瀝青焦為骨料，煤瀝青為粘結(jié)劑制作成型，經(jīng)過焙燒后作為電解鋁生產(chǎn)工藝中的導(dǎo)電材料。敞開式陽(yáng)極焙燒爐是生產(chǎn)預(yù)焙陽(yáng)極的主要設(shè)備，多功能天車將炭塊放進(jìn)焙燒爐料箱中，填充料對(duì)其進(jìn)行覆蓋以便隔絕空氣，然后按照設(shè)定的加熱曲線通過間接加熱進(jìn)行焙燒[1]。進(jìn)年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，不僅鋁電解槽對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高，而且國(guó)家相關(guān)政策對(duì)炭素行業(yè)的要求也愈發(fā)嚴(yán)格，進(jìn)而促使焙燒爐進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。

敞開式陽(yáng)極焙燒爐作為工業(yè)爐中的一種，主要由火道、火道墻及料箱組成。其中，焙燒爐火道的燃料通過爐頂噴嘴噴入火道，燃燒后形成高溫?zé)煔庋刂鵂t長(zhǎng)方向流動(dòng)，通過火道墻的熱傳導(dǎo)間接對(duì)炭塊進(jìn)行加熱[2]。因此，火道內(nèi)的溫度分布直接影響著炭塊的溫度分布，進(jìn)而決定炭塊的最終焙燒質(zhì)量。因?yàn)楸簾隣t生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，焙燒過程又是一個(gè)包含燃燒、流動(dòng)、熱傳到及輻射的復(fù)雜熱工過程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到火道、火道墻及料箱的溫度分布等信息是十分困難的[3，4]。因此，采用數(shù)值模擬仿真計(jì)算的方法開發(fā)出焙燒爐熱工過程數(shù)學(xué)模型，獲得爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及組分濃度場(chǎng)對(duì)于研究如何提高炭塊質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算區(qū)域離散化

1.1 物理模型

本文所研究的焙燒爐為60室（8箱9火道）敞開式陽(yáng)極焙燒爐，選取其中任一爐室，火道和料箱交替布置。本文的研究對(duì)象為火道、火道墻、料箱及炭塊所組成的能夠代表完整焙燒爐熱工過程的整體，即由任一爐室縱向具有代表性的火道中心剖面和料箱中心剖面之間部分組成。圖1、圖2分別為焙燒爐火道中心剖面結(jié)構(gòu)圖和焙燒爐料箱中心剖面結(jié)構(gòu)圖。

圖1 焙燒爐火道中心剖面結(jié)構(gòu)圖

圖2 焙燒爐料箱中心剖面結(jié)構(gòu)圖

其中，火道墻尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：6475mm×285mm×8780mm，每個(gè)燃燒室有3個(gè)擋墻和55塊拉磚，3個(gè)擋墻尺寸（長(zhǎng)×寬×高）均為4040mm×208mm×175mm。拉磚有兩種結(jié)構(gòu)，矩形拉磚有兩種尺寸（長(zhǎng)×寬×高），分別為296mm×106mm×175mm和214mm×98mm×175mm，橢圓形拉磚的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）均為207mm×106mm×175mm ，火道頂部有2個(gè)燒嘴。料箱側(cè)主要由生陽(yáng)極、填充料和保溫磚組成，生陽(yáng)極分3層，每層7塊，共21塊。炭塊尺寸為：1750mm×760mm×680mm，每個(gè)生陽(yáng)極周圍都有填充料包圍。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，本文針對(duì)上述三維物理模型，采用ICEM軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算區(qū)域離散化，得到全結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。由于料箱區(qū)域結(jié)構(gòu)較為整齊，因此，先劃分料箱側(cè)的Block，然后劃分火道側(cè)的Block，其中，采用O-Block劃分方法對(duì)橢圓形拉磚和兩個(gè)燒嘴進(jìn)行劃分。在設(shè)置各Edge的節(jié)點(diǎn)數(shù)及分布規(guī)律后，生成整體Block的全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中典型位置如火道流體域和炭塊固體域的網(wǎng)格分別如圖3、圖4所示。本模型由于采用ICEM進(jìn)行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，質(zhì)量較高，完全滿足Fluent計(jì)算對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求。

圖3 火道流體域網(wǎng)格

圖4 炭塊固體域網(wǎng)格

2 數(shù)學(xué)模型建立

焙燒爐內(nèi)的熱工過程主要有氣體流動(dòng)、燃料燃燒、組分輸運(yùn)及傳熱過程，可采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分輸運(yùn)方程及輻射傳遞方程進(jìn)行描述求解。

1）連續(xù)性方程

式中ρ為流體密度，t為時(shí)間，j代表坐標(biāo)維數(shù)，u為速度矢量，x為坐標(biāo)。

2）動(dòng)量方程

其中μ為粘性系數(shù)，iP是表面力矢量，包括靜壓力和流體粘性壓力。gi是作用于單位體積流體的i方向的體積力，fi是作用于單位體積流體的反方向的阻力。

3）能量方程

式中H是包括動(dòng)能的總熱焓，它由靜態(tài)熱焓h的表達(dá)式給出：

（4）Q rad和RQ分別為輻射與化學(xué)反應(yīng)熱源項(xiàng)，Γh表示熱交換系數(shù)，其定義為：為參考溫度，λe為有效導(dǎo)熱系數(shù)，C p為定壓比熱。

4）組分輸運(yùn)方程

式中Γs為組分s的交換系數(shù)，sR為組分s由于化學(xué)反應(yīng)引起的產(chǎn)生或消耗率。

5）輻射傳遞方程

式中ρ為物質(zhì)密度，kλ表示對(duì)輻射波長(zhǎng)的質(zhì)量消光界面。

3 結(jié)果分析

本次模擬以FLUENT 19.1為平臺(tái)，對(duì)離散化后計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，以火道中心截面顯示火道內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，炭陽(yáng)極中心截面顯示陽(yáng)極溫度場(chǎng)。

3.1 火道流場(chǎng)

圖5 是火道內(nèi)中心截面速度云圖，可以看出，燃燒室內(nèi)三個(gè)隔墻均勻分布，使氣流呈“W”形流動(dòng)，延長(zhǎng)了熱氣流在燃燒室內(nèi)的行程，這有利于提高傳熱；擋磚的布置除了在結(jié)構(gòu)上起到加固墻體的作用，還起到了改變?nèi)紵覂?nèi)氣流分布，增加氣流擾動(dòng)的作用，擋磚位置處的氣流速度明顯要高于其它區(qū)，有利于溫度均勻分布。

圖5 火道內(nèi)速度云圖

但是，由于氣流的慣性以及隔墻阻力的作用，氣流分布容易出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，使得隔墻的迎風(fēng)面的氣流速度大，而背風(fēng)面的氣流速度小，并在氣流的拐角處出現(xiàn)回流現(xiàn)象。同時(shí)，氣流的入口以及爐室下部的擋磚后存在部分死區(qū)現(xiàn)象，易導(dǎo)致溫度分布的不均勻，特別是空氣入口擋磚后出現(xiàn)的死區(qū)極易影響燃料的燃燒。

3.2 火道溫度場(chǎng)

圖6 是火道內(nèi)中心截面溫度云圖。從圖中可以看出，火道內(nèi)大部分區(qū)域溫度在1750K左右，由于天然氣的燃燒，高溫區(qū)出現(xiàn)在兩個(gè)噴嘴下面，火焰最高溫度在2379K左右。

圖6 火道內(nèi)溫度云圖

靠近空氣入口處一側(cè)火道溫度偏低，在900K左右，這是由于空氣雖然有一定的預(yù)熱溫度，但與火道內(nèi)的煙氣相比溫度還是較低?；鸬纼?nèi)溫度場(chǎng)分布大體是由空氣入口向煙氣出口方向，溫度逐漸升高，在靠近第2個(gè)燒嘴的區(qū)域溫度基本趨于均勻，保持不變。

3.3 陽(yáng)極溫度場(chǎng)

圖7 是料箱內(nèi)21個(gè)炭塊中心截面的溫度分布云圖。從圖中可以看出，全部21塊炭塊在加熱終了時(shí)溫度滿足最終焙燒溫度（1050～1200℃）要求，最高溫度1451.7K，最低溫度1353.3K，整體溫差在100℃內(nèi)。

圖7 炭塊中心截面溫度云圖

其中，中間層的炭塊溫度分布非常均勻，加熱質(zhì)量最好。上層炭塊溫差最大，最低溫度在炭塊頂部，這是頂部散熱較大，保溫不好所導(dǎo)致。底層炭塊也有溫差，不過小于頂層炭塊溫差，焙燒質(zhì)量較高。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過對(duì)敞開式陽(yáng)極焙燒爐熱工過程的研究，建立相對(duì)應(yīng)的三維物理模型，采用ICEM軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，結(jié)合Fluent軟件系統(tǒng)研究了陽(yáng)極焙燒爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

（2）結(jié)合數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，保溫結(jié)束時(shí)，炭塊溫度最大溫差小于100℃，與實(shí)際生產(chǎn)情況相符。不過，火道內(nèi)流場(chǎng)仍然存在回流位置，溫度場(chǎng)也存在較大的溫度差異，所以現(xiàn)有設(shè)計(jì)的焙燒爐結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。