陽極焙燒爐火道墻數(shù)值模擬

朱東旭

（東北大學(xué)設(shè)計研究院（有限公司），沈陽 110013）

1 Fluent 軟件簡介

Fluent 是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動以及熱傳導(dǎo)的計算機(jī)程序。其功能及特點如下：完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；定常（穩(wěn)態(tài)）/非定常（瞬態(tài)）流動模擬；先進(jìn)的動/變形網(wǎng)格技術(shù)；多網(wǎng)格支持功能；多重數(shù)值算法；先進(jìn)的物理模型。

2 火道墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陽極焙燒爐的核心部位為火道，燃料在火道內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的熱能通過火道墻傳遞給火道外的陽極炭塊，并將陽極炭塊產(chǎn)生的揮發(fā)分引入到火道內(nèi)燃燒。因此火道內(nèi)燃燒過程與溫度分布是我們研究的重點內(nèi)容，而要想研究燃燒過程與溫度分布就需要研究火道墻的結(jié)構(gòu)?；鸬缐Y(jié)構(gòu)主要有“W”型火焰系統(tǒng)和“W+V”型火焰系統(tǒng)。

本次選用國內(nèi)已投產(chǎn)運行的某“W”型火焰系統(tǒng)焙燒爐為研究對象，通過實際測試得到的邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，分析加熱階段燃燒過程及溫度分布，從而對現(xiàn)有火道墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善燃燒場及溫度場，最終提高陽極質(zhì)量。

3 數(shù)值模擬

3.1 理論依據(jù)

基于對稱性原理，計算的控制體積在x方向取火道的中心線到相鄰料箱中心線距離，y方向取料箱頂部到底部距離，z方向則為爐長方向從冷風(fēng)進(jìn)口到排煙架出口距離。

計算時只要爐長方向（z方向）的節(jié)點劃分足夠細(xì)，就可以將焙燒爐的料箱（包括火道墻、填充料和陽極炭塊）與相應(yīng)火道假設(shè)成一個逆流熱交換模型。計算中陽極炭塊、填充料以及火道墻的熱物性都假設(shè)為溫度的函數(shù)。料箱傳熱則只討論二維情況（x，y方向）。

3.2 數(shù)學(xué)模型

能量平衡方程 ：

傳熱方程：

動量方程：

3.3 邊界及初始條件

燃料：天然氣，熱值：36300kJ/Nm3，用量：7.4Nm3/h

空氣進(jìn)口 ：70Nm3/h，0Pa

煙氣出口 ：95Nm3/h，-5Pa，V=0.75m/s

4 結(jié)果與分析

（1）流場分布。由圖1可知，最高流速出現(xiàn)在火道噴口處，而端部、底部及死角處流速最低，由于隔墻的阻礙，使火道內(nèi)呈現(xiàn)“W”型結(jié)構(gòu)，延長氣流在火道內(nèi)流過的時間，使燃料及揮發(fā)分能夠有充分時間燃燒。頂部2處及底部1處開口，同樣流速較高，這個種短路使得氣流分配更加合理。圖中拉磚的布置不僅僅是火道墻結(jié)構(gòu)的增強，同樣起到擾流的作用，使氣流能夠均勻分布在火道內(nèi)。

圖1 流場分布

（2）火道墻溫度分布。天然氣在順著高溫?zé)煔饬鲃臃较驀娙氲交鸬纼?nèi)，由圖2可知，天然氣遇到補充的空氣后在燃燒區(qū)域內(nèi)溫度增高，而入口的溫度以及死角的溫度最低，這些低溫區(qū)域恰好也是速度最低區(qū)域，這是因為速度高的區(qū)域，氣流流動快，對流和輻射換熱效果明顯。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化拉磚，使其整個火道墻溫度分布趨于均勻，這樣才能減少陽極上下部溫差，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 溫度分布

（3）濃度分布。由圖3可知，作為產(chǎn)物在入口處濃度最低，在進(jìn)入第一個燃燒區(qū)后他們大量生成，含量進(jìn)入最大值。第二個燃燒區(qū)后由于氧氣的消耗使其燃燒反應(yīng)減弱，相應(yīng)的產(chǎn)物生產(chǎn)也開始減少，直至不發(fā)生反應(yīng)。

圖3 CO2濃度分布

由圖4可知，當(dāng)助燃空氣剛剛進(jìn)入火道內(nèi)，此時的氧氣含量最大，當(dāng)遇到天然氣時，開始劇烈燃燒，含量急劇下降。由圖中對比可見，二氧化碳和氧氣的分布恰恰相反，符合燃燒規(guī)律。

圖4 O2濃度分布

（4）壓力分布。在實際生產(chǎn)操作中，是通過負(fù)壓來調(diào)節(jié)火道內(nèi)燃燒狀態(tài)?；鸬镭?fù)壓大，則揮發(fā)分通過火道墻磚縫滲透到火道內(nèi)的速度快，揮發(fā)分具有很高的熱值，能夠大大降低天然氣能耗，但不利于瀝青的析焦；火道負(fù)壓小，則揮發(fā)分滲透的慢，不利于能耗，但會對瀝青的析焦有好處。因此合理的負(fù)壓需要根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量及能耗綜合考慮。由圖5可知，燃料進(jìn)口處負(fù)壓最大，而預(yù)熱空氣進(jìn)口處負(fù)壓也大，但經(jīng)過一個燃燒區(qū)后，負(fù)壓平穩(wěn)，整體負(fù)壓差不大，說明爐子密封較好，降低了負(fù)壓的平均水平。

圖5 壓力分布

5 結(jié)論

根據(jù)以上的模擬分析，我們可形象的了解火道內(nèi)的各種工況，并根據(jù)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，來修正我們的邊界條件，使其更接近實際，指導(dǎo)后續(xù)的模擬分析。證明了此方法的可行性后，通過模擬分析修改火道墻結(jié)構(gòu)，從而不斷的優(yōu)化設(shè)計，提高陽極質(zhì)量。