罐式煅燒爐全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)值模擬研究

劉 徹，朱東旭，劉希文，楊青辰，關(guān)永軍

石油的減壓渣油，在500 ～55 下經(jīng)焦化設(shè)備裂解焦化生成的黑色固體焦炭，本身是無定形炭體，稱為石油焦。石油焦通過高溫煅燒排除自身的水分和揮發(fā)分，其高分子芳香族碳?xì)浠衔锇l(fā)生復(fù)雜的分解與縮聚反應(yīng)，最后體積收縮，密度增大，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能提高，抗氧化性能提高，從而滿足預(yù)焙陽極生產(chǎn)對石油焦作為原料的要求。煅燒工藝視所用煅燒設(shè)備不同而已，煅燒設(shè)備的不同也影響到煅后焦的質(zhì)量。目前，國內(nèi)大多數(shù)炭素廠采用罐式煅燒爐和回轉(zhuǎn)窯作為石油焦的煅燒設(shè)備，相比于回轉(zhuǎn)窯，罐式煅燒爐由于石油焦燒損更少逐漸占據(jù)主流市場。

罐式煅燒爐作為工業(yè)爐的一種，主要由爐體、加排料裝置、煙道與排煙部分、冷卻部分等組成。爐體包括料罐、揮發(fā)分通道、火道、預(yù)熱空氣道等。煅燒石油焦時(shí)，原料由爐頂加料裝置加入罐內(nèi)，在由上而下的移動(dòng)過程中，逐漸被位于料罐兩側(cè)的火道加熱，當(dāng)原料溫度達(dá)到350 ～600 時(shí)，其中的揮發(fā)分被大量釋放出來，通過揮發(fā)分通道送入火道內(nèi)燃燒。揮發(fā)分的燃燒是罐式煅燒爐的又一個(gè)熱量來源，原料經(jīng)過1200 ～1300 以上的高溫，完成一系列的物理化學(xué)變化后，從料罐底部進(jìn)入水套冷卻，最后由排料裝置排出爐外?？梢姡奘届褵隣t的傳熱方式采用間接式加熱，即火道中煙氣的熱量通過作為火道壁的耐火磚傳導(dǎo)給被煅燒的物料。

石油焦自身的揮發(fā)分作為火道的燃料通過首層（或二層或四層或六層）入口進(jìn)入火道，燃燒后形成高溫?zé)煔庋刂鳽 字型火道流動(dòng)，通過火道墻的熱傳導(dǎo)間接對石油焦進(jìn)行加熱。因此，火道內(nèi)的溫度分布直接影響著石油焦的溫度分布，進(jìn)而決定石油焦的最終煅燒質(zhì)量。因?yàn)楣奘届褵隣t生產(chǎn)現(xiàn)場情況復(fù)雜，煅燒過程又是一個(gè)包含燃燒、流動(dòng)、傳熱及輻射的復(fù)雜熱工過程，根據(jù)現(xiàn)場測量得到火道、火道墻及料罐的溫度分布等信息是很困難的。因此，采用數(shù)值模擬仿真計(jì)算的方法構(gòu)建罐式煅燒爐熱工工程數(shù)學(xué)模型，獲得爐內(nèi)流場、溫度場及組分濃度場對于研究如何提高石油焦煅燒質(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

由于煅燒爐體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為清晰地描述爐內(nèi)熱工過程，本項(xiàng)目在模擬時(shí)對爐子結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。考慮到爐子的對稱結(jié)構(gòu)形式，選取爐寬方向兩個(gè)料罐的一半及相鄰火道的全部并進(jìn)行合理簡化，得到的三維物理模型如圖1 ～圖4 所示。

圖1 簡化的罐式爐三維模型

圖4 預(yù)熱空氣區(qū)域

其中，模型主要包含3 個(gè)區(qū)域，分別為料罐區(qū)域、火道區(qū)域和預(yù)熱空氣區(qū)域?；鸬乐泄灿? 個(gè)氣體入口（分別稱為入口1、入口2 和入口3），所在位置如圖2 所示，主要供給由料罐內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)分（主要可燃成分為CH4、H2及CO）以及助燃空氣?；鸬纼?nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量通過火道墻傳到給料罐區(qū)域。石油焦通過料罐區(qū)域頂部兩個(gè)料口進(jìn)行加料，在罐內(nèi)緩慢向下移動(dòng)，最終由料罐底部的出料口排出，料罐區(qū)域如圖3 所示。加料過程中，溫度較低的物料會(huì)被粘附于爐壁上形成結(jié)焦。結(jié)焦的另一個(gè)原因是石油焦揮發(fā)分過大，大量的揮發(fā)分從石油焦中逸出，如果石油焦中揮發(fā)分的含量偏高，揮發(fā)分的逸出速度大于其流動(dòng)速度時(shí)，大量的揮發(fā)分蒸氣滯留在料罐上部導(dǎo)致溫度降低，蒸氣冷凝成液體，黏附在罐壁上即形成結(jié)焦。燒熔損毀主要是因?yàn)殪褵^程中爐溫控制不當(dāng)，出現(xiàn)局部溫度偏高所致。

圖2 火道區(qū)域

圖3 料罐區(qū)域

火道底部為預(yù)熱空氣通道，預(yù)熱空氣在此區(qū)域與料罐內(nèi)的石油焦進(jìn)行熱交換，目的是一方面降低石油焦出口溫度，另一方面提高空氣的預(yù)熱溫度，預(yù)熱空氣區(qū)域如圖4 所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，本文針對上述三維物理模型，采用ICEM 軟件對其進(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。由于料罐區(qū)域結(jié)構(gòu)較為整齊，因此，先劃分料罐的Block，然后劃分火道側(cè)的Block。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。整體網(wǎng)格如圖5 所示，其中典型位置如火道流體域和石油焦流體域的網(wǎng)格分別如圖6、圖7 所示。

圖5 整體網(wǎng)格

圖6 火道區(qū)域網(wǎng)格

圖7 石油焦區(qū)域網(wǎng)格

由于模型整體上呈規(guī)則的長方體結(jié)構(gòu)，因此網(wǎng)格質(zhì)量較高。網(wǎng)格質(zhì)量最小值為0.998，接近于完美網(wǎng)格。長寬比最大比率小于7.1，內(nèi)角最小值為88°，接近于90°。網(wǎng)格數(shù)量分別取120萬，40 萬，20 萬進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，40 萬網(wǎng)格與120 萬網(wǎng)格溫度場的最大偏差小于1%。因此，本項(xiàng)目最終采用40 萬網(wǎng)格進(jìn)行分析計(jì)算。

2 物性參數(shù)及邊界條件

模型所涉及的固體材料有3 種，分別是硅磚、粘土磚及石油焦，物性參數(shù)設(shè)置如表1 所示。其中，火道流體域是燃料（揮發(fā)分）及燃燒生成物，料罐流體域是石油焦，預(yù)熱空氣域是空氣。本文不考慮石油焦側(cè)化學(xué)反應(yīng)，可將其視為單一流體。

表1 材料物性

本模型的邊界條件可分為2 類，即進(jìn)出口邊界和壁面邊界，具體位置如圖8、圖9 所示。罐式煅燒爐內(nèi)包含多層火道與料罐區(qū)域，且火道與料罐交替布置，因此對于任意火道與料罐組成的單獨(dú)區(qū)域都可以將其端面邊界視為絕熱邊界或?qū)ΨQ邊界，其他邊界面可視為第二類熱邊界條件，按實(shí)際工況給定換熱系數(shù)。如果入口條件設(shè)置為質(zhì)量入口，由于總壓的波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重干擾模型的穩(wěn)定性，從而使計(jì)算收斂較為困難，因此，在將流體考慮為不可壓縮流體時(shí)（通常低速時(shí)采用）可將質(zhì)量流量換算成速度，從而將入口條件改為速度入口，以保證模型求解的穩(wěn)定。出口條件設(shè)置為壓力出口。

圖8 邊界條件（一）

圖9 邊界條件（二）

3 結(jié)果分析

本次模擬以FLUENT 19.1 為平臺(tái)，對離散化后計(jì)算區(qū)域的流場、溫度場及濃度場進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。為便于觀察，本項(xiàng)目選取了兩個(gè)典型位置的結(jié)果進(jìn)行分析，如表2 及圖10 所示。

表2 典型位置坐標(biāo)

圖10 模型坐標(biāo)示意圖

3.1 火道速度場

圖11是火道內(nèi)煙氣的速度分布云圖。由圖可知，最大速度出現(xiàn)在第5、6、7 層之間，這是由于揮發(fā)分在4 層附近進(jìn)行了完全燃燒，流場受到火焰擴(kuò)張力影響，在這三層火道拐彎處流場速度達(dá)到最快。在每層火道拐彎處，由于流場方向的改變，煙氣受到的擾動(dòng)比較大，速度會(huì)明顯增加。

圖11 y=-0.425m 火道截面流場速度分布

3.2 火道溫度場

圖12是煙氣在火道內(nèi)的溫度分布。由圖可知，揮發(fā)分與空氣在入口1 處即開始燃燒，主燃區(qū)位于火道的第1 ～4 層，流體溫度沿高度方向呈先升高后降低的變化趨勢，整體溫度在1200℃左右，最高溫可達(dá)1725℃。入口2 和入口3 處的溫度明顯低于火道溫度，這是由于預(yù)熱空氣的溫度相比于火道內(nèi)的溫度而言還是較低的。

圖12 y=-0.425m 火道截面流場溫度分布

3.3 火道內(nèi)煙氣組分場

圖13、圖14 分別是火道內(nèi)CH4、CO2分布情況。結(jié)合兩圖分析可知，CH4 在首層濃度較大，特別是首層入口1 處，隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行濃度逐漸降低，再第五層前能夠完全燃燒。在二層和四層CH4、CO2濃度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，這是由于入口2、入口3 預(yù)熱空氣的噴入引起的。

圖13 y=-0.425m 火道截面CH4 組分分布

圖14 y=-0.425m 火道截面CO2 組分分布

3.4 料罐內(nèi)石油焦溫度場

圖15是料罐截面（y=-0.105m）的溫度分布。由圖可知，截面中心靠上區(qū)域溫度最高，最高溫度接近于1650K，該區(qū)域是硅磚構(gòu)成的爐墻。由于兩側(cè)料罐內(nèi)石油焦向下移動(dòng)，會(huì)帶走熱量，導(dǎo)致石油焦的溫度低于中心爐墻溫度，而且石油焦溫度沿高度方向先升高后降低，且左右兩側(cè)溫度分布略有不同。這是由于火道側(cè)燃料和空氣噴口非對稱布置所引起的。從整體上看，最高溫度在1500K 附近，石油焦出口溫度約為1250K，滿足煅燒要求。

圖15 y=-0.105m 料罐截面溫度分布

4 結(jié)論

（1）通過對罐式煅燒爐熱工過程的研究，建立相對應(yīng)的三維物理模型，采用ICEM 軟件對計(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)研究了罐式煅燒爐內(nèi)流場和溫度場。

（2）本模型劃分的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量最小值為0.998，接近于完美網(wǎng)格。長寬比最大比率小于7.1，內(nèi)角最小值為88°，接近于90°，網(wǎng)格數(shù)量約為40 萬。

（3）由模擬結(jié)果可知，料罐內(nèi)的石油焦沿高度方向的溫度是先增大后減小，且最高溫度約為1500K，出口溫度約為1250K，與實(shí)際情況相符。