焙烧炉加热过程三维数值计算

焙烧炉加热过程三维数值计算
肖红俊;杨西;丁轩云
【摘要】为了优化焙烧炉火道内燃气燃烧的温度分布,提高燃气的利用率,介绍了焙烧炉的工作原理,并根据CFD有限元法,对焙烧炉的火道进行了浓度场、温度场及流场的三维数值模拟分析.计算结果表明,CH4的高浓度区主要集中在隔墙一侧,在与O2相遇燃烧后,隔墙附近出现高温区,且在隔墙转角处,出现回流降低了热交换效率,这与实际情况相符,得以证明,可利用本模型模拟焙烧炉的生产加热过程,优化火道结构,提高燃气的利用效率.
【期刊名称】《贵州科学》
【年(卷),期】2018(036)004
【总页数】4页(P93-96)
【关键词】焙烧炉;三维数值模拟;浓度场;温度场;流场
【作者】肖红俊;杨西;丁轩云
【作者单位】贵州双龙航空港开发投资(集团)有限公司,贵州贵阳550000;贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵州贵阳550000;贵州双龙航空港开发投资(集团)有限公司,贵州贵阳550000
【正文语种】中文
【中图分类】TF806
0 引言
焙烧是指压型品在焙烧炉内保护介质中，在隔绝空气条件下，通过间接加热，使制品中的粘结剂焦化并与骨料颗粒烧结成为牢固一体的热处理过程。

其中，骨料已经过煅烧处理，在焙烧过程中发生物理化学变化的主要是粘结剂，因而焙烧炉焙烧的主要目的是确保粘结剂获得最大的残炭量，以保证骨料的烧结强度和焙烧品以及成品的最终机械强度。

同时，还应保证焙烧完成的制品整体无缺陷，结构均匀。

满足这些要求取决于多种因素，包括原料的质量、制品的生产条件等，如制品的升温速度、加热时间、冷却速度、火道内温度的分布情况、填充介质的性质等。

目前，世界上所采用的焙烧炉主要有以下几种类型：封闭式(带盖)多室环式炉(主
要用于焙烧阴极块)、敞开式(带盖)多室环式炉(主要用于加热阳极块和炭素制品块)、隧道窑(用于浸渍品的二次快速焙烧)、倒焰式焙烧炉、车底式炉、回转床式焙烧炉等。

温度分布是指导焙烧炉设计及其内碳素制品生产的重要因素，本文将利用有限元软件，结合碳素制品焙烧炉实际生产情况，模拟焙烧炉火道内的浓度、温度及流场分布，以期为改善焙烧炉结构和生产加热制度提供指导。

1 焙烧炉的工作原理及结构
生产碳素制品的材料有石油焦、沥青焦、石墨碎、添加剂以及沥青粘结剂(沥青含
量通常为16%～18%)。

生制品电阻率大、强度弱，需将生制品缓慢加热以降低其电阻率并增加强度。

当加热温度升到粘结剂沥青软化点附近时，生制品容易软化，因而，加热最重要的就是使沥青焦化，使生制品骨料之间形成焦炭网格，将所有炭粒结合在一起，得到理想的产品[1-2]。

生产中，燃料在火道内燃烧，通过间接加热的方式，将热量传递给生制品，生制品内的物料开始发生物理化学变化。

焙烧一般分为四个阶段[3-4]：1)沥青软化及挥
发分大量排出阶段，200℃以下使粘结剂软化，300℃～500℃挥发分大量排出。

200℃以前，升温速度可以较快，200℃以后，温升应较慢，控制挥发分的溢出速
度不要太快，否则制品内部易产生裂纹。

2)沥青焦化阶段，500℃以后，虽有少量挥发分溢出，但主要是沥青的焦化。

500℃～800℃之间，沥青的焦化作用完成，
各种碳颗粒牢固的结合在一起，制品具有相当的机械强度。

3)高温煅烧阶段，800℃～1200℃之间，加强焦化过程，进一步提高产品的理化参数，如降低电阻
率等。

4)冷却阶段，缓慢冷却已经焙烧完成的制品，使其温降控制在50℃/h以内，800℃以下可任其自然冷却，低于400℃时即可出炉。

焙烧炉的局部示意图如图1所示。

图1 焙烧炉局部示意图Fig.1 Part of the baking furnace
2 物理和数学模型
本文研究的对象是碳素制品焙烧炉火道内的温度分布情况，物理模型如图2。

图中，燃料从火道顶部的两个入口脉冲式喷入。

入口的大小，直接影响燃料在火道内的流速及分布情况，所以，入口的选择显得尤为重要。

本文采用某公司设计的烧嘴尺寸为入口大小。

左侧为预热空气入口(3个)，进入火道内的低温空气在冷却已加热完
成的炉内高温制品的同时自身被预热，有效利用炉内余热，使燃料燃烧产生的能量得到充分的利用，亦能有效节约燃料的用量。

燃料与预热空气相遇后开始燃烧，燃烧后产生的高温烟气在火道内绕隔墙呈W型流动，烟气与墙体之间为对流、辐射
换热，加热了墙体，墙体通过热传导方式将热量传递给被加热的制品，完成加热过程。

图2 火道中心截面图Fig.2 Sectional view of tunnel center
本文采用CFD有限元计算方法，模拟焙烧炉火道内温度分布情况，在数值计算过
程中，使用到的数学模型有湍流k-ε模型、基于概率密度函数法(PDF)的k-ε-g模型及热量传递模型等。

3 边界条件
3.1 燃气入口
生产中所用的燃料各不相同，有天然气、干气、重油及煤粉等等，近年国家的环保要求不断提高，越来越多的厂家开始使用天然气作为燃料，本文中所用的燃料为天然气，对应的成分列于表1。

燃气入口采用速度边界条件，两个燃气入口的速度分别为8 m/s，速度方向竖直向下，入口温度为300 K。

气体内部发射率为0.2，平均混合分数为1，平均混合分数方差为0[5-6]。

表1 天然气成分Tab.1 Gas composition成分
CH4C2H6C3H8C4H10C5H12C6H14CO2NC合计含量
/%94.7372.9860.9880.4720.1770.2970.2690.074100.000
3.2 预热空气入口
空气在参与燃烧前，对已加热完成的制品进行了冷却，同时自身被预热，温度可达到873 K，流速达2.1 m/s。

预热后的空气温度是影响燃气用量的重要因素，在空气量一定的情况下，达到相同条件的燃烧温度所需的燃气使用量越小，越节能。

而预热空气的流速，影响CH4的浓度分布，因此在提高预热空气温度的同时，应合理控制好其流速(或流量)。

由于空气中不含燃气，所以平均混合分数为0，平均混合分数方差为0，气体内部发射率为0.2。

3.3 烟气出口
烟气出口采用压力出口边界，为保证燃烧烟气能正常排出火道，在烟气出口处的压力通常为微负压，数值计算中根据实际情况将出口压力设置为-20 Pa。

3.4 壁面条件
壁面边界设置为第三类边界条件，即给定壁面的对流换热系数和环境温度。

4 结果与分析
4.1 浓度场分布
从图3中可以看出，在预热空气入口处O2浓度最高，在O2与CH4相遇后开始
燃烧，随燃烧反应的进行，O2量逐渐减少，这与实际情况相符。

从图4中可以看出，受来流预热空气和燃烧产生的烟气影响，CH4在竖直方向上发生偏流，在流
动过程中CH4主要分布在隔墙附近，越靠后，其浓度越低。

其中，在CH4浓度
最高处，O2的浓度最低，反之亦然。

经上述分析，可以得出O2与燃气在火道内的浓度分布情况，可用于指导后期的优化设计。

图3 火道中心截面O2分布Fig.3 O2 concentration in tunnel center section
图4 火道中心截面CH4分布Fig.4 CH4 concentration in tunnel center section 4.2 温度场分析
结合图3与图4，从图5中可以看出，燃气燃烧的最高温度为2330 K，火道内的
高温区主要集中在燃烧反应核心区，与实际情况相符；高温区主要出现在隔墙附近，这是因为受预热空气影响，在隔墙附近燃气浓度最高。

由于隔墙附近的温度较高，这将严重影响隔墙的使用寿命，建议在今后的设计中给以重点考虑。

图5 火道中心截面等温线分布Fig.5 Isotherm distribution in tunnel center section
4.3 流场分析
从图6和图7中可以看出，气体主要绕拉砖及隔墙流动，在拉砖及隔墙附近出现
强烈的扰动，增强了烟气与墙体的换热效率；火道转角处出现了回流，减弱了换热效率，实际操作过程中应该尽量避免这种情况的出现。

烟气在火道内呈W型流动，延长了气体的流动时间，增加了换热时间。

此外，有部分气体从火道底部和顶部通过，加热其周围的环境温度，使火道内的温度分布更加均匀。

图6 火道中心截面流线图Fig.6 Streamline of tunnel center section
5 结论
1)受预热空气流速的影响，CH4的高浓度区主要集中在隔墙一侧，在与O2相遇
燃烧后，隔墙附近出现高温区，影响隔墙的使用寿命，建议改进CH4的入口角度、
脉冲频率及入口尺寸的大小等，使CH4尽可能垂直地在火道内长距离流动，改善火道内的燃烧情况。

图7 火道中心截面矢量图Fig.7 Vector of tunnel center section
2)在隔墙的转角处，出现了回流，燃烧烟气的扰动很弱，不利于热量的交换，建议优化火道结构，增强气体的扰动，使火道内的温度分布更均匀。

3)计算结果表明，利用本模型计算的数值结果与实际情况相符，可利用本模型模拟焙烧炉的生产加热过程，优化火道结构，提高燃气的利用效率。

参考文献【REFERENCES】
【相关文献】
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[3] 炭和石墨制品编写组.炭和石墨制品生产[M].北京：冶金工业出版社，1976.
[4] 康志强.阳极焙烧炉能量平衡与数值模拟的研究[D].沈阳：东北大学，2006.
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