阳极焙烧炉火道燃烧过程模拟

收稿日期:2002205216.

作者简介:姚成军(19762),男,硕士研究生;武汉,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室(430074).

阳极焙烧炉火道燃烧过程模拟

姚成军　徐明厚　张立麒　陈　宁

(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室)

摘要:对阳极焙烧炉的燃烧过程进行了数值模拟.讨论了炉内温度场、流动场和各组分浓度场的分布规律,分析了这些因素对碳阳极焙烧质量的影响.温度场的分布是影响碳阳极生产质量的关键因素.计算结果表明,在设计阳极焙烧炉结构时应充分考虑烟道中隔板对气流分布的影响.关　键　词:阳极焙烧炉;数值模拟;温度场;流场;浓度场

中图分类号:T K16 文献标识码:A 文章编号:167124512(2002)1120060203

现代铝工业焙烧阳极常用焙烧炉,阳极生产的要求是尽可能经济地生产出质量最好最稳定的阳极.阳极焙烧炉火道内的气流分布状况会影响

炉内燃烧过程与温度分布,而温度分布对阳极碳块的焙烧质量有着决定性的影响.因此提高阳极质量和减少阳极焙烧过程中的能量消耗是进行阳极焙烧炉研究的最终目的,而减小火道内的温差则是达到这个目的的最终途径[1].

由于对火道内的气流分布以及温度场的直接测量非常困难,因此,数值模拟方法成为预测火道内气流分布、优化火道内挡板数量与位置的有效工具[2].这种方法有助于深化对基本现象和过程的认识,使装置的设计最佳化在更大程度上依靠合理的计算,从而减少实验工作的盲目性和工作

量[3].通过对模型的研究,可以了解到焙烧炉火道内部气流分布、气体各组分分布和温度分布规律,从而为提高阳极碳块的质量,稳定燃烧场与温度场,保证铝的生产质量提供依据[1,4].

1　物理模型

研究对象为国内某大型铝业公司碳素厂1994年从国外引进的敞开式环形焙烧炉的火道,

图1为该火道燃烧段剖面示意图(截面沿宽度方

向剖出,距离火道壁面15.6mm ).该段火道尺寸长×宽×高为3520mm ×470mm ×4230mm ,3个隔板尺寸均为220mm ×470mm ×2800mm ,火道顶部安装有两个煤气喷口,从喷口喷入的煤气量相同.敞开式环式阳极焙烧炉,由90个彼此

分离的炉室组成,煤气在火道内燃烧后,通过火道壁间接加热,实现对阳极块的焙烧.一个火焰周期为32h ,以1个炉室对应的1条火道为解析对象.

图1　阳极焙烧炉火道结构图(单位mm )

模型化条件如下:a .各入口速度均匀;b .燃烧方式为即混即燃,燃料和氧气不共存;c .壁面传热条件为第3类边界条件,即通过放热系数和周围流体的温度来规定边界的热流密度;d .不考虑气体浮力;e .沿壁面燃烧的挥发分产生的热量视为沿壁面的均匀分布热源[5].

2　数学模型

将以下几种模型进行耦合计算:a .k 2

ε模型,基于湍流动能k 及其耗散率ε的流动输运方程模型;b .能量模型,该模型模拟有能量释放的过程;c .多组分模型,在模型中可以通过关于对流、扩散以及各种组分的反应源的守恒方程来模拟化学

第30卷第11期 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) Vol.30　No.112002年　11月 J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition ) Nov.　2002

组分的混合和输运.

模型使用的方程有:可压缩气体连续性方程,动量方程,湍流动能k和动能耗散率ε的输运方程,能量方程等.化学反应系统假设为快速反应系统,燃烧过程视为一步反应且为不可逆,阳极焙烧炉火焰传热过程的基本方程如下[6]:

　5ρH/5t+Δ[ρU H-(λ/C p+

μ

T

/σH)ΔH]=5p/5t+Q R;

H=h+U2/2,

式中,H为焓;λ为导热率;σH=0.9为焓普朗特数;C p为定压比容;Q R为源项;h为滞止焓.

由现场实验提供的数据,可知边界条件及初始条件(工况):

a.煤气压力为4000Pa,流量600N・m3/h,入口温度300K,两个煤气入口气流量比为1∶1,煤气入口处质量混合分数为1;

b.三个空气入口速度分别为3.5m/s, 3m/s,3m/s,空气入口温度为1073K,空气入口处质量混合分数为0;

c.火道尾部测点温度为1463K,出口速度为4.0～4.5m/s,出口烟气中各气体组分体积百分比氧气取为10.2%,二氧化碳取为4%;

d.火道外壁面温度:侧墙314K,炉底377 K,炉顶预热段333～343K,加热段373K;

e.环境空气温度为293K.

3　计算结果与分析

利用计算流体动力学(CFD)软件将一个火道作为一个整体空间进行计算分析.为了便于分析,将阳极焙烧炉沿宽度方向剖出一个截面(图1),截面离火道壁面15.6mm.

3.1　流场

图2为火道流场速度矢量分布图,清晰地显示了火道中的高速区和低速区.可以看到在火道中,两个小挡板之间,小挡板与火道壁面之间,以及三个隔板与火道壁面之间的狭窄通道内的速度矢量相对于周围的气流速度矢量比较高.在挡墙两端的开口处,存在气流“短路”现象,即气体直接从开口处进入火道后部,这将有利于提高火道内气流温度分布的均匀程度,并且能给从第二个喷嘴喷出的煤气燃烧提供较高含量的氧气.在火道的顶部,部分入口气流直接通过挡墙上端的开口处,这部分气流没有经过燃烧高温区,温度相对较低,从而可避免火道的顶部被烧坏.入口气流流过煤气燃烧高温区被加热.火道的三个隔板使气流的流动发生偏斜,并在几个死角区域产生回流,这是因为气流进入火道后,由于气流的惯性以及挡墙阻力的作用,在挡墙的背风面出现涡流区.前段火道的底部死角区域的回流最为明显,这些回流区域中的速度矢量值相对较低.另外在第一个隔板的背风面,有很多小的回流,这些回流也影响了该区域内温度的均匀分布,从温度分布图3可以看到,在这个区域的中间部分存在有一定的温差,因此要采取有效的措施,削弱这些小的回流.回流区域气体对火道较低的对流传热与高速区域气体对火道较高的对流传热形成了对比

.

图2　火道流场分布图

图3　火道中温度场分布图(单位:K)

3.2　温度场

图3为火道热态温度分布图.从图中可以看到在火道顶部和底部温度分布范围很大,其原因是顶部存在空气入口和煤气入口,由这些入口进来的气体温度相差很大,煤气的温度为常温,空气的温度为1000K左右,因此两种气体的温度相互影响,煤气温度在这个区域升高,而且受煤气燃烧的影响,空气气流的温度也迅速上升.左边煤气喷口喷入的燃气,受到从空气入口进入的空气速度的影响,被吹到隔板的附近,并与氧气发生反应,迅速燃烧,并释放出热量,因此在隔板左侧有较高的温度分布,而空气入口处煤气含量为零,没

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