阳极焙烧炉的结构设计和热工分析

火焰亮 度明显改变 ， 火焰峰值温度降低 ， 火焰温度分
３ 热 工 制 度 设 计
工 业 生 产 中 采 用 的 阳极 焙 烧 炉 是 一 种 大 型 的 、
布较均 匀¨ ， ５ 这些特 点使其具 有节 能 、 Ｎ 污染 、 Ｊ 低 Ｏ 燃烧噪音低 等传统燃烧技术难 以达 到的优势 。用高
Ｚ Ｏ ｉｇ Ｙ ｉ ｇｃｕ ，Ｚ Ｏ ａ ｊｎ Ｈ Ｕ Ｐｎ ， Ｅ Ｌａ －ｈ ｎ Ｈ Ｕ Ｎ ｉ ｕ ｎ －
（ ｈｒａ ｎｒｙａ ｄＰ ｗ ｒ ｎ ｉ ｅ ｎ ｃｏｌ ｅｔ ｌ ｏｔ ｎ ｅ ｉ Ｔｅｍ ｌ ｅｇ ｎ ｏ ｅ ｇｎ ｒ ｇ Ｓｈｏ ，Ｃ ｎｒ ｕｈＵ ｉ ｒ ｔ Ｅ Ｅ ｅ ｉ ａＳ ｖ ｓｙ，Ｃ ａ ｇｈ １０ ３ ｈｎ ｈ ｎ ｓａ４ ０ ８ ，Ｃ ｉ ａ）
１６ ６ ｌｎ ４ ｎｌ ８ ｎｌｘ １９ ５ ｌｎ ｏ
在火道 内燃烧后 ， 通过火道壁间接加热 ， 完成对 阳极
块 的焙 烧 。本 实 验 炉 为 简 化 结 构 ， 只采 用 一 个 炉 室 ，
各结 构尺寸 、 质参数＿ 如表 １ 材 ２ 所示 。
表 １ 实 验 炉 主 要 尺 寸 和 材 料
因此 ， 为提高我国铝业竞争力 ， 预焙 阳极技 术 对 加大研究力 度是 非常 必要 的。但是 ， 近年来 我 国的 预焙 阳极技术 研究趋 缓 ， 因之一 是该 工艺 设备 的 原 复杂性 。目前 ， 国内外广 泛 使用 的阳极 焙烧 设备是 敞开环式阳极焙烧炉 ， 这是一 种庞大而复杂的设备 ， 它 由数 十个甚至 上百 个炉 室组成 ， 含 多个火焰 系 包 统， 进行连续生 产 ， 生产 周期 长达 ２ ０多 天 。在这 样 的设 备上进行 实 验研究 其难 度可 想而知 。基 于此 ， 本 文在 敞开环式 阳极焙烧炉的基础上设计 了一套结
ｌ
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实 验研 究 ： 阳极 焙烧 实验 炉 的结构 设计 及其 热工 分 析 炭
得 到 大 大改 进 。
具体尺寸确定 根据某 厂所采用 的敞开式 阳极焙烧炉 单炉室 尺寸 ， 结合相似 原理 ， １２比例缩 小 。局部 按 ／
２ 炉 体设 计
２
的运行参 数需要确定 ， 即烟气循环倍率 ， 其含义为在
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《 工
业
炉》 第 ２ ６卷
第 ４期
２０ ０４年 ７月
火道 内 流 过 的 烟 气 量 与 燃 料 燃 烧 实 际 产 生 的烟 气 量 之 比 。它 的确 定 需 综 合 考 虑 多 方 面 因 素 ， 括 燃 烧 包
Ａｂ ｔａ ｔ ｍａ］ ｉ ｌ ｅ ｐ ｒ ｎａ ｎ ｄ ａ ｉｇ ｆｒａ ｅ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ｙｓｍｕａｉｇｔｅｓｒ ｃｕｅ ｏ ｐ ｎ ｓｒ ｃ ：Ａ ｓ １ ，ｓ ｍｐｅ ｘ ｅ ｍｅ ｔｌａ ｏ ｅ ｂ ｋｎ ｕｎ ｃ ｓ ｅｉｎ ｄ ｂ ｉ ｌｔ ｈ ｔｕ ｔｒ ｆｏ ｅ ｉ ｎ ｉ ｒ ￣ｔｐ ｏ ｚ ｎａ ａ ｉｇ ｆｒ ａ ｅ ｕ ｅ ｎ ｉｄ ｓ ａ ｐｏ ｕ ｔ ｎ．Ｈｉｈ ｔｍｐ ｒｔｒ ｉ ｃ ｍｂ ｓｉｎ ｉ ｒａｉ ｄ ｂ ｎ ｙ ｅ ｈ ｒ ｏ ｔｌｂ ｋｎ ｕ ｃ ｓ ｄ ｉ ｎ ｕ ｔ ｌ ｒｄ ｃｉ ｉ ｎ ｉ ｒ ｏ ｇ ｅ ｅａｕｅ ａｒ ｏ ｕ ｔ ｓ ｅ ｚ ｙ ｏ ｌ ｅ ａ ｏ ｔ ｇ ａ ｎ ｗ ｆ ｅ ｇ ｓｓｒｔｇ ｄ ｐ ｉ ｅ ｕ ａ ｔ ｅ ｙ．Ａ ｄ ｔｉ ｄ ａ ａｙｉ ｎ ｉｃ ｓｉｎ ｉ ｍａ ｅａ ｏ ｔｔｅ ｉｆ ｅ ｃ ｎ ｆｅ ｏ ｓ ｍｐ ｎ ｌ ａ ｅａｌ ｎ ｓｓａ ｄ ｄｓｕ ｓ ｓ ｅ ｌ ｏ ｄ ｂ ｕ ｈ ｎ ｕ ｎ ｅ ｏ ｕ ｌｃ ｎ ｕ － ｌ ｔ ｎ，ｈ ａ ｆ ｃｅ ｃ ｉ ｏ ｅ ｔｅｆ ｉｎ ｙ，ｔｍｐ ｒｔｒ ｎ ｘ ｇ ｎｃ ｎ ｅ ｔ ｔ ｎｏ ｘ ｄｆ ｅｇ ，ｇ ｏ ｖ ｌｃｔ ｈ ｕ ，ａ ｄｆ ｗ ｉ ｅ ｅａｕ ａ ｄｏ ｙ ｅ ｏ ｃｎｒ ｉ ｆｍｉｅ ｕ ａ ｅ ａｏ ｌ ｓ ｓ ｌ ａ ｆ ｗ ｅｏ ｉ ｉ ｔｅｆ ｅ ｎ ｏ ｙｎ ｌ ｌ ｒｔ ｆｆ ｍｐ ｓ ｄ ｂ ｕ ａ ｅ ｙ ｌ ｇｒｔ ａｅ ｏ ａ ｉ ｏｅ ｙｆ ｅ ｇ ｓｒｃｃｉ ａｅ．Ａｎ ｏ ｔ ｚ ｄ ｆ ｅｇ ｅ ｙ ｌ ｇ ｒｔ ｓｏ ｔｉｅ ｎ ｌ ｎ ｐｉ ｅ ｕ ａ ｒｃ ｃｉ ａｅｉ ｂａｎ ｄ． ｍｉ ｌ ｓ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ：ａ ｏ ｅ ｂ ｋｎ ｙ ｗｏ ｄ ｎ ｄ ａ ｉｇ；ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｉｈ ｔｍｐ ｒｔｒ ｒｃ ｍｂ ｓｉｎ；ｆ ｅ ｇ ｅ ｙ ｌ ｇｒｔ ｘｅ ｉ ｎ ；ｈｇ ｅ ｅａｕ ｅａ ｏ ｕ ｔ ｉ ｏ ｌ ａ ｒｃ ｃｉ ａｅ ｕ ｓ ｎ
兴 起 的一 项 新 型燃 烧 技 术 。 它 要 求 同时 具 备 助 燃 气
图 １ 烟气 流程示 意图
４ 烟气循 环 倍 率确 定
在 本实 验 系统 的热工 制 度 中， 一个非 常重要 有
流温度在 ８０℃ 以上 ， ０ 含氧量 在 ｌ％以下 的燃烧 条 ５ 件 ＿ 。与在空 气 （ 氧 量 为 ２ ％） 富氧 （ 氧量 大 ４ Ｊ 含 １ 、 含 于 ２ ％） 甚至纯氧燃烧条 件下 的传统 燃烧 相 比， １ 、 其
１ 引言
我 国 自采 用 预 焙 槽 电 解 铝 工 艺 以来 ， 对 国 外 在 技 术 进 行 吸 收 、 化 到 自主 开 发 的 过 程 中 ， 焙 阳 极 消 预
发达 国家不仅对预焙 阳极 的物化性 能进行 了严格的
规定 ， 而且 对预焙 阳极 中的微量元 素做 出了 １ 级 ０
稳定性 、 炉子工 作制度 等 。本文作 者 以液 化石 油气 为燃料 ， 用 Ｍ ｔｂ程序 设计 语 言编制 了一 个稳 定 采 ａａ ｌ 焙烧态热平衡计 算程 序 ， 用程序 对烟 气循 环倍 率 利 的变化对 炉 内其 它运 行 参 数 的影 响 进 行 了大 量 计 算， 以实现较佳 的热工状况 为 目标 ， 对烟气循 环倍率
周 萍 ， 良春 ， 乃 君 叶 周
（ 南 大 学 能 源 与动 力 工程 学 院 ，长 沙 ４０ ８ ） 中 １０ ３
摘 要 ： 拟 实际工 业 生产 中采用 的敞开 环式 阳极 焙 烧 炉 炉 室 结构 ， 模 设计 了一 台小 型 、 简易 的 实 验用 阳极 焙 烧 炉 。
热 工制 度上 采用 了高温 烟气 回流 混合 空气 助燃 方案 ， 现 了高 温空 气 燃烧 。对烟 气 循 环倍 率 —— 炉 子 的一 个 重 要 运 行 实
者是前 者 的两倍 多ｕ ； 阳极 理化性 能不 高 ， ② 一些
收稿 日期 ：０４ ０ — ９ ２０ — ３ ２ 作者简 介 ： 周 萍 （９ ５ ） 女 ， 授 ， １６ 一 ， 教 主要从事 热 工理 论 及计 算 机仿 真技 术研究 工作 ．
构简单 的实 验设 备 ， 使 阳极 焙烧 技术 的研究 方法 可
降 。 当含 氧量 不 变 时 ， 烧 火 焰 的 稳 定 性 随 空 气 预 燃
热 温度 的增 加而增加。因此 ， 为确保燃烧 的稳定 ， 确 定烟气循环倍率 时 ， 考虑到 可 以接受 的砌 炉材料 在 及配套设备 的成 本情况 下 ， 应尽 可 能地选 择较 高 的 助燃气流 温度 （ 少 大于 ８０ 和 合适 的含 氧 量 。 至 ０ ℃） 从 图 ３可知 ， 当烟气循 环倍 率为 ５时 ， 混合烟气温度 达到 了 ８０Ｃ ０ ｑ 。但 图 ３显示与 烟气 混 合温 度与 含氧 量随烟气循环倍 率变化 的趋 势相反 ， 烟气 混合 温度 升高时 ， 含氧量 减少 ， 这就形成 了一对 矛盾 。但 通过 进一步分析可知 ， 在烟气循 环倍率大于 ７时 ， 烟气 混 合 温度 与含氧量 随烟 气循 环倍 率变化 趋 向平缓 ， 此 时对燃 烧稳定性 已没有太大 的影 响。
２０ ℃＿ 。本 实 验 炉 只设 一 个 炉 室 ， 此 只 能 间 歇 ０ ３ Ｊ 因
式地运行 。如果采 用普 通 的烟气 直排 式热工 制度 ，
则无 法有效 利用 烟 气余热 ， 从而导 致燃 料 消耗 大大 增加 ， 即使 作 为实 验 炉 ， 是令 人难 以接 受 的。为 也
此， 在本实验 系统 中采用 了一种烟 气 回流混 合空气 助燃 的方 案 ， 气流程 图见 图 １ 烟 。高温 烟 气从 炉 内 排出后 ， 小部分 排人 大气 ， 大部分 回流至入 口与部分 冷空气混合 ， 形成一股 高温低氧气流 ， 再进入 炉内助 燃 。这样一来 ， 不仅有效 地利用 了烟气余热 ， 还实现 了高温空气燃烧 （ Ｔ Ｃ 。 Ｈ Ａ ） 高温空气燃烧 是 ２ 世 纪 ９ ０ ０年代在 国际燃烧界
参 数对燃 料 消耗 量 、 热效 率 、 烟气混 合 温度 、 氧量 、 含 火道 内气 流 速度 以及 风机 流 量 的影 响进 行 了详 细 分 析与 讨 论 ， 并对
该 参数 进行 了优化选 择 。
关键词 ：阳极 焙 烧 ；实验 ；高温空 气燃烧 ；烟 气循 环倍 率
中图分 类 号 ：Ｆ ０ ． Ｔ ８６ １ 文献标 识 码 ： Ａ
温空气燃烧 技术改造 的新 型工业炉 与传统 的工业炉 相 比 ， 热 回收 率 高达 ８ ％ ～９ ％， 料 节省 可达 废 ５ ５ 燃 ２ ％以上 ， ５ 因此也 相应地降低 了 Ｃ ２ Ｏ 的排放 。 Ｊ
可进行连续 生产 的设备 系统 ， 其焙 烧段 产生 的高温 烟气可用来 在预热 段进 行生 阳极 预热 ， 而较 充分 从 地利用 了烟气 的余热 ， 实现 了较低 的排烟温度 ， 约为
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Ｉ ｕ ｔ ｉ ｌＦｕ ｎａ ｅ ｎｄ ｓ ｒ ａ ｒ ｃ
Ｖｏ ． ６ Ｎｏ． Ｊ １ ２ ０ １２ ４ ｕ ．０ ４
文 章编 号 ：０ ｌ ９ ８ ２０ ）０ １ ０
阳极 焙烧实验 炉 的结构 设计 及其热 工 分析
Ｓ ｒ ｃｕ ｅ Ｄｅ ｉｎ ａ ｄ Ｗ ｏ ｋｎ ｔａ ｅ ｙ Ａｎ ｌｓ ｆａ ｔｕ ｔ ｒ ｓｇ ｎ ｒ ｉ ｇ Ｓ ｒ ｔｇ ａｙ ｉ ｏ ｎ ｓ
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌＡｎ ｄ ｋ ｎ ｒ ａ ｅ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｏ ｅ Ｂａ ｉ ｇ Ｆｕ ｎ ｃ
敞 开 式 环 式 焙 烧 炉 通 常 由 ３ 、 ８或 ５ ４３ ４个 彼 此 分 离 的炉 室 以及 ４～１ 火 道 组 成 ， 重 油 和 煤 气 ０条 由
尺 寸结构 结合 阳极焙烧工艺 和实际条件适 当作些修 改， 例如考虑到按 比例缩 小后火道变得很窄 ， 在炉子
运 行 时 很 容 易 造 成 火 道 烧 损 ， 其 宽 度 放 大 到 将 ２２ｍ ４ ｍ。最后得 到 的炉 体 总 体 尺 寸 为 ３７ ２ｍ ６ ｍ Ｘ
规定 ， 我 国仅 对 几 个 基 本 理 化 性 能指 标 做 出 了 而
规定 。
技术得到 了很 大 的发展 。但与 国外 相 比 ， 国预 焙 我 阳极技术仍存在较 大的差距 ， 主要表现为两个方面 ： ① 阳极焙烧能耗高 ， 目前发达 国家敞开 环式焙烧 炉
的 能 耗 指 标 为 ２９ ×１６ Ｊｔ 阳极 ， ．３ ０ ／ 炭 ｋ 而我 国 同类 型 焙 烧 炉 的能 耗 指 标 在 ６． ０×１ Ｊｔ 阳极 左 右 ， ０ ｋ／ 炭 后