陽極焙燒爐燃燒室的仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

1、第 19卷 第 1期 桂 林 工 學(xué) 院 學(xué) 報 Vol. 19No. 1 1999年 1月 JOURNAL OF GU IL IN INSTITU TE OF TECHNOLO GY Jan. 1999陽極焙燒爐燃燒室的仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 3 殷志云 李元峰 梅 熾(中南工業(yè)大學(xué) 長沙 410083 (中國長城鋁業(yè)公司總計控室 (中南工業(yè)大學(xué) 摘 要 采用計算流體力學(xué) 、計算傳熱學(xué)和計算燃燒學(xué)的原理和模型 , 通過在 AL 2PHA250工作站上的編程計算 ,解析結(jié)果 , 借助數(shù)學(xué)模擬 , 提出了其結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案關(guān)鍵詞 陽極焙燒爐 ; 計算機仿真 ;分類號 TF055; . , 而溫度分 溫度

2、分布不均勻 , 則會降低陽極碳塊焙燒質(zhì)量 , 導(dǎo)致陽 極碳塊結(jié)構(gòu)不均和殘存應(yīng)力 , 在電解過程中會引起陽極電流分布不均和陽極壓降升高 , 造成焙 燒斷裂和電解掉渣 , 降低電流效率 , 直接影響鋁產(chǎn)量。 因此 , 提高陽極質(zhì)量和減少陽極焙燒過 程中的能量消耗是進行陽極焙燒爐研究的最重要的目的 , 而該目的的實現(xiàn)是通過減小燃燒室內(nèi) 的溫差來實現(xiàn)的。 目前 , 由于陽極焙燒現(xiàn)場情況極為復(fù)雜 , 很難全面觀察和準(zhǔn)確測量 , 而且要 進行大規(guī)模的現(xiàn)場實驗也是不可能的。 于是 , 對陽極焙燒爐的燃燒室進行數(shù)值仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化 研究就顯得更加重要了。 本文的研究視角是克服傳統(tǒng)方法中以 “ 宏觀結(jié)構(gòu)”與 “

3、宏觀功能”的關(guān)系為主 , 轉(zhuǎn)向 “宏 觀功能”與 “ 微觀機理”的結(jié)合 , 依據(jù)計算流體力學(xué)、 計算傳熱學(xué)、 計算燃燒學(xué)原理建立數(shù)學(xué) 模型 , 揭示出陽極焙燒爐燃燒室流場、 溫度場和濃度場密切關(guān)聯(lián)的耦合作用 , 為研究和模擬其 他的工業(yè)爐奠定較好的理論基礎(chǔ) , 這無疑對有色金屬工業(yè)生產(chǎn)有著直接的指導(dǎo)意義。1 物理模型 焙燒陽極的設(shè)備有很多種。以環(huán)式焙燒爐為例 , 一種是帶蓋的環(huán)式爐 , 另一種是不帶蓋 (敞口 的環(huán)式爐。 敞口焙燒爐一般由 38或 54爐室組成 , 具有 38爐室的焙燒爐有 2個火焰系 統(tǒng) , 具有 54爐室的焙燒爐有 3個火焰系統(tǒng) , 甚至 4個火焰系統(tǒng)。 本文研究對象為敞口

4、陽極焙燒爐火道 , 圖 1為某鋁廠陽極車間焙燒爐一個焙燒爐室的單邊 燃燒室剖面示意圖。 該段火道尺寸長 ×寬 ×高為 3360mm ×440mm ×4000mm , 3個隔板尺 寸均為 110mm ×440mm ×2400mm 。 燃燒室頂部安裝兩個煤氣噴嘴 , 從噴嘴噴入的煤氣量相 1998年 9月 29日收稿 , 11月 9日改回。第一作者簡介 :殷志云 , 男 , 1960年出生 , 博士 , 教授 , 有色冶金專業(yè)。3中國有色金屬工業(yè)總公司 (現(xiàn)中國有色金屬工業(yè)局 科技攻關(guān)項目。同。 圖 1 陽極焙燒爐 (火道 結(jié)構(gòu)圖 Fig

5、. 1 Structure for anode baking furnace 對焙燒爐的模擬研究通常是從工程實踐急需的問題和最簡單的方法開始的 , 這也符合事物發(fā)展的一般規(guī)律。 為此 , 作如下假設(shè) :(1 各入口速度均勻 ; (2 燃燒方式為即混即燃 , 燃料與氧氣不共存 ; (3 壁面考慮為第三類邊界條件 ;(4 不考慮氣體浮力 ; (5 滲出的揮發(fā)份沿壁面均勻分布 , 并及時完全燃燒。2 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型是對陽極焙燒爐內(nèi)主要過程的綜合描述 , 各主要過程的控制方程形成控制方程組 ,取得代表主要過程的參數(shù) , 力求得出在整個作用空間的信息場。 (1 ( 0, U , t 速度和時間。 (

6、2 動量方程5(U /5t + (U U =- p + (eff U + (eff ( U T 這里 , 校正壓力 p =p +(2/3-U p 是靜壓力 , 是體積粘性系數(shù)。 eff 的定義式為 :eff =+T其中 為層流粘性系數(shù) , T 為湍流粘性系數(shù)。 在 K -模型中 T 取為 :T =C K 2/ (3 傳輸方程 湍動能 K 和動能耗散系數(shù) 的傳輸方程分別為 :5(K /5t + (U K - (+T /K K =p -5( /5t + (U - (+T /K =C 1p/K -C 22/K 式中 :p =eff U ( U +( U T -2 U (eff U +K /3 (4

7、組份方程 燃燒過程可以用單步不可逆反應(yīng)來表征 :1kg 燃料 +i kg 氧化劑 =(1+i kg 產(chǎn)物把質(zhì)量混合分?jǐn)?shù) f 定義為 :f =(x -x o /(x F -x o , x =m F -m o /i其中 m F 和 m o 分別為燃料和氧化劑的質(zhì)量組分分?jǐn)?shù) , x F 和 x o 分別等于 1和 -1/i 。m F =(f -1/(1+i /(1-1/(1+i , m o =0, m p =1-m F如果 f <1/(1+i , 那么混合物中只有氧化劑和燃燒產(chǎn)物 :m F =0, m o =1-f (1+i , m p =1-m o , m 為質(zhì)量分?jǐn)?shù) , 下標(biāo) F 代表燃燒

8、 , O 表示氧氣 , P 指燃燒產(chǎn)物。28桂 林 工 學(xué) 院 學(xué) 報 1999年平均混合組份 f 滿足如下方程 :5(f /5t + (U f - (T /T +/L f =0為了書寫方便 , 將 f 2記為 g , g 滿足如下方程 :5(g /5t + (Ug - (T /T +/L g =C g 1T ( F 2-C g 2g/K 式中 L 和 T 分別為層流普朗特數(shù)和湍流普朗特數(shù) , C g 1和 C g 2為模型常數(shù)。 綜上所述 , 通過這些方程可以求得 U , K , , f 和 g 。 各個方程中的基本常數(shù)是 : C =0. 09, k =1. 0, C 1=1. 44, C

9、2=1. 92, C g 1=2. 0/0. 9, C g 2=2. 0, =K 2/(C 1-C 2 C 。3 邊界及初始條件 (1 根據(jù)現(xiàn)場提供的條件 , 煤氣壓力 (表壓 2, . 3, (這里 N 指標(biāo)米 , 入口溫度為 300K , 熱值為 4. 31 1。 (2 倍 , (此階段處于冷卻階段 時被 預(yù)熱 , ( 。表 1 空氣流經(jīng)燃燒室時溫度 隨時間變化情況 Table 1 The variation dependenceof temperature on time 時間 /h 01632溫度 /K 14331318. 41212. 9 (3 f , 煤氣入口處 f 為 1。 墻入

10、口處的 K 和 的初值分別按 K ini =0. 002×U 2ini , ini =K ini /(0. 3×D 來處理 , 其中 D 為當(dāng)量直徑。采用貼體網(wǎng)絡(luò) , 在煤氣入口和氣固邊界加密網(wǎng)格 , 共有 10888個網(wǎng)格 ,用混合差分法離散控制方程求解。 4 結(jié)果與分析 本文使用 CFX4. 1軟件將一個燃燒室作為一個整體解析空間進行解析 , 在 DEC -AL PHA 250工作站進行運算 26775步 , 解出不同時刻的流場、 溫度場、 濃度場和燃燒釋熱場。經(jīng)過一 系列的仿真尋優(yōu)實驗 , 發(fā)現(xiàn)在焙燒爐內(nèi)部增加 8個小檔板后 , 燃燒室流場及其溫度場明顯好 轉(zhuǎn)。 為了

11、便于分析 , 將陽極焙燒爐燃燒室沿高度方向剖出 3個具有代表性的截面 A 、 B 、 C (圖 1 , 3個截面離燃燒室底部的距離分別為 1m , 2m 和 3m 。 鑒于文獻 1和 2的討論 結(jié)果 , 這里只討論結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的比較。 在優(yōu)化前 (圖 2a , 離燃燒室頂部距離越近 , 溫度波動越大。原因是氣流溫度直接受煤氣 燃燒的影響 , 在噴口區(qū)迅速上升 , 并在出口處受到次高溫區(qū)的影響 , 溫度迅速下降 , 因而造成 上層溫度分布不均。 分析圖 3a , 發(fā)現(xiàn)在燃燒室底部存在兩個較大的回流區(qū) , 相應(yīng)的此兩處的溫 度有明顯下降。 從圖 2b 和圖 3b 可以發(fā)現(xiàn) :結(jié)構(gòu)改造后 , 流場明

12、顯得到改善 , 表現(xiàn)為死區(qū)消失或死區(qū)變 小 , 流速均勻 , 減少了對壁面的嚴(yán)重沖刷。 用 T Mn 來表示 M 面中心線溫度差 , n 為數(shù)字 :0為優(yōu)化前 , 1為改變結(jié)構(gòu) , 從圖 2中可 知 T A 0為 89 , T A 1為 77 , 整個 A 水平上溫差減少 12 , 溫度場更加均勻。 改變結(jié)構(gòu)時 , 不但 A 水平溫度更加均勻 , 而且 B 、 C 兩水平除入口處溫度較高 , 其他地38第 19卷 第 1期 殷志云等 :陽極焙燒爐燃燒室的仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 圖 2 優(yōu)化前 32h 時刻 (a h (b Fig. 2 The temperature curve of 32and

13、(b 1 截面 A 2 圖 3 優(yōu)化前 32h (a 及優(yōu)化后 32h (b 時刻流場 Fig. 3 The flowfield of 32hours before (a after (b optimization, B 86 , 減 52 ,T C 1為 120 左右 (不包括入口部分 , 比 優(yōu) 化 前 溫 差 減 小 86 , 達到了優(yōu)化的目的。5 意義與建議 (1 比較系統(tǒng)地研究了陽極焙燒爐內(nèi)動態(tài)流場、溫度場和濃度場 , 這從理論上研究焙燒爐開辟了一條新思路。 (2 從全息仿真實驗結(jié)果表明 , 現(xiàn)在運行的焙燒爐燃燒室在結(jié)構(gòu)上仍然存在有待改進的地方。 本文的優(yōu)化方案為進一步提高陽極質(zhì)量

14、, 對減少焙燒燃料消耗有著直接的指導(dǎo)意義。 (3 本仿真及其軟件尚待進一步現(xiàn)場檢驗與修正。 (4 本課題研究受蘭州有色金屬公司白銀鋁廠委托 , 同時還進行了陽極焙燒爐的在線檢 測系統(tǒng)的研制。參 考 文 獻 1 梅 熾 , 王前普 , 彭小奇 , 等 . 有色冶金爐窯的仿真與優(yōu)化 . 中國有色金屬學(xué)報 , 1996, 6(4 :19232 梅 熾 . 鋁電解槽電、 熱解析數(shù)學(xué)模型及仿真試驗 . 中南礦冶學(xué)院學(xué)報 , 1986(6 :293848桂 林 工 學(xué) 院 學(xué) 報 1999年SIMU LATION AN D STRUCTURE OPTIMIZATION OFFL UE OF AN ODE

15、BAKING FURNACEY in Zhiyun Li Yuanfeng Mei Chi(Cent ral South U niversity of Technology , Changsha Abstract In accordance with the principle and model of computational fluid dynamics , computational heat transfer and computational combustion , in this note first time present holographic simulation fo

16、r flue of anode baking furnace at home , the flow field , tem perature field and concentrate field have been comprehensively analysed. The structure optimization scheme for flue of anode baking has been put forward on the basis of the mathematical mode with the 250work 2station.K ey w ords anode baking ; computer ; 下 期 要 目1 布爾根韌性剪切帶金礦找礦前景 以科克