陽(yáng)極焙燒爐的燃燒計(jì)算與分析

1、陽(yáng)極焙燒爐的燃燒計(jì)算與分析第24卷第1期2004年2月湛江海洋大學(xué)JournalofZhanjiangOceanUniversityVo1.24No.1Feb.2Oo4陽(yáng)極焙燒爐的燃燒計(jì)算與分析姚成軍,徐明厚(1,湛江海洋大學(xué)iV_程學(xué)院,廣東湛江5240252.華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074)摘要:采用計(jì)算燃燒學(xué)的原理和模型以及CFD軟件對(duì)以重油作為燃料的陽(yáng)極焙燒爐爐內(nèi)的流動(dòng),燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,討論了爐內(nèi)溫度場(chǎng),流場(chǎng)和各組分濃度場(chǎng)的分布規(guī)律,分析了這些因素對(duì)碳陽(yáng)極焙燒質(zhì)量的影響.研究表明,在設(shè)計(jì)陽(yáng)極焙燒爐結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮火道中擋板對(duì)氣流分布的影響.關(guān)鍵詞:陽(yáng)極焙燒爐

2、;數(shù)值模擬;溫度場(chǎng);流場(chǎng);濃度場(chǎng)中圖分類(lèi)號(hào):TF061.26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1007-7995(2004)2-0057-06NumericalSimulationandAnalysisontheCombustionofAnodeBakingFurnaceYAOCheng-jun,XUMinghou(1.EngineeringCollege,ZhanjiangOceanUniversity,Zhanfiang524025,China2.NationalLaboratoryofCoalCombustion.HuazhongUnwemityofScience&Technolo

3、gy,Wuhan430074,China)Abstract:Thefluidflowandcombustionprocessinaheavyoilburninganodebakingfur-naceissimulatedbymeansoftheprincipleandmodelsofcomputationalcombustionandrelativeCFDsoftware.Thecalculateddistributionofthetemperaturefield,fluidflowfield,andconcentrationfieldintheanodebakingfumaceiSprese

4、ntedanddiscussed.Theeffectsofdifierentfactorsonthequalityofbakedanodiccarbonareanalyzed.Theresultsshowthattheeffectsofthefluebafflesonthedirectionofthegasdistributionshouldbeconsideredinthedesignofthefumace.Keywords:anodebakingfumace;numericalsimulation;temperaturefield;flowfield;concentrationfield隨

5、著現(xiàn)代鋁工業(yè),碳素焙燒工業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)陽(yáng)極焙燒爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究日益重視.陽(yáng)收稿日期:2003.1015第一作者:姚成軍(1976一),男,碩士研究生,助教,研究方向?yàn)闊崮芘c動(dòng)力工程.58湛江海洋大學(xué)第24卷極焙燒爐火道內(nèi)的氣流分布狀況會(huì)影響爐內(nèi)燃燒過(guò)程與溫度分布,而焙燒溫度是否均勻和穩(wěn)定對(duì)陽(yáng)極的焙燒質(zhì)量有至關(guān)重要的影響.因此,提高陽(yáng)極質(zhì)量和盡量減少陽(yáng)極焙燒過(guò)程中的能量消耗是進(jìn)行陽(yáng)極焙燒爐設(shè)計(jì)研究的重要目的,而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的最有效辦法就是減小火道內(nèi)的溫差?.陽(yáng)極的焙燒過(guò)程是一個(gè)包含許多熱工現(xiàn)象的復(fù)雜熱工過(guò)程,包括燃料(煤氣或重油)的燃燒,熱量的傳遞(輻射,對(duì)流和傳導(dǎo))與損失,揮發(fā)分的逸出與燃燒

6、,填充焦的燃燒,煙氣的流動(dòng)以及空氣滲漏等,加上焙燒爐爐型龐大,焙燒周期長(zhǎng)(1個(gè)月左右),依靠試驗(yàn)測(cè)試工作來(lái)研究各焙燒參數(shù)對(duì)陽(yáng)極質(zhì)量的影響是十分有限的.因此,全面觀察和直接測(cè)量陽(yáng)極焙燒爐火道內(nèi)的氣體流動(dòng)場(chǎng)和溫度分布是非常困難的.利用CFD軟件,以陽(yáng)極焙燒爐火道作為研究對(duì)象建立模型,可以預(yù)測(cè)火道內(nèi)氣流分布,合理設(shè)計(jì)火道內(nèi)擋板的數(shù)量和位置,優(yōu)化爐內(nèi)燃燒情況.這種方法有助于使焙燒爐裝置設(shè)計(jì)最佳化,在更大程度上依靠合理的計(jì)算,能夠減少實(shí)驗(yàn)工作的盲目性和工作量J.國(guó)外早在2O世紀(jì)8O年代初就已經(jīng)開(kāi)始了這方面的工作J,并在近二十年來(lái)發(fā)展了兩類(lèi)模型,一類(lèi)是火道模型,這類(lèi)模型主要側(cè)重于對(duì)焙燒爐的火道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究

7、優(yōu)化;另一類(lèi)是熱工過(guò)程模型,這類(lèi)模型側(cè)重于對(duì)焙燒的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行研究.我國(guó)在這方面的工作起步較晚.通過(guò)對(duì)模型的研究,可以使我們了解焙燒爐火道內(nèi)部氣流分布,氣體各組分分布和溫度分布規(guī)律,從而為提高陽(yáng)極碳?jí)K的質(zhì)量,穩(wěn)定燃燒場(chǎng)與溫度場(chǎng),保證鋁的生產(chǎn)質(zhì)量提供依據(jù)?,引.1研究對(duì)象及物理模型研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某大型鋁廠陽(yáng)極車(chē)間的敞開(kāi)式環(huán)形焙燒爐的火道,圖1為一個(gè)火焰的系統(tǒng)圖,圖2為該火道燃燒段剖面示意圖(截面沿寬度方向剖出,距離火道壁面15.6mm).該段火道尺寸長(zhǎng)×寬×高為3520mm×470mm×4230mm,3個(gè)隔板尺寸均為220mm×470mm

8、5;2800mm,火道頂部安裝有兩個(gè)重油噴口,從噴口噴人的重油量相同.該陽(yáng)極焙燒爐由54個(gè)彼此分離的爐室組成,共有3個(gè)火焰系統(tǒng).重油在火道內(nèi)燃燒后,通過(guò)火道壁間接加熱,實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極塊的焙燒.對(duì)一個(gè)火焰系統(tǒng)的火焰周期36h進(jìn)行跟蹤測(cè)量,時(shí)間間隔為2h.排煙架(ER)火焰方向燃燒架(HR)ll'IR2鼓風(fēng)架(BR)圖1焙燒爐單火焰系統(tǒng)示意圖Fig.1Longitudinalviewofonefurnacefiregroup燃燒計(jì)算的模型化條件如下:1)各入口速度均勻;第1期姚成軍等:陽(yáng)極焙燒爐的燃燒計(jì)算與分析592)燃燒方式為即混即燃,燃料和02不共存;3)壁面?zhèn)鳠釛l件為第3類(lèi)邊界條件,即通

9、過(guò)放熱系數(shù)和周?chē)黧w的溫度來(lái)規(guī)定邊界的熱流密度;芏4)除燃料與0發(fā)生燃燒反應(yīng)外,其他物質(zhì)之間無(wú)化學(xué)反應(yīng);5)燃燒室無(wú)氣體泄露;6)忽略揮發(fā)份在爐室內(nèi)的燃燒.2數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算使用的方程有可壓縮性氣體連續(xù)性方程,動(dòng)量方程,湍流動(dòng)能k和動(dòng)能耗散率的輸運(yùn)方程,圖2火道燃燒室剖面示意圖(單位:mm)Fig.2LongitudinalviewofOl'lefurnace能量方程等.化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)假設(shè)為快速反應(yīng)系統(tǒng),燃燒過(guò)程視為一步反應(yīng)且不可逆,陽(yáng)極焙燒爐計(jì)算模型如下:1)可壓縮性氣體連續(xù)性方程+V?(p?)=0,(1)其中,P,U,t分別表示氣體密度,速度和時(shí)間.此方程表示了質(zhì)量進(jìn)入單位體積的凈流

10、量在數(shù)值上等于密度的增加量.2)動(dòng)量方程p+p(.v)=一v+v.(.v)+V?(.V),(2)P為靜壓力,.為層流粘性系數(shù)與湍流粘性系數(shù)的和.3)k-8方程,.2=.(3)湍流動(dòng)能后和動(dòng)能耗散率占的輸運(yùn)方程分別是:遜Ot+V.(puk)一V.(+)vk)=PP,(4)絲Ot+V?(p)一V?(+)V)=c.一c2p,(5)其中,為普朗特?cái)?shù).4)能量方程+VpUH一(乏+)V日=+Qn,日=|Il+1u2.(6)H為焓;A為導(dǎo)熱率;=o.9為焓普朗特?cái)?shù);為定壓比容;Qn為源項(xiàng),包括剪切功流人的凈60湛江海洋大學(xué)第24卷速率和反應(yīng)所產(chǎn)生和吸收的熱能,輻射能等;h為滯止焓.其中,爐內(nèi)的輻射換熱方程

11、為.4,a-+(.+),(r,):.n2+O"sfI(r,s)da.(7)'啊斗耵6r為爐內(nèi)某點(diǎn)位置,s為坐標(biāo)方向,s為散射方向,n為吸收系數(shù),n為折射系數(shù),or為散射系數(shù),為StefanBoltzmann常數(shù)(5.672X10W/m),為總輻射強(qiáng)度,由該點(diǎn)位置和計(jì)算方向決定,?1為溫度,為狀態(tài)方程,為立體角.由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù),可知:1)燃料為重油,它的主要成分CH3o,密度960kg/m,比熱1880J/(kg?K),熱導(dǎo)率0.12W/(m?K),汽化潛熱124000J/kg,熱值為40530kJ/kg.陽(yáng)極重油用量為72kg/t,生熱量為72X9650X4186=29

12、08.4MJ/t,人口溫度300K,兩個(gè)燃料噴口重油流量比為1:1,燃料噴口處質(zhì)量混合分?jǐn)?shù)廠=1,這是根據(jù)實(shí)際焙燒爐所燃用的重油主要成分計(jì)算.三個(gè)空氣人口速度分別為3.5,3.0,3.0m/s,空氣人口溫度為473K,空氣人口處質(zhì)量混合分?jǐn)?shù)廠=0;2)預(yù)熱空氣溫度約800K,此時(shí)空氣的比熱c.為1.42kJ/(m?),標(biāo)態(tài)下空氣密度為1.293kg/m.取空氣過(guò)剩系數(shù)為1.2,陽(yáng)極理論需要空氣量為681.7m/t;3)火道尾部測(cè)點(diǎn)溫度為1500K,煙氣出口速度為4.04.5m/s;4)火道外壁面邊界溫度:350370K;5)環(huán)境空氣溫度為293K.3計(jì)算結(jié)果與分析7,8利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CF

13、D)軟件將一個(gè)火道作為一個(gè)整體空間進(jìn)行計(jì)算分析.為了便于分析,將陽(yáng)極焙燒爐沿寬度方向剖出一個(gè)截面(圖2),截面離火道壁面15.6mm.在時(shí)間上對(duì)一個(gè)工作周期的中間點(diǎn)即第18小時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究與分析.3.1流場(chǎng)圖3為火道流場(chǎng)速度矢量分布圖.氣流受三塊隔板的阻礙,在火道中出現(xiàn)"w"形流動(dòng),這種流動(dòng)方式延長(zhǎng)了熾熱氣體在火道中的行程,提高了傳熱效果和熱效率.速度矢量圖很清晰地顯示了火道中的高速區(qū)和低速區(qū).可以看到在火道中,兩個(gè)小擋板之間,小擋板與火道的壁面之間,以及三個(gè)隔板與火道的壁面之間狹窄通道內(nèi)的速度矢量相對(duì)于周?chē)臍饬魉俣仁噶勘容^高.在隔板兩端的開(kāi)口處,存在氣流"

14、;短路"現(xiàn)象,即氣體直接從開(kāi)口處進(jìn)入火道后部,在火道的頂部的一部分人口氣流直接通過(guò)隔板上端的開(kāi)口處,這部分氣流沒(méi)有經(jīng)過(guò)燃燒高溫區(qū),溫度相對(duì)較低,從而可避免火道的頂部被燒壞.由于氣流慣性及隔墻的阻礙作用,氣流產(chǎn)生偏析現(xiàn)象,隔板的迎風(fēng)面氣流速度大,背風(fēng)面氣流速度小,從而在隔板的背風(fēng)面出現(xiàn)旋渦回流區(qū).這些區(qū)域由于流動(dòng)減緩,混合和對(duì)流減弱,氣流溫度也會(huì)降低,不利于火道溫度的均勻性.這將有利于提高火道中氣流溫度分布的均勻程度,并且能給從第2個(gè)噴嘴噴出的重油燃燒提供較高含量的0:.人口氣流流過(guò)重油燃燒高溫區(qū)被加熱.火道的三個(gè)隔板使氣流的流動(dòng)發(fā)生偏斜,并在幾個(gè)死角區(qū)域產(chǎn)生回流,這是因?yàn)闅饬鬟M(jìn)入火道

15、后,由于氣流的慣性以及擋墻阻力的作用,在隔板的背風(fēng)面出現(xiàn)回流區(qū).回流區(qū)域氣體對(duì)火道較低的對(duì)流傳熱與高速區(qū)域氣體對(duì)火道較高的對(duì)流傳熱形成了對(duì)比.火道的底部死角區(qū)域的回流最為明顯.這些回流區(qū)域中的速度矢量值相對(duì)較低.從溫度分布圖可以看到,在這個(gè)區(qū)域的中間部分存在有一定第1期姚成軍等:陽(yáng)極焙燒爐的燃燒計(jì)算與分析6l的溫差,因此,要采取有效的措施,削弱這些小的回流.3.2溫度場(chǎng)圖4為火道中的溫度分布圖.重油溫度在燃燒區(qū)域中升高.受重油燃燒的影響,空氣氣流的溫度也迅速上升.左邊重油噴口噴人的燃?xì)?受到從空氣人口進(jìn)人的空氣速度的影響,被吹到隔板的附近,并與0發(fā)生反應(yīng),迅速燃燒,并釋放出熱量,因此,在隔板左

16、側(cè)有較高的溫度分布,而空氣人口處重油含量為零,沒(méi)有發(fā)生燃燒反應(yīng),不能產(chǎn)生熱量,這個(gè)區(qū)域中氣體的溫度分布較低.從右邊的重油噴口進(jìn)人的重油情況類(lèi)似,溫度分布情況也相似.一部分經(jīng)過(guò)燃燒加熱后的高溫氣體從隔板與爐頂壁面之間的通道進(jìn)人火道后部,溫度又有所降低.從整個(gè)火道來(lái)看,前半部分的氣流溫度低于后半部分的溫度,這是因?yàn)楹蟀氩糠值臍饬饕呀?jīng)經(jīng)過(guò)前半部分重油燃燒的加溫.如果把速度矢量圖和溫度分布圖結(jié)合起來(lái)看,會(huì)發(fā)現(xiàn)在速度較高的區(qū)域中,溫度的分布也比較高,這是因?yàn)樗俣容^高的區(qū)域內(nèi)氣體的對(duì)流傳熱效果明顯,而速度較低的區(qū)域氣體的對(duì)流傳熱效果不好.g,圖3火道流場(chǎng)Fig.3Velocityvectorinsidet

17、hefurnace1it4火道中溫度分布(單位:K)Fig.4Temperaturecontoursinsidethefumace3.3濃度場(chǎng)圖5為火道中0濃度分布圖.重油燃燒主要集中在火道上部靠近隔板的區(qū)域,在這些區(qū)域,0與重油發(fā)生燃燒反應(yīng).在火道中重油的燃燒是非常充分的,它與0不能共存,重油集中的區(qū)域,0含量為最低值.0含量隨著重油的燃燒而減少,在第一個(gè)燃燒區(qū)域內(nèi)0含量達(dá)到最低值,含量為零,在燃燒區(qū)后部氣流經(jīng)過(guò)混合,0含量有所回升,進(jìn)人第二個(gè)燃燒區(qū)后0含量再次達(dá)到最低值,然后再次經(jīng)過(guò)氣流混合,含量回升.在非燃燒區(qū)域中,越靠近空氣人口的區(qū)域,0含量越高,即0在空氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.21,而越是

18、遠(yuǎn)離空氣人口的區(qū)域,0含量越低,在氣體出口處,0含量達(dá)到最低值.CO與H0濃度分布規(guī)律基本一致,這是因?yàn)樗鼈兺瑸槿紵a(chǎn)物,而且在燃燒產(chǎn)物中摩爾比是一定的.在人口部分它們的含量為最低值,進(jìn)人第一個(gè)燃燒區(qū)后含量達(dá)到最大,在燃燒62湛江海洋大學(xué)第24卷區(qū)后部,經(jīng)過(guò)氣流混合,它們的含量略有下降,進(jìn)入第二個(gè)燃燒區(qū)后,含量再次達(dá)到最大值,然后再次經(jīng)過(guò)氣流混合,含量降低.另外,O:和CO:的濃度分布圖與溫度分布圖的輪廓線(xiàn)有較好的一致性,這是因?yàn)樵跍囟容^高的燃燒區(qū)域中,重油和O,發(fā)生燃燒反應(yīng),重油和O經(jīng)過(guò)反應(yīng)被逐漸消耗,而燃燒產(chǎn)物CO和水的含量則逐漸升高;在其他的非燃燒區(qū)域,重油含量幾乎為零,所以沒(méi)有燃燒反應(yīng)發(fā)生,各種氣體組分的含量基本上保持穩(wěn)定.在溫度最高的燃燒區(qū)域內(nèi)O含量為最低,而CO和水的含量為最高,反之亦然,在溫度較低的非燃燒區(qū)域,O含量較高,而燃燒產(chǎn)物CO和水的含量較低.x/m圖5燃燒室中O2質(zhì)量濃度分布Fig.5Concentrationcontoursof02insidethefurnace4結(jié)論根據(jù)以上計(jì)算與分析,可對(duì)以重油作為燃料的陽(yáng)極焙燒爐爐內(nèi)的流動(dòng)情況和燃燒情況以及各種氣體組分的分布情況有一定的了解.爐內(nèi)存在一些氣體回流區(qū)域,在爐底死角和隔板背風(fēng)面附近區(qū)域的回流現(xiàn)象最為明顯,這些回流的存在直接影響了氣體對(duì)流傳熱的效果,是溫度分