陽極焙燒爐火道墻數值模擬

朱東旭

（東北大學設計研究院（有限公司），沈陽 110013）

1 Fluent 軟件簡介

Fluent 是用于模擬具有復雜外形的流體流動以及熱傳導的計算機程序。其功能及特點如下：完全非結構化網格；定常（穩態）/非定常（瞬態）流動模擬；先進的動/變形網格技術；多網格支持功能；多重數值算法；先進的物理模型。

2 火道墻結構優化

陽極焙燒爐的核心部位為火道，燃料在火道內燃燒，產生的熱能通過火道墻傳遞給火道外的陽極炭塊，并將陽極炭塊產生的揮發分引入到火道內燃燒。因此火道內燃燒過程與溫度分布是我們研究的重點內容，而要想研究燃燒過程與溫度分布就需要研究火道墻的結構?；鸬缐Y構主要有“W”型火焰系統和“W+V”型火焰系統。

本次選用國內已投產運行的某“W”型火焰系統焙燒爐為研究對象，通過實際測試得到的邊界條件，進行穩態數值模擬，分析加熱階段燃燒過程及溫度分布，從而對現有火道墻結構進行優化，改善燃燒場及溫度場，最終提高陽極質量。

3 數值模擬

3.1 理論依據

基于對稱性原理，計算的控制體積在x方向取火道的中心線到相鄰料箱中心線距離，y方向取料箱頂部到底部距離，z方向則為爐長方向從冷風進口到排煙架出口距離。

計算時只要爐長方向（z方向）的節點劃分足夠細，就可以將焙燒爐的料箱（包括火道墻、填充料和陽極炭塊）與相應火道假設成一個逆流熱交換模型。計算中陽極炭塊、填充料以及火道墻的熱物性都假設為溫度的函數。料箱傳熱則只討論二維情況（x，y方向）。

3.2 數學模型

能量平衡方程 ：

傳熱方程：

動量方程：

3.3 邊界及初始條件

燃料：天然氣，熱值：36300kJ/Nm3，用量：7.4Nm3/h

空氣進口 ：70Nm3/h，0Pa

煙氣出口 ：95Nm3/h，-5Pa，V=0.75m/s

4 結果與分析

（1）流場分布。由圖1可知，最高流速出現在火道噴口處，而端部、底部及死角處流速最低，由于隔墻的阻礙，使火道內呈現“W”型結構，延長氣流在火道內流過的時間，使燃料及揮發分能夠有充分時間燃燒。頂部2處及底部1處開口，同樣流速較高，這個種短路使得氣流分配更加合理。圖中拉磚的布置不僅僅是火道墻結構的增強，同樣起到擾流的作用，使氣流能夠均勻分布在火道內。

圖1 流場分布

（2）火道墻溫度分布。天然氣在順著高溫煙氣流動方向噴入到火道內，由圖2可知，天然氣遇到補充的空氣后在燃燒區域內溫度增高，而入口的溫度以及死角的溫度最低，這些低溫區域恰好也是速度最低區域，這是因為速度高的區域，氣流流動快，對流和輻射換熱效果明顯。因此需要進一步優化拉磚，使其整個火道墻溫度分布趨于均勻，這樣才能減少陽極上下部溫差，提高產品質量。

圖2 溫度分布

（3）濃度分布。由圖3可知，作為產物在入口處濃度最低，在進入第一個燃燒區后他們大量生成，含量進入最大值。第二個燃燒區后由于氧氣的消耗使其燃燒反應減弱，相應的產物生產也開始減少，直至不發生反應。

圖3 CO2濃度分布

由圖4可知，當助燃空氣剛剛進入火道內，此時的氧氣含量最大，當遇到天然氣時，開始劇烈燃燒，含量急劇下降。由圖中對比可見，二氧化碳和氧氣的分布恰恰相反，符合燃燒規律。

圖4 O2濃度分布

（4）壓力分布。在實際生產操作中，是通過負壓來調節火道內燃燒狀態?；鸬镭搲捍?，則揮發分通過火道墻磚縫滲透到火道內的速度快，揮發分具有很高的熱值，能夠大大降低天然氣能耗，但不利于瀝青的析焦；火道負壓小，則揮發分滲透的慢，不利于能耗，但會對瀝青的析焦有好處。因此合理的負壓需要根據產品質量及能耗綜合考慮。由圖5可知，燃料進口處負壓最大，而預熱空氣進口處負壓也大，但經過一個燃燒區后，負壓平穩，整體負壓差不大，說明爐子密封較好，降低了負壓的平均水平。

圖5 壓力分布

5 結論

根據以上的模擬分析，我們可形象的了解火道內的各種工況，并根據結果結合現場實測數據，來修正我們的邊界條件，使其更接近實際，指導后續的模擬分析。證明了此方法的可行性后，通過模擬分析修改火道墻結構，從而不斷的優化設計，提高陽極質量。