陽極焙燒爐火道空氣過剩系數數值仿真

劉 徹，朱東旭，劉希文，楊青辰，關永軍

（東北大學設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110013）

陽極焙燒爐火道內的燃燒過程通過脈沖控制系統調控，空氣過剩系數對爐內燃燒過程有較大的影響。本文采用數值仿真的方法模擬火道內燃料燃燒的情況，獲得不同空氣過剩系數時火道內的溫度場和濃度場云圖，進而得到最佳的空氣過剩系數，指導實際生產操作，達到節能降耗的目的[1,2]。

1 計算區域離散化

1.1 物理模型

本文所研究的火道是選取某陽極廠新建60室（8箱9火道）敞開式陽極焙燒爐中的火道，考慮到火道結構的對稱性，只需建立此火道沿爐長方向一半模型即可。在火道三維模型的基礎上建立火道內流體域空間模型，在這個流體域空間，燃料由頂部兩個噴嘴噴入，快速燃燒后的高溫煙氣從右側排出。

拉磚有兩種結構，矩形拉磚有兩種尺寸（長×寬×高），分別為296mm×106mm×175mm和214mm×98mm×175mm，橢圓形拉磚的尺寸（長×寬×高）均為207mm×106mm×175mm，火道頂部有2個圓形燒嘴，直徑20mm。

1.2 網格劃分

全結構化網格相比非結構化網格而言更精細，網格區域內所有的內部點都具有相同的毗鄰單元。它可以很容易地實現區域的邊界擬合，特別適用于流體方面的計算。因此，本文對火道流體采用ICEM軟件進行離散化，得到全結構化六面體網格。

對結構化網格質量的檢查，主要注重三個方面，一是Angle值，該值度量網格邊之間的夾角，角度范圍為0～90°，CFD計算通常要求Angle值大于18°，本模型劃分的網格Angle值在45°以上。

二是Aspect Ratio值，指網格單元最大邊長度與最小邊長度的比值。Aspect Ratio值為1時為完美網格，即正六面體，CFD要求Aspect Ratio值最好在20以內，本模型劃分的網格Aspect Ratio值都小于20。三是Determinant 3×3×3值，指最大雅克比矩陣行列式與最小雅克比矩陣行列式的比值（考慮單元邊上的中心點）。該值在0～1范圍內，越接近1，網格質量越高，本模型劃分的網格Determinant 3×3×3值在0.3以上。

2 數學模型建立

焙燒爐火道內的熱工過程主要有氣體流動、燃料燃燒、組分輸運及傳熱過程，可采用連續性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程進行描述求解。

2.1 連續性方程

式中ρ為流體密度，t為時間，j代表坐標維數，u為速度矢量，x為坐標。

2.2 動量方程

其中μ為粘性系數，Pi是表面力矢量，包括靜壓力和流體粘性壓力。gi是作用于單位體積流體的i方向的體積力，fi是作用于單位體積流體的反方向的阻力。

2.3 能量方程

式中H是包括動能的總熱焓，它由靜態熱焓h的表達式給出：

Qrad和QR分別為輻射與化學反應熱源項，Γh表示熱交換系數，其定義為：

Tref為參考溫度，λe為有效導熱系數，Cp為定壓比熱。

2.4 組分輸運方程

式中Γs為組分s的交換系數，Rs為組分s由于化學反應引起的產生或消耗率。

3 單值條件設置

3.1 材料物性

計算域燃燒流動計算所涉及的氣體成分主要包括燃料CH4、助燃空氣（O2和N2），以及燃燒反應生成的煙氣（CO、H2O、CO2）。燃燒反應包括2步反應，如式7和式8所示。

3.2 邊界條件

本模型涉及到的邊界條件主要包括速度入口條件、壓力出口條件等。噴嘴1設定為速度入口邊界條件，流速為17.9m/s，噴嘴2設定為速度入口邊界條件，流速為11.9m/s，溫度均為室溫。空氣入口設定為速度入口邊界條件，溫度按生產工況取為700℃，組分為21%的O2和79%的N2。煙氣出口設定為壓力出口邊界條件，壓力值按生產工況取為-30Pa。

4 結果分析

本次模擬以FLUENT 19.1為平臺，對離散化后計算區域的溫度場和濃度場進行了數值仿真。在確定燃料量之后，通過調整過量空氣系數Ln值，分別取為1.1、1.2、1.3、1.35、1.4，考察不同過量空氣系數下爐內的溫度場及組分濃度場。

4.1 不同過量空氣系數時的濃度場分布

圖1反應了火道內CO濃度場情況，由圖可知，在Ln=1.1和Ln=1.2時，爐內存在多處不完全燃燒的區域，表明此時的燃燒狀況不好，空氣量不夠。在Ln≥1.3時，爐內不完全燃燒區域只集中在燃料噴口附近，也就是燃燒火焰區域，表明在此條件下，爐內燃料可以完全燃燒的。因此，可以確定空氣過剩系數至少在1.3以上。

圖1 火道中心截面CO組分濃度場

4.2 不同過量空氣系數時的溫度場分布

圖2反應了火道內的溫度分布情況，由圖可知，Ln=1.3時，爐內最高溫度是2479K，Ln=1.35時，爐內最高溫度是2700K，Ln=1.4時，爐內最高溫度是2620K。這說明爐內最高溫度并不是隨著Ln的增加而一直增加，而是先增大后減小，且在Ln=1.35時達到最大。究其原因是Ln>1.35后，空氣量過剩。由于空氣溫度較低，當空氣助燃后還有剩余，則隨著剩余量的增大，爐內溫度會被降低。

圖2 火道中心截面溫度場

5 結論

通過對陽極焙燒爐火道內燃料燃燒過程的研究，建立相對應的三維物理模型，采用ICEM軟件對計算區域進行全結構化網格劃分，結合Fluent軟件系統研究了不同過量空氣系數時火道內的溫度場和濃度場。

實際生產操作中需要根據燃燒產物的濃度和整體溫度分布綜合設定過剩空氣系數，使燃控系統達到最佳工作狀態，實現節能降耗的目地。