（工程热物理专业论文）敞开式阳极焙烧炉数值模拟及优化研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m u m r e s e a r c ho no p e np o s i t i o n a n o d eb a k i n gf u r n a c e a p p l i c a n t ： l ih a o m a j o r ：! h 旦【磐垒! 里塾y 墨i 竺墨星卫g i 望皇皇! = i 望2 s u p e r v i s o r ： p g o f e s s o rz h o uj i e m i n s u b m i t t e dt o t h e f a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 耋i 丝 日期：望丛! 年上月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：垒i 垫 导师签名e l 期：坦年工月互e t 摘要 阳极炭块一直被公认为电解槽的“心脏”，随着现代铝工业的飞 速发展，电解槽对阳极炭块质量的要求不断提高。焙烧是阳极生产中 重要的环节之一，阳极焙烧质量的好坏将直接影响到铝电解生产的能 耗，因此如何提高阳极炭块的质量是铝电解工业的重要课题。鉴于焙 烧炉工艺的复杂性，利用计算流体力学软件对焙烧炉内热工过程进行 数值模拟研究，改进焙烧炉的结构及操作参数，是一项既有理论意义 又有实用价值的工作。 本文以国内某炭素厂3 4 室敞开式阳极焙烧炉为研究对象，对实 际生产设备进行了简化，确定了物理模型并利用非结构化网格对计算 区域进行了区域离散化，建立了焙烧炉适用的数学模型。以现场数据 为基础，利用计算流体力学软件f l u e n t 6 3 为计算平台对焙烧炉进 行了数值模拟研究。 数值模拟结果显示，在火道中隔墙和拉砖的背风区有一定的回流 区域，阳极炭块中的温度梯度较大的地方主要出现在炭块的左部以及 靠近炉底、炉项的部位，阳极炭块中的温差最大值为1 3 7 。利用现 场采集的1 1 个点的温度对数值模拟结果进行了验证，相对误差最大 值为8 2 ，表明本文所建立的物理模型、数学模型是可靠的，可用 来对焙烧炉进行模拟和研究。 在数值模拟的基础上，对阳极焙烧炉热工制度进行了研究： 1 ) 给出了火道结构优化的4 个方案。经结构优化后的焙烧炉火 道中的回流区域有一定程度的减小甚至消失，阳极炭块的平均温度升 高，温差降低，温差降低最大达到3 8 ； 2 ) 在结构优化的基础上，以焙烧炉的助燃空气温度、助燃空气 流量、两个燃料入口燃料流量比例为变量对焙烧炉进行了操作参数的 优化研究。计算结果显示，随着助燃空气温度的增加，火道中流速均 匀性、阳极炭块中的温度均匀性均变好，温差降低；随着助燃空气流 量的增大，第一个燃料入口喷入的燃料的燃烧温度降低，阳极中的高 温区域向右移动并增大，但是阳极炭块中的温差随着助燃空气流量的 增加而升高，火道流速均匀性以及阳极炭块温度均匀性都变差；两个 喷嘴燃料流量的比例对阳极炭块的温度场影响很大，计算结果表明当 左右两个燃料入口处燃料的流量比例为6 0 ：4 0 时为最优工况。 关键词：铝工业，焙烧炉，阳极炭块，数值模拟，优化 n a bs t r a c t a n o d eh a sb e e nk n o w na st h ek e ys e c t i o no ft h ee l e c t r o l y z e r w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o d e ma l u m i n u mi n d u s t r y , t h eq u a l i t yo f a n o d ei nt h ee l e c t r o l y z e rh a sk e p t i m p r o v i n g a n o d eb a k i n gi so n e i m p o r t a n ta s p e c to ft h ep r o d u c t i o no fa n o d ea n dt h eq u a l i t yo fa n o d ew i l l h a v ead i r e c ti m p a c to na l u m i n u mp r o d u c t i o ne n e r g yc o n s u m p t i o n ，s o h o wt o i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ea n o d ei s a ni m p o r t a n ti s s u ei n a l u m i n u mi n d u s t r y v i e wo ft h e c o m p l e x i t yo fb a k i n gp r o c e s s ，u s i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r et os i m u l a t et h et h e r m a lp r o c e s si n t h eb a k i n gf u r n a c ea n di m p r o v i n gt h es t r u c t u r ea n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r s o f b a k i n gf u m a c e ，i sap r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lv a l u ew o r k b a s e do nad o m e s t i c3 4s e c t i o n sa n o d e b a k i n gf u r n a c e ， s i m p l i f i c a t i o nf o rt h ea c t u a lm a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e si sc a r r i e do u ta n d r e g i o n a ld i s c r e t em e t h o du s i n gn o n - s t r u c t u r a lg r i d d i n ga p p l i e sa sw e l lt o e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sa n o d eb a k i n gf u m a c e b a s e do n t h ef i e l dd a t a ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eb a k i n gf u m a c ei sc a r r i e do u t u s i n gc o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t 6 3 f o r t h e c o m p u t i n gp l a t f o r m t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o war e v e r s ef l o wa r e ae x i s t i n g b e t w e e nt h ep a r t i t i o nw a l l sa n df l u eb a f f l e s w i t ht h eh i g h e rt e m p e r a t u r e g r a d i e n ta r e aa tt h el e f ts i d eo fa n o d en e a r i n gt h et o pa n db o t t o mo ft h e f u r n a c e ，137 f o r h i g h e s tt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ei so b t a i n e d c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e 11 t e m p e r a t u r ed a t ac o l l e c t e di nt h ea c t u a l o p e r a t i n gf u m a c ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em a xe r r o ro ft h e c o m p a r i s o ni s8 2 w h i c hp r o v e st h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l s a r er e a s o n a b l e b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fa n o d eb a k i n g f u r n a c eisc a r r i e do u t ： i i i 1 ) f o u rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nh y p o t h e s e sa r ep u tf o r w a r d t h e r e v e r s ef l o wa r e ai nt h ef l u eo ft h ef u r n a c ei ss m a l l e ro re v e nd i s a p p e a r s a f t e ro p t i m i z a t i o n t h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h ea n o d ei n c r e a s e s ，t h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c er e d u c e sa n dt h em a xt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei s3 8 ； 2 ) b a s e d o nt h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，a i rt e m p e r a t u r e ，a i rf l o wr a t e a n dt h er a t i oo ft w of u e li n l e t sw e r eu s e da sv a r i a b l e st oc a l t yo u tt h e p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no ft h eb a k i n gf u r n a c e c a l c u l a t i o nr e s u l t sr e v e a l t h a ta st h ea i rt e m p e r a t u r er i s e s ，t h eu n i f o r m i t yo ft h ef l o wr a t ei nt h ef l u e a n dt h eu n i f o r m i t yo ft h et e m p e r a t u r eo fa n o d eg e tb e t t e ra n dt h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c er e d u c e s w h e nt h ea i rf l o wr a t ei n c r e a s e s ，t h e t e m p e r a t u r eo ff u e li nt h ef i r s tf u e li n l e td e c r e a s e s ，h i g ht e m p e r a t u r ea r e a i nt h ea n o d em o v e s r i g h tf o r w a r d s ，h o w e v e r , t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei n t h ea n o d ei n c r e a s e sa st h ea i rf l o wr a t ei n c r e a s e sa n dt h eu n i f o r m i t yo ft h e f l o wr a t ea n dt e m p e r a t u r eg o e sw o r s e t h er a t i oo ff l o wr a t ei nt h el e f t f u e li n l e tt ot h er i g h to n ea f f e c t ss i g n i f i c a n t l yt h et e m p e r a t u r ef i e l da n d t h em o s to p t i m i z e dr a t i oi s6 0 ：4 0 k e yw o r d s ：a l u m i n u m i n d u s t r y , b a k i n gf u m a c e ，a n o d e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章文献综述1 1 1 引言1 1 2 阳极焙烧概述4 1 2 1 焙烧原理4 1 2 2 焙烧设备及工艺5 1 3 焙烧工艺对预焙阳极的影响7 1 3 1 升温速度7 1 3 2 最高焙烧温度8 1 3 3 炭块温差9 1 3 4 冷却速度9 1 4 炭阳极焙烧技术发展及研究现状一9 1 4 1 国外阳极焙烧技术研究现状9 1 4 2 国内阳极焙烧技术研究现状1 l 1 5 课题来源及研究方法1 2 第二章阳极焙烧炉物理与数学模型1 4 2 1 计算流体力学的发展1 4 2 2f l u e n t 软件介绍l5 2 3 物理模型15 2 3 1 焙烧炉热工过程一1 5 2 3 2 模型简化15 2 3 3 计算区域16 2 3 4 计算区域离散化1 8 2 4 数学控制方程1 9 2 4 1 基本方程一19 2 4 2 湍流时均控制方程2 0 2 4 3 燃烧控制方程2 3 2 4 4 能量方程一2 6 2 5 边界条件2 9 2 5 1 燃料入口2 9 2 5 2 助燃空气入口一2 9 2 5 3 ：姻气出口2 9 2 5 4 壁面条件2 9 2 6 数值模拟中材料属性3 0 2 7 本章小结3 0 第三章阳极焙烧炉热工过程仿真结果分析3l 3 1 概率密度分布函数仿真结果3 1 3 2 火道流场仿真结果3 1 3 3 温度场仿真结果3 3 3 4 浓度场仿真结果3 6 3 5 本章小结3 8 第四章仿真模拟结果验证4 0 4 1 焙烧炉现场数据测试及分析4 0 4 1 1 测试体系及测试内容4 0 4 1 2 测点布置。4 0 4 1 3 测试仪器4 1 4 1 4 测试数据及分析4 l 4 2 仿真结果验证4 3 4 2 1 结果验证4 3 4 2 2 误差分析4 4 4 3 本章小结4 5 第五章火道结构参数与操作参数优化研究4 6 5 1 焙烧炉优化原则4 6 5 2 结构参数优化4 7 5 2 1 结构优化方案。4 7 5 2 2 结构优化结果分析。4 8 5 3 操作参数优化研究5l 5 3 1 计算工况。51 5 3 2 助燃空气温度对阳极炭块温度的影响5 l 5 3 3 助燃空气流量对阳极炭块温度的影响。5 4 5 3 4 两个喷嘴燃料流量比例对阳极炭块温度的影响5 6 5 4 本章小结5 8 第六章结论与建议j 6 0 6 1 结论6 0 6 2 建议6 1 参考文献6 2 发表论文及科研情况6 6 j c谢6 7 符号说明 流体流过截面面积，i n 2 定压比热，j k f l k 1 k s 方程中的常数 k 一占方程中的常数 k g 方程中的常数 水力直径长，i i l l n 平均混合分数 平均混合分数方差 体积力，n 热焓，j 湍流强度， 坐标维数 湍动能，m 2 s - 2 质量分数 通用气体常数，8 3 1 4j m o l k - 1 物质消耗率 流体雷诺数， 润湿周长，m 时间，s 速度矢量，m s 1 坐标 k 一占方程中的常数 k 一占方程中的常数 流体密度，k g m - 3 粘性系数，n s m 。2 导热系数，w m - 1 k - 1 单位张量 湍能耗散率，m 2 s d 热交换系数 湍流扩散系数 混合分数交换系数 a q巳d厂bo岛日，歹后 所r r胎s f 甜x q巴户以西占l l 瓦。 阳极炭块中最高温度，k 瓦妯 阳极炭块中最低温度，k 丁阳极炭块平均温度，k 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 铝在自然界中分布很广，地壳中铝的含量约为7 3 ( 重量) ，是仅次于氧和 硅的第三大元素，而在金属元素中，铝居首位。金属铝具有耐腐蚀、易导电、密 度小和延展性好等特点，其优良的物理化学特性使得它被广泛地应用于建筑、包 装、交通、电力和航空航天等领域。目前，铝已发展成具有各种各样用途的材料， 其范围之广足以使现代生活的各个方面直接地受到铝的应用的影响【l 训。 由于铝的化学性质很活泼，所以自然界中很少有游离态铝存在，一般是以化 合物的形式存在。自然界中含铝的化合物共有2 5 0 多种，主要是铝土矿、高岭土、 明矾石1 5 j 。虽然铝在自然界中资源储量很大，但是大量生产铝的工作起步却比较 晚，比金属铜、铁晚了两干多年。炼铝方法的发展可以分为两个时期：化学法、 电解法。 1 ) 化学法【6 ，丌。1 7 4 6 年德国人波特用明矾制取了一种氧化物，即为氧化铝。 1 8 世纪法国的拉瓦锡认为此氧化物为一种未知金属的氧化物。1 8 0 7 年英国人戴 维试图通过电解熔融此氧化物的方法来提取该金属，但是没有获得成功。1 8 2 5 年丹麦人奥斯利用还原的方法，得到了少量的纯金属铝，并给出了该金属的部分 物理性质。1 8 5 4 年法国戴维尔用纳还原n a a l c l 4 ，制得金属铝。1 8 6 5 年俄国别 凯托夫提议用镁还原冰晶石来炼铝，被德国盖墨林根镁工厂采用。自从电解法炼 铝开始之后，化学法炼铝就逐渐停顿。 2 ) 电解法。1 8 8 6 年h a l l 用电解冰晶石中a 1 2 0 3 的方法生产出了金属铝， h 6 r o u l t 也利用类似的方法生产出了金属铝。1 8 8 8 年，美国匹兹堡电解厂把这种 炼铝方法应用到工业生产，建成了世界上最早的电解槽【8 】。h a l l h & o u l t 的冰晶 石氧化铝熔盐电解法已经有1 2 4 年的历史，在此期间h a l l h 6 r o u l t 电解炼铝的方 法原理基本没有变化，铝电解的生产技术有了重大的发展，电解槽的生产能力持 续增加。在1 8 8 8 1 9 0 0 年间，采用的是4 - - 8 k a 小型电解槽，目前电解槽的电 流强度达到2 8 - 3 0 万a 。铝电解槽的电流效率在铝工业生产初期低于8 0 ，目 前一般高于9 0 。 现代铝工业生产，主要的炼铝方法是冰晶石氧化铝融盐电解法，在铝电解 过程中，具有很大侵蚀性的高温冰晶石溶液直接同电极接触。在各种材料中，能 够抵抗侵蚀性并具有良好导电性、价格低廉的唯有炭素材料。因此历来铝工业普 遍采用炭阳极和炭阴极。直流电流通入电解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应， 阴极上的电解产物为铝液，阳极上的电解产物为c o 和c 0 2 气体，每生产1 吨铝 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 一般要消耗4 0 0 - 4 5 0 k g 的阳极。郑州轻金属研究酣9 】通过十几年的检测发现， 电流效率低于8 4 的病槽，有8 0 是因为阳极工作不正常所致。因此，在铝工 业行业，炭素阳极有电解槽心脏部件的美称。 我国的电解铝工业以前滞后于西方国家，8 0 年代初，国家提出了“优先发展 铝”的方针，极大的促进了电解铝工业的发展【l0 1 。从2 0 0 0 年起，我国电解铝生产 年增加量连续多年居世界第一，2 0 0 7 年创造年增加量3 2 1 万吨的世界纪录。2 0 0 8 年受世界金融危机的影响，电解铝产量从预期的1 4 5 0 万吨降到1 3 3 6 万吨。我国 在2 0 0 5 年已经淘汰落后的自焙槽炼铝技术，电解铝生产全部采用预焙炭阳极。 随着电解铝的快速发展，炭阳极发展迅猛。表1 1 列出了近年来我国铝用炭阳极 产量和需求量变化。 表1 - 1 近年来我国铝用炭阳极产量和需求量变化( 万吨) 近几年来随着2 8 0 k a 、3 2 0 k a 铝电解的成功研制与应用，我国铝电解工业技 术水平逐渐接近世界水平，但还存在一定的差距，主要表现在： 1 ) 厂家多，规模小，装备落后【l l , 1 2 。表1 2 列出了我国炭阳极厂产能规模 情况。生产铝用炭阳极的炭素厂有7 0 多家。小规模的生产将直接导致投资、生 产成本的大幅度提高，据统计，我国每吨原铝的平均经营成本高达1 4 9 8 美元， 高于国外铝厂的1 2 5 0 1 3 4 0 美元l l 引。 表1 - 2 我国炭阳极厂产能规模情况 2 ) 阳极焙烧技术滞后于铝电解技术，污染严重。国内的炭素厂普遍存在能 耗高、污染严重、生产能力低等缺点【1 4 】。随着铝电解技术的不断进步，我国的 铝生产已从原来的自焙电解过渡到现在的大规模的预焙电解，阳极的生产技术也 随之有了较快的发展。我国的阳极焙烧技术是在消化8 0 年代初引进的日本焙烧 技术的基础上发展起来的，二十多年来，国内的企业和科研单位在焙烧技术的研 2 中南大学硕上学位论文 第一章文献综述 究方面只是在焙烧炉燃料的选择、耐火材料等方面进行了少量的研究。最近几年， 国内企业通过引进的方式大力发展国内的阳极生产技术，但是由于知识产权保护 等原因的限制，国外往往只是提供了阳极生产的设备，并没有提供阳极焙烧的核 心技术。目前，国内的炭素设计院还没有制定统一的焙烧炉设计规范标准。 3 ) 产品标准和检测方法落后。我国铝用炭素阳极炭块的产品标准执行的是 y b 厂r 2 8 5 1 9 9 8 ，其物化性质见表1 3 。表1 - 4 为国外预焙阳极质量和我国测试 情况。 表1 - 3 我国现行炭阳极质量标准 表卜4 国外预焙阳极质量和我国测试情况。 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 从表3 和表4 可以看出，我国的阳极质量标准与国外相比，存在一定差距， 这不仅体现在物理化学性能上，也体现在测试方法上【1 2 】。我国现行的预焙阳极 检测方法及所用的设备与国际标准有较大不同，有相当一部分检测内容目前国内 尚无方法实现，此现象不利于铝用预焙阳极工业的发展，也直接影响着我国铝电 解工业的全面升级，影响着预焙铝电解槽生产的电流效率、电耗、阳极消耗指标。 1 2 阳极焙烧概述 1 2 1 焙烧原理 生产铝用炭素阳极的材料有石油焦、沥青焦、预焙阳极的残极以及少量的添 加剂，粘结剂为沥青( 含量根据干料配方和成型工艺而有所不同，一般为l6 1 8 ) 。生产阳极的工艺流程如图l 一1 所示。 残极石油焦沥青焦沥青 图1 - 1阳极生产工艺流程图 4 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 生阳极电阻很大，在常温下性脆不耐冲击和磨刷，而当加热到沥青软化点附 近时，又容易软化。因此需要按照一定的工艺条件进行焙烧，使沥青焦化，在骨 料之间形成焦炭网格，把所有炭粒粘结在一起，才能得到合乎要求的产品预焙 阳极【临1 8 】，在阳极炭块生产的整个工艺中，最重要的环节是焙烧。所谓焙烧，即 生阳极在填充料的保护下( 防止氧化及变形【1 9 1 ) 进行间接加热，使沥青炭化的 工艺过程。加热时间的长短根据产品品种、规格以及所采用的升温曲线确定，一 般需12 - , - , 2 3 天。整个焙烧过程可分为四个阶段【2 0 ，2 1 】： 1 ) 粘结剂软化及挥发份大量排出阶段。在2 0 0 以下粘结剂呈软化状态， 还没有发生显著的物理化学变化，挥发份排出量不大，从3 0 0 左右开始一直到 5 0 0 左右这一阶段挥发份大量排出。产品在2 0 0 c 之前，可以有较快的升温速 度，但是在2 0 0 之后必须将升温速度降低，控制挥发份的排出不要太剧烈，并 要使产品均匀加热，否则挥发份剧烈的排出及产品内温差过大，都会使产品产生 裂纹。 2 ) 粘结剂的焦化阶段。挥发份的大量排出和粘结剂的焦化，这两个阶段不 能截然分开。在5 0 0 之前，一方面大量排出挥发份，另一方面由于粘结剂的分 解与缩合反应而开始半焦化。在5 0 0 以后，虽然还有一定数量的挥发份排出， 但主要是不断提高焦化程度。从5 0 0 - - 8 0 0 左右，粘结剂的焦化作用基本完 成，粘结剂焦化后生产的沥青焦网格已把各种焦炭颗粒牢固的粘合在一起，产品 已经成为具有一定机械强度的整体。在粘结剂从半焦化到焦化作用不断深化的这 一阶段升温速度可以适当加快，但还不能太快。 3 ) 高温烧结阶段。生阳极焙烧到8 0 0 以后，粘结剂焦化作用基本完成。 为了使焦化过程更加完善，进一步提高产品的各项物理化学指标，还需要将焙烧 温度升高至1 0 0 0 - - 1 2 0 0 。此时升温速度可以加快一些而不致影响质量，并在 到达最高温度后还需要在最高温度下保持一段时间，使阳极温度达到设定的最终 温度并要保证料箱内阳极最大温差小于设定温差。 4 ) 冷却阶段。冷却阶段已不属于焙烧升温范围内，但冷却过程温度下降过 快，会引起产品的内外收缩不均而产生裂纹废品。从焙烧最高温度下降炉温时， 初始降温速度应控制在每小时5 0 以内，到8 0 0 以下可以任其自然冷却。一般 在4 0 0 时就可以出炉。 1 2 2 焙烧设备及工艺 炭素厂使用的焙烧炉有：环式焙烧炉，隧道窑及倒焰窑，车底式焙烧炉，回 转床式焙烧炉等多种。但是现代工业生产采用的炉子大多为环式焙烧炉。环式焙 烧炉分为带盖式和敞开式两种结构。带盖式环式炉多用在生产石墨电极，敞开式 5 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 焙烧炉多用于生产铝工业的炭阳极。环式焙烧炉是一种能移动燃烧区的连续运转 炉。图1 2 为阳极焙烧炉结构示意图。环式焙烧炉一般由若干个结构相同的焙烧 室组成，每个焙烧室由多个装料箱组成，生阳极分层堆放( 一般为立装) 在料箱 中，在阳极与阳极之间、阳极与火道墙之间、阳极上下部均用石油焦作为填充料。 由2 4 - - - 3 8 个焙烧室组成的环式焙烧炉通常分为2 个加热系统进行生产，由1 6 - - 2 0 个焙烧室组成的中型环式焙烧炉通常以1 个加热系统进行生产。敞开式焙烧 炉是我国生产铝用阳极的主要炉型，其优点为【2 2 】： 1 ) 产能大且质量好： 2 ) 炉子结构简单，实现了装出炉机械化操作，生产效率高； 3 ) 阳极在预热过程中，一部分挥发份可在火道中燃烧，节省燃料； 4 ) 炉内作为传热介质的填充料基本不被氧化； 5 ) 结焦少，改善劳动条件； 6 ) 一次性投资小且维修方便。 图卜2阳极焙烧炉示意图 阳极焙烧炉的每个火焰系统由1 5 - - - 1 9 个炉室组成，分为预热段、加热段、 冷却段和工作段。各段的划分根据炉面设备位置确定，这些炉面设备包括：冷却 架、鼓风架、燃烧架和排烟架。图1 3 为环式焙烧炉单个火焰运转系统示意图。 每个火焰系统对1 7 个炉室进行加热，炉室的分配为：3 个预热炉室、3 个加热炉 室、4 个冷却炉室( 空气预热段) 、3 个强制冷却炉室、3 个出料炉室、1 个维修 炉室。每个火焰系统包括：1 个排烟架、1 个测温测压架、3 个燃烧架、1 个零压 架、1 个冷却架。每个炉室由9 个火道、8 个料箱呈交替状分布，每个料箱中放 置2 1 块阳极( 三层，每层七块) 。焙烧炉正常运行时，燃料按照设定的升温曲线 对炭块进行预热、焙烧、冷却，每隔一个火焰循环时间，燃烧架、鼓风架和排烟 架同时向前移动一个炉室，相应有一个炉室进入预热段、一个炉室进入加热段， 6 中南人学硕士学位论文第一章文献综述 如此环式运转。 冷却架的主要功能是通过冷空气降低炉室和火道墙的温度，每个冷却架配备 的风机数目与焙烧炉火道数相等。 鼓风架的主要任务是向火道提供燃烧所需要的空气。空气在进入加热段的火 道之前，经过了预热段的预热，空气的温度得到了提高1 2 3 l 。鼓风架至燃烧架之 间的炉室称为自然冷却区。鼓风架还有一部分冷风进入强制冷却区。 零压架布置在自然冷却区，用来测量零压点。每个火道设置一个测点，以此 测量值为依据调节每个火道的进口风压和出口压力。 测温测压架放置于预热区。该区域利用加热段的高温烟气对生阳极进行预 热。测温测压架与排烟架处于同一炉室，每个火道有一个测点，用来测定低温区 的负压和温度，通过调节排烟架电动翻板开度来调节测温测压架处的负压。 排烟架用来收集各个火道排除的烟气，并送往环形烟道中。排烟架在支管上 为每个火道分别设置一个电动翻板，以控制火道内的温度分布和升温速率。 火焰方自 矿絮f 帑脯篥一w冷萄 ”i ii 1 1 1 1i l i l l ii m ii li iiiil ii l p2 p3 p四卯诬7 p8 p孵l 凹i i pl 凹l 靶l 堙l 妤1 6 p1 7 p 预热段加热段 冷却段 冷帮段出豺殴啦謦段 ，舟加j 蓝妫e 硅、 图卜3 焙烧炉单个火焰系统运转示意图 1 3 焙烧工艺对预焙阳极的影响 从焙烧工艺的角度分析，阳极焙烧过程中主要的考察指标包括：升温速度、 焙烧温度、阳极炭块温差、冷却速度。 1 3 1 升温速度 升温速度对生阳极中的粘结剂的析焦量及其成焦的密度有很大的影响。升温 速度慢时，沥青有足够的时间进行分解和聚合反应，析焦量增多，成焦的密度增 大，这样便可以提高制品的密度和机械性能，焙烧体系中温度场较均匀，防止制 品在焙烧过程中产生裂纹，但较慢的升温速率会延长焙烧周期，增加单位能耗。 当升温速度较快时，沥青中大量的有机分子来不及发生分解和聚合反应，使沥青 的析焦量减小。一般来说，阳极焙烧过程中允许的最大升温速度为1 0 - 一1 4 h 2 4 1 。 7 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 2 最高焙烧温度 最高焙烧温度是表示阳极受热处理程度大小的重要指标，它对阳极的机械强 度、孔隙度、比电阻、反电动势、气体侵蚀速率及电解单耗等一系列物理、化学 性能都有重要的影响。 1 3 2 1 最高焙烧温度对空隙率的影响 随着最高焙烧温度的提高，阳极内部的孔隙度增大。焙烧过程中，在9 0 0 。c 以上的生阳极，已经不再排出挥发物，焦化过程也基本完成，阳极在宏观上已不 再收缩。这时孔隙度的增大主要是因为，由沥青生成的焦炭颗粒的密集程度和结 构排列的规整化程度，随温度的升高而提高的缘故。 1 3 2 2 最高焙烧温度对比电阻的影响 由于生坯中焦炭颗粒之间存在着几乎不导电的沥青质粘结剂，故生坯的比电 阻很大。当焙烧温度超过8 0 0 以后，沥青的焦化过程已基本结束，炭块比电阻 显著下降，达到1 0 2 q e m 左右。进一步提高焙烧温度，会使焦炭的分子结构排 列更加规整化，因此其比电阻会进一步下降。 1 3 2 3 最高焙烧温度对抗压强度的影响 预焙阳极的抗压强度受很多因素的控制。生阳极的抗压强度较高，但在受热 以后，随着沥青焦的缓慢熔化及挥发份的排出，抗压强度会降低，至3 0 0 - 4 0 0 。c 时降到最低，之后随温度的进一步升高，抗压强度又有所提高，但到9 0 0 。c 以 后，抗压强度随温度的升高而呈下降趋势，此时的抗压强度均大于生阳极。 1 3 2 4 最高焙烧温度对阳极电解消耗的影响 实际消耗量对理论耗量的百分比即为预焙阳极的电解消耗量。随着焙烧温度 的提高，阳极的电解消耗量将降低。据资料统计显示，当焙烧温度从9 0 0 。c 升高 至1 0 0 0 。c 时，电解消耗量约降低7 左右。 1 3 2 5 最高焙烧温度对阳极被空气氧化速度的影响 随着焙烧温度的升高，阳极的化学稳定性增加，因此，焙烧温度越高，阳极 被空气氧化速率越低。在焙烧温度为9 0 0 1 2 7 0 范围内，随着焙烧温度升高， 阳极被空气氧化速率降低。当温度升高到1 2 7 0 ( 2 时，被空气氧化速率仅是9 0 0 时的二分之一左右。 从以上的分析可以知道，绝对理想的焙烧温度是不存在的，对于各种不同的 阳极炭块，焙烧温度根据各型号的炭块的形状、原料等因素而定。一般最终焙烧 温度为1 0 5 0 1 2 0 0 嵋副。 8 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 3 炭块温差 阳极在焙烧过程中所需要的主要热量是由燃料在火道中燃烧提供，降低阳极 炭块中温差可通过优化火道中隔强、拉砖的位置来实现。另一方面，火道内较长 的火焰保持时间和较高的火道温度也会降低炭块中的温差。一般料箱中阳极炭块 中的温差控制在1 0 0 c 以内【1 3 1 。 1 3 4 冷却速度 当生阳极按规定的升温速度加热到最高焙烧温度以后，还要对冷却速度进行 控制。冷却速度和升温速度同样影响阳极中的温度分布，如果冷却速度过快，将 会使制品内外的温差过大，产生较大的热应力而导致制品产生裂纹，反之，则会 降低焙烧炉的产能。 在冷却过程中，阳极的热应力沿着中心到表面的方向逐渐增加，而且热应力 还会随着出炉温度的升高而增加。为了保证阳极焙烧后的质量，一般要求冷却速 度慢，出炉温度低。 1 4 炭阳极焙烧技术发展及研究现状 1 4 1 国外阳极焙烧技术研究现状 当代社会的发展对原铝的需求飞速增长，而电解法是批量生产原铝最主要的 方法，现代铝工业对阳极炭块的需求量很大。国外的学者开展阳极焙烧技术的研 究较早，开始于上个世纪六、七十年代。近几年，随着法国5 0 0 k a 特大型电解 槽的投入运行，国外的阳极焙烧技术有了很大的发展，法国a p 公司和瑞士铝业 公司的敞开式焙烧炉技术、法国s a t r a m 公司及瑞士r & d 公司的燃烧装置和 控制系统代表了国际上阳极生产的最先进水平1 2 2 , 2 6 。表1 5 列出了国外几家有代 表性的焙烧炉的主要工艺技术性能。 表1 - 5国外几家有代表性的焙烧炉的主要工艺技抽 生能 。 法国彼施涅铝罗马尼亚拉提南斯拉夫铁美国雷诺国德国里德哈日本轻金属 “ 业公司那铝厂托格勒铝厂际公司默式炉公司 嚣 7 2 室，4 系统3 8 室，2 系统5 2 室，3 系统8 。室，5 系统3 6 室，3 系统3 2 室，2 系统 焙烧伟4 i 晶1 4 1 0 1 0 1 0 x7 4 0 x 4 7 0 7 5 0 5 5 0 1 3 0 0 8 0 0 x1 2 0 0 7 8 0 x5 2 2 4 7 5 x 规格m m 5 2 4 5 3 05 2 05 6 05 8 03 3 8 0 絮6 67558 9 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 料箱尺寸4 6 9 0 x 6 5 4 m m6 8 3 每擎炉 8 0 勤 一 燃料种类重油 年产量t1 3 4 0 0 0 号竺热芋 3 3 0 g j f 1 。 3 8 8 0 6 0 3 3 9 0 0 x 6 4 0 3 8 0 0 1 0 0 0 9 5 0 6 2 天然气 3 0 0 0 0 7 3 0 4 0 0 0 7 0 重油 6 0 0 0 0 4 6 0 x 4 5 6 0 8 0 重油 1 2 0 0 0 0 2 3 0 1 7 5 0 x7 5 0 x 3 8 4 4 3 8 重油 1 2 0 0 0 3 6 0 由于国外对阳极焙烧炉的研究开展的比较早，目前已经对焙烧炉所涉及的许 多方面形成了系统的研究【2 7 1 。加拿大铝业公司针对本公司的两台敞开式环式焙 烧炉，在减少外部空气渗透方面开展了研究工作，研制了一种炉盖用在最后一个 预热室上，测试表明预热室漏风量减少了近9 0 。非洲加纳芙尔塔铝业有限公司 在燃烧火焰上做了新的尝试，改变原来的顺流火焰为逆流火焰，烟道温度分布变 得均匀而能耗在原有基础上降低了1 9 。美国国家南方线材铝业公司对阳极焙烧 炉的燃烧器进行了改进，把先前用喷嘴把燃料射入炉内的燃烧器改用了“高速燃 烧器 ，烟道墙上的温度场分布较均匀，没有过热部位，操作系统变得简单。澳 大利亚联邦铝业公司在节省油耗方面做了大量的研究，使用乳化燃料代替传统的 燃料，燃料改用乳化油后，火井内的火焰温度峰值降低，热场更加均匀。国外的 学者