（工程热物理专业论文）阳极焙烧炉综合测试及炉内温度场的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gt h e n n o p h y s i c s t h es y n t h e t i ct e s to na n o d e b a k i n g f u r n a c e a n dt h es t u d yo nt e m p e r a t u r ef i e l di nt h e b a k i n g f u r n a c e b yw r a n gc h e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nw | e n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t v j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：王& 日 期：d 夕7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 签字日期： 原书无此页 不缺内容 东北大学硕士学位论文摘要 阳极焙烧炉综合测试及炉内温度场的研究 摘要 焙烧是电解铝工业生产预焙阳极的重要工序。预焙阳极的质量决定了电解铝生产 的产品质量、电流效率、能耗及环保质量，所以改善阳极焙烧质量是目前电解铝工业 研究的重要课题。焙烧炉炉内温度的均匀性、合理的升温曲线及最终焙烧温度都是影 响阳极焙烧质量的重要因素，因此对焙烧炉炉内温度场及升温制度的研究是十分必要 的。 本文通过对青海某铝厂焙烧炉进行综合测试，获得该焙烧炉在一个生产周期内所 有热工参数及运行参数，通过对测试数据的处理，分析当前焙烧炉工作状况，并发现 炉体运行中出现的问题。 本文依据测试结果采用f l u e n t 软件对焙烧炉的工作状况进行数值模拟，并利用 测试结果对模拟结果进行校核修正。通过模拟结果分析现有焙烧设备的运行状况、炉 内焙烧制品的升温状况以及炉内温度分布状况，从而提出有效的改进方案提高焙烧制 品的质量。 本次研究工作主要包括以下几个方面： 1 ) 对焙烧炉进行全面、系统的热平衡测试及温度分布测试，通过对测试结果的分 析不仅能反映出焙烧炉耗能情况，还能反映炉内升温及温度分布状况，为提出改进方 案提供依据； 2 ) 根据测试结果对焙烧炉火道进行三维稳态模拟，分析焙烧炉加热炉室内火道温 度场及流场分布，结合炉体结构特点及烟气流动特点提出优化方案，并比较优化前后 火道温度场的变化； 3 ) 根据测试结果对焙烧炉料箱进行二维非稳态模拟，分析焙烧炉料箱在预热及加 热阶段的升温情况以及料箱内温度场的变化情况。 关键词：阳极，焙烧炉，综合测试，数值模拟，温度场 一i i i 原书无此页 不缺内容 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h es 灿e t i ct e s to na n o d e b a k i n gf u m a c ea n dt h es t l l d yo n t b n l p e r a t l l r ef i e l di nt h eba k i n gf u m a c e a b s t r a c t b a l ( i n gi sai m p o r t a l l tp r o c e s st op r o d u c ep r e b a k e da n o d ei na l u m i n u me l e c t m l y s i s i n d u s t i y t h eq u a l i t yo fp r e b a k e da 1 1 0 d eh a sa 铲e a te 虢c to np r o d u c t s q u a l i t y ，c u r r e n t e 伍c i e n c y ，e n e 玛y1 0 s sa n de n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n ，w h i c hm a k e sm ei m p r o v e m e n ti n a n o d eb a k i n gas i g l l i f i c a i l ti s s u ei na l u m i n 啪 e l e c 们l y s i si n d u s t h o m o g e n e o u s t e m p e r a t u r ed i s t m u t i o n ，黟e a tb a l ( i n gc u r v ea n ds o a k i n gt e m p e r a 衄。ea r ea l lk e yf a c t o r si n a n o d eb a k i n g ，s oi t sn e c e s s a r yt om a k ear e s e a r c ho nt 锄p e r a t u r ef i e l da 1 1 dh e a t i n gc l l r v eo f b a k i n g 如m a c e t h ea u m o rg e t sa 1 1w o r k i n gp a r 锄e t e r si no n e 矗r i n gp e r i o db y 向1 l yt e s t i n go nt 1 1 e b a k i n g 如m a c eo fq i n g h a ia l u m i n u mi n d u s t r y ，t h e nf i n dt h ep r o b l e m so ft h e 允m a c e ， a c c o r d i n gt oa n a l y s i so ft e s t i n gr e s u l t s t h i st h e s i su t i l i z e sf l u e n tt os i m u l a t et h ew o r k i n gc o n d i t i o n si nb a k i n g 如m a c e ，a n d m a k e sc h e c ko ns i m u l a t i o nr e s u l t sw i m t e s t i n gr e s u l t s m a k ee f f c c t i v ep l a n st oi m p r o v em e q u a l i t yo fb a l 【i n gp r o d u c t s ，a c c o r d i n gt ot h em o d e l i n gr e s u l t so fw o r k i n gc o n d i t i o n sa n d t e m p e r a t l l r ed i s t r i b u t i o n t h i sr e s e a r c hm a i n l yi r o l v e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 )m a k ea 如1 la i l ds y s t e m a t i cm e a s u r e m e n tt ob a k i n g 如m a c e ，a u t h o rc a nn o to n l y m a k eo u tt h ee 伍c i e n c yo fu t i l i z i n g e n e 曙yb yb a k i n g 鼬m a c e ，b u ta l s o r e a l i z em e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dh e a t i n gc o n d i t i o n s ， w h i c ha r eb a s i so fi m p r o v e m e n t ； 2 )m a l ( et h r e ed i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t es i i n u l a t i o nt ot h ef l u eo fb a k i n g 觚l a c e a c c o r d i n gt ot h em o d e l i n gr e s u l t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ff l u es t n l c t u r e ，a u t h o rm a k e st h e o p t i m u mp l a n 。c o m p a r et h eo n g i n a lt e m p e r a t u r ed i s t n b u t i o nw i t ho p t i m i z a t i o n 3 ) m a k et w od i m e n s i o n a lu n s t e a d y - s t a t es i m u l a t i o nt ot h ep i to fb a k i n g 如m a c e a n a l y z et h eh e a t i n gc o n d i t i o n sa n dt e n l p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sv a r i a t i o n so fp i ti nt h e p r e h e a t i n ga n dh e a t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：a n o d e ，b a k i n g 如m a c e ，s y l l t h e t i ct e s t ，n u m 嘶c a ls i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d v 原书无此页 不缺内容 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录v i i 第一章绪论1 1 1 我国电解铝工业发展概况1 1 2 影响预焙阳极质量的因素2 1 2 1 焙烧工艺制度对焙烧制品质量的影响2 1 2 2 焙烧设备对焙烧制品质量的影响3 1 3 本文研究内容6 第二章阳极焙烧炉热工综合测试7 2 1 测试目的7 2 2 测试对象及测试时间7 2 3 测试基准与原则7 2 4 测试内容一9 2 5 火道及料箱内的温度测定9 2 5 1 测试内容9 2 5 2 测温点的布置9 2 5 3 测试结果与分析1l 2 6 炉体表面温度2 0 2 6 1 1 6 p 炉室炉顶各部分平均表面温度及风速2 0 2 6 21 6 p 炉室侧墙表面平均温度及风速2 0 2 7 火道内的压力测试2 2 2 7 1 测定的内容和方法2 2 2 7 2 测压点的位置2 2 v i i 东北大学硕士学位论文目录 2 7 3 测定的结果和分析2 2 2 8 火道内烟气成分的测定2 8 2 8 1 测定的内容和方法2 8 2 8 2 测点的位置2 9 2 8 3 各炉室烟气成分的测定结果2 9 2 9 本章小结3 2 第三章焙烧炉的数值模拟3 5 3 1c f d 和f 1 u e n t 软件的概述3 5 3 1 1c f d 概述3 5 3 1 2f l u e n t 概j 苤3 6 3 2 物理模型及数学模型3 7 3 2 1 物理模型3 7 3 2 2 数学模型3 8 3 3 阳极焙烧炉火道三维稳态模拟4 3 3 3 1 火道模型网格划分4 4 3 3 2 边界条件及材料属性。4 4 3 3 3 模拟结果与分析4 5 3 3 4 模拟结果与实测数据比较4 7 3 3 5 改进方案4 7 3 4 阳极焙烧炉料箱二维非稳态模拟4 9 3 4 1 模型的建立4 9 3 4 2 边界条件和材料属性5 0 3 4 3 模拟结果与分析5 0 3 5 本章小结5 2 第四章总结与展望5 3 4 1 全文总结5 3 4 2 展望5 4 致谢5 5 参考文献5 7 v i i i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国电解铝工业发展概况 随着科技的进步，电解铝的需求和产量得到了很大的提高，有色金属行业对铝工 业的研究也日益活跃。我国在九十年代初期电解铝的年产量仅有9 0 万吨左右，而在 2 0 0 8 年中国原铝产量提高至1 3 1 7 万吨。1 9 9 5 年和1 9 9 6 年连续两年按铝产量排名，我 国在美国、俄罗斯、加拿大之后，排名第四。近年来，随着国内2 8 0 k a 3 2 0 k a 等大 容量预焙电解槽的相继投产【l 】，我国电解铝的年产量在国际排名己超过美国和俄罗斯， 列世界第一位。如表1 1 所示，我国己经迈入世界电解铝生产的大国行列，并且铝工 业已经成为有色行业的支柱产业。但是，与发达国家的铝电解生产企业相比较，我国 电解铝工业的整体技术水平和生产指标与国际水平的差距仍然很大，尤其是在提高铝 用炭素制品的质量、提高生产效率和降低能源消耗方面还需要更深入的研究。 表1 12 0 0 8 年全球原铝产量 t a b l e1 1g l o b a lp r o d u c t i o no fa l u m i n u mi n2 0 0 8 东北大学硕士学位论文第一章绪论 预焙阳极被称为是电解槽的“心脏”，它在电解过程中有两个作用：一是导电作用， 二是参与化学反应。另外，炭耗在铝电解的成本中仅次于电耗和氧化铝消耗，约占整 个成本的1 5 左右，如果阳极质量不佳，此比例可上升至2 5 列2 1 ，所以提高阳极质量 对电解铝厂降低生产成本、提高经济效益有着很大的意义。因此，生产质量均匀、性 能优异的预焙阳极成为目前国内电解铝企业必须攻克的重大技术难关。 1 2 影响预焙阳极质量的因素 焙烧是预焙阳极生产中的重要工序，其工艺制度和生产设备对预焙阳极的质量起 着决定性作用。 1 2 1 焙烧工艺制度对焙烧制品质量的影响 依据黏结剂在焙烧过程中的物理化学变化规律制定合理的焙烧温度曲线，并通过 试验及理论依据确定最终焙烧温度，两者对焙烧制品的质量有着很大的影响。焙烧就 是炭生坯中煤沥青炭化形成黏结焦的过程，因此应根据黏结剂煤沥青在焙烧过程中发 生的物理化学变化制定焙烧曲线。弄清煤沥青在焙烧过程中的变化规律，对于合理地 制定焙烧曲线至关重要。一般来说，低温软化阶段升温速率要快，中温挥发分大量排 出阶段升温速率要放慢，高温阶段可适当加快速率，这样有助于提高焙烧制品的质量 和成品率【3 1 。不同的最终焙烧温度对制品的理化性能有着重要的影响，要获取具有最 佳理化性能的阳极制品，对焙烧终了温度的控制是非常关键的。中铝青海分公司多年 来经大量实验总结出最终焙烧温度设置在1 1 0 0 是比较合理的。当制品温度达到1 1 0 0 时，阳极比电阻降至最低值，其强度基本保持稳定，黏结焦的焙烧程度接近骨料煅 烧的程度，使阳极二氧化碳反应消耗率迅速降低，而这一指标的降低对减少阳极在电 解过程中掉渣、氧化，保证正常的电解生产，降低阳极消耗有着非常重要的意义。当 制品温度提高到1 2 0 0 时，高温使黏结剂进一步收缩以致产生裂纹，导致阳极强度下 降，烧损量增多，导电性受裂纹影响也有下降的趋势，这从图1 1 和图1 2 可以清楚 地看到，这说明过高的焙烧终了温度对阳极质量没有任何帮助。当制品温度提高到 1 2 0 0 或1 2 0 0 以上时，火道温度将会达到1 2 5 0 一1 3 0 0 以上，过高的焙烧温度并 不能改善阳极理化性能，只能加速焙烧炉火道墙的烧损，缩短炉体使用寿命，同时也 大大增加了能源消耗。因此合理的最终焙烧温度既缩短了达到终温的时间，增加了保 温时间，提高了制品的质量，同时也大大地减少了能源消耗，避免了火道过烧，延长 东北大学硕士学位论文第一章绪论 了焙烧炉的寿命【4 1 。 图1 1 焙烧温度与烧损率关系图 f i g 1 1t h er e l a t i o nd i a 铲a mo fb a k i n gt e m p e r a t u r ea i l dt h er a t eo fb u m i n gl o s s 图1 2 焙烧温度与电阻关系图 f 蟾1 27 r h er e l a t i o nd i a 铲a mo fb a k i n gt e m p e r a t l l r ea n dr e s i s t i t y 1 2 2 焙烧设备对焙烧制品质量的影响 焙烧炉是焙烧工序的主体设备，其结构的合理性决定了焙烧制品的质量。目前生 产预焙阳极的主要炉型为敞开式环式焙烧炉。炉体由多个结构相同的炉室组成，每个 炉室由n 个料箱及n + 1 个火道组成。炉室结构如图1 3 所示，生阳极被逐层放置在料 箱内，每层阳极炭块之间、阳极与料箱之间全部由填充焦填充作为保护介质。火道是 燃料燃烧区，燃烧放出的热量通过火道墙传给两侧的料箱，完成对料箱内阳极的间接 加热。 目前，我国的炭素设计院还没有制订出统一的焙烧炉设计规范标准，对焙烧炉的 设计只能是模仿设计或依经验而为，很难做到因时、因地、因量进行科学合理的设计。 一2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 因此，国内的焙烧炉普遍存在着能耗高、焙烧质量差、生产能力低、污染大等缺点， 焙烧炉的能耗往往是国外同类炉型的1 5 5 2 5 7 倍【5 1 。质量差的阳极在电解过程中容易 出现局部过热、电流分布不均、阳极掉块、掉渣等现象，大大降低了电流效率，加大 了铝生产成本。据统计，因阳极质量差而造成的损失为阳极额外消耗量费用的3 1 2 倍， 对于一个年产量为2 5 万吨的电解铝厂，因阳极质量问题带来的总损失可达5 0 0 0 万美 元 6 1 。 图1 3 焙烧炉炉室结构图 f i g 1 3t h es t n l c n l r eo fb a k i n g 如m a c es e c t i o n 焙烧炉内温度均匀性受火道内温度场影响很大，因此国内外学者一直致力于对火 道内温度分布的研究。s t e v e n s o n 最早应用p h o e n i c s 程序对敞开式焙烧炉的三维火 道结构进行了优化模拟，考察了不同隔墙、拉砖的布置对流场以及火道压降情况进行 了模拟优化【7 1 ；之后，b u i 等人应用同样的p h o e n i c s 程序对炉盖下的热量传递情况 进行了模拟验证 8 】，并对r i e d h 锄m e r 炉的单炉室进行了设计优化9 】；k o c a e f e 应用 c f d s f l o w 3 d 程序对火道内燃料燃烧与料箱传热模型进行耦合计算，模拟了三个炉 室内的流动、燃烧与传热状况，并给出了料箱在不同时刻的温度分布情况【1 0 】。从火道 结构模型的模拟情况来看，目前所进行的工作主要侧重于两个方面：一方面是只模拟 火道内的稳态流场分布，考察不同火道结构的流场变化，实现焙烧炉火道结构的优化 设计；另一方面是将燃烧室的气体流动、燃料燃烧以及料箱的传热进行耦合，模拟整 个焙烧过程。 火道的设计对焙烧炉两大指标有着重大影响，分别是耐火材料消耗和燃料消耗。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 从7 0 年代到9 0 年代人们不断致力于火道结构的改进，并取得了优异的成绩。而传统 的改进方法是在火道内安装挡板来减少折流板后部及拐角处产生的回流，使气流能均 匀流过火道，达到火道内温度分布一致的目的，并且人们通过数值模拟结果进一步改 进挡板的位置使得温度分布更加均匀。这些改进取得的成效也是显著的，火道墙的寿 命从7 0 年代的5 0 个火焰周期提高到目前的1 5 0 个火焰周期。而人们对火道结构设计 的研究从未停止过。1 9 9 9 年m a g a l ig e n d r e 等人突破了传统的三折流板火道的设计理 念，将火道内的折流板全部替换成挡板【1 1 】，如图1 4 所示。 图1 4 新型火道墙的流动形式 f i g 1 4f 1 0 wp a t t e mo fan e wg e n e r a t i o nn u e w a l l 这种火道结构设计与传统三折流板的火道有着很大的区别，气流流动更趋于水平， 通过这种火道结构设计希望能达到以下目的： 1 ) 极大地减少压力损失； 2 ) 减小火道墙内的温度梯度； 3 ) 更高的机械抗震性； 4 1 通过用拉砖替代折流板来减少火道墙的总重量。 而这一理念需要通过工业实验来证实，于是1 9 9 9 年首次在法国s t - j e a nd e m a u r i e n n e 焙烧炉上采用此火道结构，将3 段火道替换成图1 4 所示的结构。通过对实 验火道的观察没有发现任何墙体损坏的迹象，并且在完成4 4 个加热循环后，火道墙基 本保持原貌。从此以后这种结构设计不断被各个公司所采纳。0 3 年澳大利亚t o m a g o s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 公司在新建的阳极焙烧炉上砌筑了3 0 个实验火道，至0 6 年为止已经运行了5 5 个加热 循环，并没有出现损坏的迹象。与传统火道相比，这种设计极大降低了压力损失，而 生产的阳极质量和均匀性方面与传统焙烧制品相比并无差别。 1 3 本文研究内容 作为电解槽的阳极材料，炭阳极在生产期间直接参与氧化铝的电化学反应，是铝 电解生产中最重要的辅助材料之一，阳极质量的好坏直接影响电解铝的电耗、铝电解 槽的平稳运行、原铝的质量等重要指标。在生产中，许多因素都会影响到阳极的焙烧 质量，除原料因素外，焙烧炉炉内温度的均匀性、升温曲线的合理性以及最终焙烧温 度等运行参数对阳极的焙烧质量都起着关键性的作用。由于焙烧炉是一种高温设备， 即使是设计和施工良好的焙烧炉，经过一段时间的运行后，其使用性能也会发生一些 较大的变化，如能耗增大，焙烧阳极质量降低等，除加强维护和检修外，必须适时地 有针对性的对炉子的操作参数和结构参数进行调整或改进，才能使焙烧炉维持在较高 的运行水平上。热工参数和运行参数的测试对于了解焙烧炉的运行状况，及时地调整 操作参数具有重要的应用价值，同时也能为焙烧炉的改造提供依据。焙烧炉结构复杂， 炉体庞大，运行参数繁多，并且在加热段炉内温度较高，这都增加了测试工作的难度 和复杂程度。目前国内对热工参数和运行参数进行过综合性热工测试的焙烧炉很少， 绝大多数焙烧炉操作参数的调整往往仅凭经验，同时由于缺乏来自现场的第一手测试 资料的支撑，使焙烧炉的设计水平止步不前，很难在结构优化方面进行有针对性的改 进。 以上这些正是本文立题的重要依据，基于这些问题本文从以下两个方面入手： 1 ) 对青海某铝厂焙烧炉进行综合测试，获取该炉在正常工作状态下的热工参数及 运行参数，通过分析测试结果对焙烧炉整体工作状况进行评估； 2 ) 以测试数据为基础对焙烧炉火道及料箱进行数值模拟，并通过测试数据对模拟 结果进行校核，反复修正模拟结果，通过分析模拟结果，对炉内温度场进行研究，最 终得出改进方案。 东北大学硕士学位论文第二章阳极焙烧炉热工综合测试 第二章阳极焙烧炉热工综合测试 2 1 测试目的 1 ) 获得3 6 室阳极焙烧炉在正常工作状态下的主要热工参数，对该焙烧炉进行热 量平衡计算，编制相应的热量收支平衡表，为确定阳极焙烧炉的能耗、提高热效率并 为焙烧炉的最佳设计及热工控制策略的拟定提供科学依据； 2 ) 测量料箱内阳极的升温过程以及料箱内的温度分布，掌握焙烧炉焙烧过程的工 艺控制情况，为模拟料箱升温过程提供建模及检验依据； 3 ) 测量焙烧炉火道中的温度分布及燃烧产物的浓度分布，了解挥发分参与燃烧的 情况和空气渗漏情况，为模拟火道燃烧过程提供建模及检验依据。 2 2 测试对象及测试时间 本次热工测试的对象为青海某铝厂3 6 室敞开式环式阳极焙烧炉，其结构和性能如 表2 1 所示。热工测试时间从0 8 年7 月2 3 日8 ：o o 到0 8 年8 月2 日1 6 ：0 0 ，共计 2 4 8 小时。 2 3 测试基准与原则 基准期及基准数据的确定【1 2 】： 1 ) 基准期的确定原则：选择热工测试前的1 个月为基准期。要求基准期内焙烧炉 操作基本稳定，且无重大设备和操作事故。 2 ) 基准数据的选择：焙烧炉热工测试基准期期间的有关数据为基准数据；环境基 准温度为焙烧炉正常运行的平均环境温度。 热工测试期的选择原则：要求在焙烧炉稳定操作期，即在被测定时间内的运行炉 室必须生产同一种规格产品，常规技术指标( 真密度、电阻率、耐压强度、实收率) 相 对稳定，焙烧炉室的装炉量必须符合工艺规定，各炉室运行工艺控制温度要达到或接 近产品生产工艺焙烧曲线，运行稳定，工况良好，无重大操作事故的时期进行测定。 东北大学硕士学位论文 第二章阳极焙烧炉热工综合测斌 表2 1 测试焙烧炉的结构性能表 7 i a b l e 2 1p e r f o r n l a n c eo ft e s t i n gb a k i n g 如m a c e 一8 东北大学硕士学位论文第二章阳极焙烧炉热工综合测试 热平衡测试周期与测试时间的确定：测试时，以火焰周期2 8 小时为一测量时间段， 即前一次燃烧架开始移动时到下一次该燃烧架移动时为一个热平衡测定周期。在一个 测定周期内，其他各参数均同时连续进行测定。 2 4 测试内容 本次热工综合测试内容如下： 1 ) 温度测试：阳极焙烧炉在正常工作状态下的火道及料箱内温度的测定，炉体表 面温度的测定； 2 ) 压力测试：阳极焙烧炉在正常工作状态下火道内沿长度和深度方向上烟气压力 的测定； 3 ) 烟气成分测试：阳极焙烧炉在正常工作状态下火道内烟气成分的测定。 2 5 火道及料箱内的温度测定 2 5 1 测试内容 选取第1 8 号炉室的边火道、与该边火道相邻的中问火道以及这两条火道之间的料 箱作为本次温度测试的对象。对火道、料箱中填充焦和阳极的升温和降温过程进行测 试，测定从预热段开始到冷却段结束整个焙烧过程火道和料箱中阳极温度的变化情况。 料箱中填充焦和阳极的温度测定采用埋偶法，火道内的温度测定采用点测法。其中料 箱中填充焦和阳极块温度数据的采集由计算机自动采集系统完成，电脑记录时间间隔 为一分钟，同时每隔一小时人工记录一次，火道中温度数据的采集采用人工记录方法， 记录时间间隔为两小时。 2 5 2 测温点的布置 火道和料箱中测温点的布置情况如图2 1 所示，测温元件和测温点的深度如表2 2 所示。其中测温点2 5 ，2 6 在阳极块中心线上，距阳极块的上端面3 0 0 m m ，距阳极块 前后和两个侧面的距离为2 8 0 m m ，在埋偶前，采用冲击钻在相应位置钻巾3 o i 】m 3 0 0 m m 的两个孔，插入热电偶后用填充焦填实。 表2 2 测温元件和测温点的深度 t a b l e 2 2d e v i c e sa n dl o c a t i o no fm e a s u r e i n e n t 编号测温元件测温点深度( m m ) 编号 测温元件测温点深度( m m ) k 型铠装 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型铠装 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型铠装 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型铠装 k 型刚玉保护管 k 型阚归三保护管 k 型铠装 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型铠装 1 7 k 型刚玉保护管 1 8 k 型刚玉保护管 1 9 k 型铠装 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型铠装 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型刚玉保护管 k 型铠装 k 型冈0 玉保护管 钨铼型刚玉保护管 k 型铠装 钨铼型冈0 玉保护管 k 型铠装 k 型铠装 k 型铠装 k 型铠装 k 型铠装 k 型铠装 2 0 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 8 0 0 8 0 0 8 0 0 4 5 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 4 5 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 4 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 4 5 0 0 。l o 加 殂 龙 筋 m 筋 拍 盔 劣 如 孔 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 眩 b h ：2 拓 东北大学硕士学位论文第二章阳极焙烧炉热工综合测试 2 号阳极块 图2 1 火道及料箱内温度测点的布置 f i g 2 1l o c a t i o no ft h e m o c o u p l ei nm en u ea n dp i t 2 5 3 测试结果与分析 2 5 3 1 料箱内填充焦的升温曲线 作为一种传热媒介，填充焦的温度分布对阳极块的温度分布具有决定性的影响。 其水平温差和垂直温差是焙烧炉的重要热工参数，也是衡量焙烧炉温度均匀性的一项 重要指标。由于实际测试点较多，下面仅列出具有代表性的测点的升温曲线。从图中 可以看出，在焙烧过程中的加热阶段，各测试点的温度都逐渐升高。其中在预热阶段， 其升温速率较小，而在有燃料供给的加热阶段，其升温速率较大。 升温时间h 图2 2 测点1 的升温曲线 f i g 2 2h e a t i n gc u eo fn o 1t e s t i n gp o i n t 东北大学硕士学位论文第二章阳极焙烧炉热工综合测斌 2 5 3 2 料箱内阳极的升温曲线 生阳极的焙烧过程，就是在焙烧炉中以规定的升温速度将生阳极加热到规定温度 的过程。在这个工艺过程中，需要控制好三个主要参数，即阳极的升温速度、阳极的 最终焙烧温度和阳极内部的水平及垂直温差。生阳极中一般含有1 4 1 7 左右的煤焦 油沥青，在焙烧过程中，煤焦油沥青会分解成挥发性物质从阳极中析出，从而使煤焦 油沥青炭化转化为粘结焦，最终把骨料颗粒连接成一个整体。阳极的升温速度一般遵 循“两头快，中间慢”的原则，这是由煤焦油沥青的物理特性和挥发分的析出特点决 定的，如果升温速度不合理，将会影响产品的质量，增大铝电解槽炭阳极的消耗，严 重的话还会造成阳极的报废。阳极的最终焙烧温度和阳极内部的水平、垂直温差也对 阳极的质量产生重要影响，一般要求阳极的最终焙烧温度在1 0 0 0 1 1 0 0 之间，温度 过高或过低都会对产品的质量不利，同时阳极内部的水平、垂直温差也应该尽可能的 小，这样才能保证整块阳极质量的均匀一致，以获得良好的使用性能。 从图2 3 、2 4 可以看出，在加热阶段初期，其升温速度很小。从装炉完毕开始预 热，到第一个火焰周期结束时，炉室2 5 号测点的温度从起始的9 8 升到了1 2 7 6 ， 升温速率仅为o 7 1 1 。2 6 号测点的温度从起始的1 0 7 5 升到了1 6 8 3 ，升温速率 也不过为1 8 m ，远低于可允许的最大升温速率。随后其升温速率逐渐增大，在第二 个火焰周期，2 5 号及2 6 号测点的升温速率分别增大到3 2 h 和6 3 m 。在第三个 火焰周期，2 5 号及2 6 号测点的升温速率又分别增大到6 9 l l 和9 3 m 。到第三个 火焰周期结束时，2 5 号及2 6 号测点的温度分别升高到了4 0 3 和5 9 4 。进入高温加 热阶段后，其升温速率进一步加快。在第四个火焰周期，炉室两端阳极块的升温速率 分别为1 0 3 1 1 和1 1 1 l l 。在第五个火焰周期，炉室两端阳极块的升温速率分别为 6 3 l l 和1 2 1 l l 。当焙烧时间达到1 5 0 h 时，2 6 号测点的温度达到了最大值1 0 4 8 8 ，2 5 号测点的温度也达到了9 4 5 3 ，在随后的焙烧过程中，2 6 号测点的温度开始 下降，而2 5 号的温度继续升高。当焙烧时间达到1 7 2 h 时，2 5 号测点的温度也达到了 最大值，但其温度仅为9 8 3 9 。在随后的焙烧过程中，2 5 号测点的温度也开始下降。 由此可以看出，在焙烧过程中，同一个料箱两端阳极块的升温速率和所能达到的最高 温度都存在较大的差异，在这种条件下，尽管生产出的产品质量都能合格，但其使用 性能必将存在一定的差异。 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章阳极焙烧炉热工综合测试 升温时间h 图2 3 测点2 5 的升温曲线 f i g 2 3h e a t i n gc u r v eo f n o 2 5t e s t i n gp o i n t 升温时间h 图2 4 测点2 6 的升温曲线 f i g 2 4h e a t i n gc u r v eo f n o 2 6t e s t i n gp o i n t 2 5 3 3 火道内测温点的升温曲线 在生阳极的焙烧过程中，阳极的升温和降温过程都是由料箱两侧火道内烟气的温 度变化所决定的。在加热过程中，火道中的烟气温度始终高于阳极的温度，热量通过 火道墙和填充焦由火道传向阳极。在冷却过程中，其温度则低于阳极块的温度，热量 通过火道墙和填充焦由阳极传向火道，并被流动着的空气不断带走，从而使火道中的 空气得到预热，而阳极的温度则逐渐降低。在焙烧炉中，火道内的温度是唯一可控制 的温度参数，因此对火道内的温度分布进行测定，对于了解焙烧炉的运转状况和工艺 13 东北大学硕士学位论文 第二章阳极焙烧炉热工综合测斌 执行情况具有重要的意义。 图2 5 为火道内3 4 号测温点的温度变化情况，在第一个火焰周期，火道内的升温 速率为7 9 6 1 1 ，温度由2 8 3 升到了4 5 7 ；在第二个火焰周期，升温速率逐渐增大， 平均为8 1 4 l l ，温度由4 5 7 升到了6 8 5 ；在第三个火焰周期，火道内的升温速率 继续增大到8 8 2 m ，温度由6 8 5 升到了9 3 2 ；进入高温加热阶段初期后，升温速 率降到了6 2 1 1 1 ，第四个火焰周期结束时，该处温度升到了1 1 0 6 ；焙烧1 3 4 h 时， 火道内的温度达到最高值1 1 7 2 ；进入高温保温阶段后，该处继续保持较高温度，直 到第六个火焰周期结束；随后以较大的速率开始降温，到第七个火焰周期结束时，该 处温度已经降到了9 2 0 ；第八个火焰周期结束时，该处温度降到了7 0 6 。 升温时间h 图2 5 测点3 4 的升温曲线 f i g 2 5h e a t i n gc u r v eo f n o 3 4t e s t i n gp o i n t 2 5 3 4 火道内实际温度变化曲线与工艺焙烧曲线的比较 焙烧曲线是焙烧炉进行升温操作的依据，在焙烧过程中要求严格执行。为了考察 该焙烧炉的工艺执行情况，特选出与焙烧曲线升温依据点相接近的2 9 和3 l 测点作为 重点考察对象，并将这些测温点处的温度曲线与工艺要求焙烧曲线进行了比较。图2 6 为焙烧过程中边火道中点2 9 、中间火道中点3 1 处实际温度曲线与理论焙烧曲线的比 较。从图中可以看出，该焙烧炉的工艺执行情况较好，测温点处的实际升温曲线与理 论焙烧曲线基本吻合。在预热阶段，实际升温曲线略低于理论升温曲线，实际升温速 率也小于理论升温速率。在第一个火焰周期结束时，二者之间具有最大的温差，约为 1 0 0 左右，在随后的升温过程中，差距逐渐缩小，到第三个火焰周期结束时，二者的 一14 东北大学硕士学位论文第二章阳极焙烧炉热工综合测试 温差缩小到了2 0 以内。 升温时l 司h 图2 6 边火道中点2 9 、中间火道中点3 1 处温度曲线与理论焙烧曲线的比较 f i g 2 6c o m p 撕s o no f b a k i n gc u n r eb e 附e t e s t i n gp o i n ta n dp r e - d e f i n e d 2 5 3 5 料箱及火道内温差 料箱和火道中的水平、垂直温差是焙烧炉控制的一项重要内容。料箱和火道内的 水平、垂直温差与炉子的内部结构、填充焦的理化性能指标和密实 升温时间 h 图2 7 沿料箱长度方向各测点的水平温差 f i g 2 7h o r i z o n t a l t e m p e r a t u r ed i 虢r e n c eb e t w e e nn o 17 、n o 2 0a n dn o 2 3t e s t i n gp o i n t 程度、燃烧器的排布形式，燃料种类以及控制方式等许多因素有关，因而在实际生产 中很难进行调节和控制。但开展这方面的测试研究工作，可以直观的了解该焙烧对物 1s 东北大学硕士学位论文 第二章阳极焙烧炉热工综合测试 料的加热情况，从而对其结构参数和操作参数的合理性进行评定，同时也能为结构参 数和操作参数的调整提供依据。图2 7 2 1 2 为料箱及火道内水平温差和垂直温差。 1 0 0 0 o 。8 0 0 6 0 0 蜊4 0 0 赠 2 0 0 4 0 p 3 0 j l 】j 2 0 赠l o 0 o 5 0l o o1 5 02 0 02 5 0 0 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 升温时间h 图2 8 沿料箱宽度方向测点的水平温差 f i g 2 8h o r i z o n t a lt e m p e r a t u r ed i 仃e r e n c eb e t w e e nn o 1 1a n dn o 14t e s t i n gp o i n t 升温时间 h 图2 9 料箱垂直方向的测点温差 f i g 2 9v e n i c a l t e m p e r a n l r ed i 疏r e n c eb e t w e e nn o 1 、n o 2a n dn o - 3t e s t i n gp o i n t 。1 6 o p _ 4 0 剿 赠8 0 1 2 0 8