阳极焙烧炉燃烧室的仿真与结构优化分析

1、第 19卷 第 1期 桂 林 工 学 院 学 报 Vol. 19No. 1 1999年 1月 JOURNAL OF GU IL IN INSTITU TE OF TECHNOLO GY Jan. 1999阳极焙烧炉燃烧室的仿真与结构优化分析 3 殷志云 李元峰 梅 炽(中南工业大学 长沙 410083 (中国长城铝业公司总计控室 (中南工业大学 摘 要 采用计算流体力学 、计算传热学和计算燃烧学的原理和模型 , 通过在 AL 2PHA250工作站上的编程计算 ,解析结果 , 借助数学模拟 , 提出了其结构优化方案关键词 阳极焙烧炉 ; 计算机仿真 ;分类号 TF055; . , 而温度分 温度

2、分布不均匀 , 则会降低阳极碳块焙烧质量 , 导致阳 极碳块结构不均和残存应力 , 在电解过程中会引起阳极电流分布不均和阳极压降升高 , 造成焙 烧断裂和电解掉渣 , 降低电流效率 , 直接影响铝产量。 因此 , 提高阳极质量和减少阳极焙烧过 程中的能量消耗是进行阳极焙烧炉研究的最重要的目的 , 而该目的的实现是通过减小燃烧室内 的温差来实现的。 目前 , 由于阳极焙烧现场情况极为复杂 , 很难全面观察和准确测量 , 而且要 进行大规模的现场实验也是不可能的。 于是 , 对阳极焙烧炉的燃烧室进行数值仿真和结构优化 研究就显得更加重要了。 本文的研究视角是克服传统方法中以 “ 宏观结构”与 “

3、宏观功能”的关系为主 , 转向 “宏 观功能”与 “ 微观机理”的结合 , 依据计算流体力学、 计算传热学、 计算燃烧学原理建立数学 模型 , 揭示出阳极焙烧炉燃烧室流场、 温度场和浓度场密切关联的耦合作用 , 为研究和模拟其 他的工业炉奠定较好的理论基础 , 这无疑对有色金属工业生产有着直接的指导意义。1 物理模型 焙烧阳极的设备有很多种。以环式焙烧炉为例 , 一种是带盖的环式炉 , 另一种是不带盖 (敞口 的环式炉。 敞口焙烧炉一般由 38或 54炉室组成 , 具有 38炉室的焙烧炉有 2个火焰系 统 , 具有 54炉室的焙烧炉有 3个火焰系统 , 甚至 4个火焰系统。 本文研究对象为敞口

4、阳极焙烧炉火道 , 图 1为某铝厂阳极车间焙烧炉一个焙烧炉室的单边 燃烧室剖面示意图。 该段火道尺寸长 宽 高为 3360mm 440mm 4000mm , 3个隔板尺 寸均为 110mm 440mm 2400mm 。 燃烧室顶部安装两个煤气喷嘴 , 从喷嘴喷入的煤气量相 1998年 9月 29日收稿 , 11月 9日改回。第一作者简介 :殷志云 , 男 , 1960年出生 , 博士 , 教授 , 有色冶金专业。3中国有色金属工业总公司 (现中国有色金属工业局 科技攻关项目。同。 图 1 阳极焙烧炉 (火道 结构图 Fig. 1 Structure for anode baking furna

5、ce 对焙烧炉的模拟研究通常是从工程实践急需的问题和最简单的方法开始的 , 这也符合事物发展的一般规律。 为此 , 作如下假设 :(1 各入口速度均匀 ; (2 燃烧方式为即混即燃 , 燃料与氧气不共存 ; (3 壁面考虑为第三类边界条件 ;(4 不考虑气体浮力 ; (5 渗出的挥发份沿壁面均匀分布 , 并及时完全燃烧。2 数学模型 数学模型是对阳极焙烧炉内主要过程的综合描述 , 各主要过程的控制方程形成控制方程组 ,取得代表主要过程的参数 , 力求得出在整个作用空间的信息场。 (1 ( 0, U , t 速度和时间。 (2 动量方程5(U /5t + (U U =- p + (eff U +

6、 (eff ( U T 这里 , 校正压力 p =p +(2/3-U p 是静压力 , 是体积粘性系数。 eff 的定义式为 :eff =+T其中 为层流粘性系数 , T 为湍流粘性系数。 在 K -模型中 T 取为 :T =C K 2/ (3 传输方程 湍动能 K 和动能耗散系数 的传输方程分别为 :5(K /5t + (U K - (+T /K K =p -5( /5t + (U - (+T /K =C 1p/K -C 22/K 式中 :p =eff U ( U +( U T -2 U (eff U +K /3 (4 组份方程 燃烧过程可以用单步不可逆反应来表征 :1kg 燃料 +i kg

7、 氧化剂 =(1+i kg 产物把质量混合分数 f 定义为 :f =(x -x o /(x F -x o , x =m F -m o /i其中 m F 和 m o 分别为燃料和氧化剂的质量组分分数 , x F 和 x o 分别等于 1和 -1/i 。m F =(f -1/(1+i /(1-1/(1+i , m o =0, m p =1-m F如果 f 1/(1+i , 那么混合物中只有氧化剂和燃烧产物 :m F =0, m o =1-f (1+i , m p =1-m o , m 为质量分数 , 下标 F 代表燃烧 , O 表示氧气 , P 指燃烧产物。28桂 林 工 学 院 学 报 1999

8、年平均混合组份 f 满足如下方程 :5(f /5t + (U f - (T /T +/L f =0为了书写方便 , 将 f 2记为 g , g 满足如下方程 :5(g /5t + (Ug - (T /T +/L g =C g 1T ( F 2-C g 2g/K 式中 L 和 T 分别为层流普朗特数和湍流普朗特数 , C g 1和 C g 2为模型常数。 综上所述 , 通过这些方程可以求得 U , K , , f 和 g 。 各个方程中的基本常数是 : C =0. 09, k =1. 0, C 1=1. 44, C 2=1. 92, C g 1=2. 0/0. 9, C g 2=2. 0, =K

9、 2/(C 1-C 2 C 。3 边界及初始条件 (1 根据现场提供的条件 , 煤气压力 (表压 2, . 3, (这里 N 指标米 , 入口温度为 300K , 热值为 4. 31 1。 (2 倍 , (此阶段处于冷却阶段 时被 预热 , ( 。表 1 空气流经燃烧室时温度 随时间变化情况 Table 1 The variation dependenceof temperature on time 时间 /h 01632温度 /K 14331318. 41212. 9 (3 f , 煤气入口处 f 为 1。 墙入口处的 K 和 的初值分别按 K ini =0. 002U 2ini , ini

10、 =K ini /(0. 3D 来处理 , 其中 D 为当量直径。采用贴体网络 , 在煤气入口和气固边界加密网格 , 共有 10888个网格 ,用混合差分法离散控制方程求解。 4 结果与分析 本文使用 CFX4. 1软件将一个燃烧室作为一个整体解析空间进行解析 , 在 DEC -AL PHA 250工作站进行运算 26775步 , 解出不同时刻的流场、 温度场、 浓度场和燃烧释热场。经过一 系列的仿真寻优实验 , 发现在焙烧炉内部增加 8个小档板后 , 燃烧室流场及其温度场明显好 转。 为了便于分析 , 将阳极焙烧炉燃烧室沿高度方向剖出 3个具有代表性的截面 A 、 B 、 C (图 1 ,

11、3个截面离燃烧室底部的距离分别为 1m , 2m 和 3m 。 鉴于文献 1和 2的讨论 结果 , 这里只讨论结构优化前后的比较。 在优化前 (图 2a , 离燃烧室顶部距离越近 , 温度波动越大。原因是气流温度直接受煤气 燃烧的影响 , 在喷口区迅速上升 , 并在出口处受到次高温区的影响 , 温度迅速下降 , 因而造成 上层温度分布不均。 分析图 3a , 发现在燃烧室底部存在两个较大的回流区 , 相应的此两处的温 度有明显下降。 从图 2b 和图 3b 可以发现 :结构改造后 , 流场明显得到改善 , 表现为死区消失或死区变 小 , 流速均匀 , 减少了对壁面的严重冲刷。 用 T Mn 来

12、表示 M 面中心线温度差 , n 为数字 :0为优化前 , 1为改变结构 , 从图 2中可 知 T A 0为 89 , T A 1为 77 , 整个 A 水平上温差减少 12 , 温度场更加均匀。 改变结构时 , 不但 A 水平温度更加均匀 , 而且 B 、 C 两水平除入口处温度较高 , 其他地38第 19卷 第 1期 殷志云等 :阳极焙烧炉燃烧室的仿真与结构优化分析 图 2 优化前 32h 时刻 (a h (b Fig. 2 The temperature curve of 32and (b 1 截面 A 2 图 3 优化前 32h (a 及优化后 32h (b 时刻流场 Fig. 3 T

13、he flowfield of 32hours before (a after (b optimization, B 86 , 减 52 ,T C 1为 120 左右 (不包括入口部分 , 比 优 化 前 温 差 减 小 86 , 达到了优化的目的。5 意义与建议 (1 比较系统地研究了阳极焙烧炉内动态流场、温度场和浓度场 , 这从理论上研究焙烧炉开辟了一条新思路。 (2 从全息仿真实验结果表明 , 现在运行的焙烧炉燃烧室在结构上仍然存在有待改进的地方。 本文的优化方案为进一步提高阳极质量 , 对减少焙烧燃料消耗有着直接的指导意义。 (3 本仿真及其软件尚待进一步现场检验与修正。 (4 本课题

14、研究受兰州有色金属公司白银铝厂委托 , 同时还进行了阳极焙烧炉的在线检 测系统的研制。参 考 文 献 1 梅 炽 , 王前普 , 彭小奇 , 等 . 有色冶金炉窑的仿真与优化 . 中国有色金属学报 , 1996, 6(4 :19232 梅 炽 . 铝电解槽电、 热解析数学模型及仿真试验 . 中南矿冶学院学报 , 1986(6 :293848桂 林 工 学 院 学 报 1999年SIMU LATION AN D STRUCTURE OPTIMIZATION OFFL UE OF AN ODE BAKING FURNACEY in Zhiyun Li Yuanfeng Mei Chi(Cent r

15、al South U niversity of Technology , Changsha Abstract In accordance with the principle and model of computational fluid dynamics , computational heat transfer and computational combustion , in this note first time present holographic simulation for flue of anode baking furnace at home , the flow field , tem perature field and concentrate field have been comprehensively analysed. The structure optimization scheme for flue of anode baking has been put forward on the basis of the mathematical mode with the 250work 2station.K ey w ords anode baking ; computer ; 下 期 要 目1 布尔根韧性剪切带金矿找矿前景 以科克萨依