敞开式阳极焙烧炉数值模拟及优化研究

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34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FLUENT6.3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137℃。利用现场采集的11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38℃；
　　 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60％:40％时为最优工况。