阳极焙烧炉火道空气过剩系数数值仿真

2021-06-30朱东旭刘希文杨青辰关永军

世界有色金属 2021年7期

刘彻，朱东旭，刘希文，杨青辰，关永军

（东北大学设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110013）

阳极焙烧炉火道内的燃烧过程通过脉冲控制系统调控，空气过剩系数对炉内燃烧过程有较大的影响。本文采用数值仿真的方法模拟火道内燃料燃烧的情况，获得不同空气过剩系数时火道内的温度场和浓度场云图，进而得到最佳的空气过剩系数，指导实际生产操作，达到节能降耗的目的[1,2]。

1 计算区域离散化

1.1 物理模型

本文所研究的火道是选取某阳极厂新建60室（8箱9火道）敞开式阳极焙烧炉中的火道，考虑到火道结构的对称性，只需建立此火道沿炉长方向一半模型即可。在火道三维模型的基础上建立火道内流体域空间模型，在这个流体域空间，燃料由顶部两个喷嘴喷入，快速燃烧后的高温烟气从右侧排出。

拉砖有两种结构，矩形拉砖有两种尺寸（长×宽×高），分别为296mm×106mm×175mm和214mm×98mm×175mm，椭圆形拉砖的尺寸（长×宽×高）均为207mm×106mm×175mm，火道顶部有2个圆形烧嘴，直径20mm。

1.2 网格划分

全结构化网格相比非结构化网格而言更精细，网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元。它可以很容易地实现区域的边界拟合，特别适用于流体方面的计算。因此，本文对火道流体采用ICEM软件进行离散化，得到全结构化六面体网格。

对结构化网格质量的检查，主要注重三个方面，一是Angle值，该值度量网格边之间的夹角，角度范围为0～90°，CFD计算通常要求Angle值大于18°，本模型划分的网格Angle值在45°以上。

二是Aspect Ratio值，指网格单元最大边长度与最小边长度的比值。Aspect Ratio值为1时为完美网格，即正六面体，CFD要求Aspect Ratio值最好在20以内，本模型划分的网格Aspect Ratio值都小于20。三是Determinant 3×3×3值，指最大雅克比矩阵行列式与最小雅克比矩阵行列式的比值（考虑单元边上的中心点）。该值在0～1范围内，越接近1，网格质量越高，本模型划分的网格Determinant 3×3×3值在0.3以上。

2 数学模型建立

焙烧炉火道内的热工过程主要有气体流动、燃料燃烧、组分输运及传热过程，可采用连续性方程、动量方程、能量方程和组分输运方程进行描述求解。

2.1 连续性方程

式中ρ为流体密度，t为时间，j代表坐标维数，u为速度矢量，x为坐标。

2.2 动量方程

其中μ为粘性系数，Pi是表面力矢量，包括静压力和流体粘性压力。gi是作用于单位体积流体的i方向的体积力，fi是作用于单位体积流体的反方向的阻力。

2.3 能量方程

式中H是包括动能的总热焓，它由静态热焓h的表达式给出：

Qrad和QR分别为辐射与化学反应热源项，Γh表示热交换系数，其定义为：

Tref为参考温度，λe为有效导热系数，Cp为定压比热。

2.4 组分输运方程

式中Γs为组分s的交换系数，Rs为组分s由于化学反应引起的产生或消耗率。

3 单值条件设置

3.1 材料物性

计算域燃烧流动计算所涉及的气体成分主要包括燃料CH4、助燃空气（O2和N2），以及燃烧反应生成的烟气（CO、H2O、CO2）。燃烧反应包括2步反应，如式7和式8所示。

3.2 边界条件

本模型涉及到的边界条件主要包括速度入口条件、压力出口条件等。喷嘴1设定为速度入口边界条件，流速为17.9m/s，喷嘴2设定为速度入口边界条件，流速为11.9m/s，温度均为室温。空气入口设定为速度入口边界条件，温度按生产工况取为700℃，组分为21%的O2和79%的N2。烟气出口设定为压力出口边界条件，压力值按生产工况取为-30Pa。

4 结果分析

本次模拟以FLUENT 19.1为平台，对离散化后计算区域的温度场和浓度场进行了数值仿真。在确定燃料量之后，通过调整过量空气系数Ln值，分别取为1.1、1.2、1.3、1.35、1.4，考察不同过量空气系数下炉内的温度场及组分浓度场。

4.1 不同过量空气系数时的浓度场分布

图1反应了火道内CO浓度场情况，由图可知，在Ln=1.1和Ln=1.2时，炉内存在多处不完全燃烧的区域，表明此时的燃烧状况不好，空气量不够。在Ln≥1.3时，炉内不完全燃烧区域只集中在燃料喷口附近，也就是燃烧火焰区域，表明在此条件下，炉内燃料可以完全燃烧的。因此，可以确定空气过剩系数至少在1.3以上。

图1 火道中心截面CO组分浓度场

4.2 不同过量空气系数时的温度场分布

图2反应了火道内的温度分布情况，由图可知，Ln=1.3时，炉内最高温度是2479K，Ln=1.35时，炉内最高温度是2700K，Ln=1.4时，炉内最高温度是2620K。这说明炉内最高温度并不是随着Ln的增加而一直增加，而是先增大后减小，且在Ln=1.35时达到最大。究其原因是Ln>1.35后，空气量过剩。由于空气温度较低，当空气助燃后还有剩余，则随着剩余量的增大，炉内温度会被降低。