敞开式环形阳极焙烧炉富氧燃烧的数值模拟

周冠辰， 谢 非， 吴德慧， 孙彤彤， 刘 兵

（中国核电工程有限公司 核化工设计研究院， 北京 100840）

铝是一种重要的金属材料，是一个国家工业崛起的基础和经济增长的支撑［1-3］.铝的生产主要采用氧化铝冰晶石熔融电解工艺.在该工艺中，炭阳极除作为电极应用外，还与氧化铝发生电化学反应而不断被消耗，故生产每吨原铝需消耗炭阳极450～600 kg［4-6］.目前，国内外电解铝所用炭阳极的生产主要采用敞开式环形焙烧炉，其能耗在整个电解铝生产系统中占45%以上，因此在不降低炭阳极焙烧质量的前提下，节能降耗和减少氮氧化物排放是该领域持续追求的目标［7-10］.空气富氧燃烧技术具有燃烧强度大、炉气传热效果好、排烟少、节能环保等优点［11-12］，将传统的炭阳极焙烧工艺与空气富氧燃烧技术相结合，可能会对节能降耗带来积极的影响.然而迄今为止，国内外对这方面的研究极为有限，很多问题亟待解决.本文中以某32 室敞开式阳极焙烧炉作为研究对象，应用软件Fluent17.0 对其进行数值模拟分析，深入探讨了空气富氧对焙烧炉火道燃烧特性和NO 排放的影响，以期为推动焙烧炉富氧燃烧技术的发展和应用提供参考.

1 数学物理模型

1.1 计算实体模型

本文所研究的敞开式环形焙烧炉以天然气为燃料，由首尾相连、尺寸和结构均相同的32 个炉室组成，分成2 个火焰系统进行生产，每个炉室中的装料箱和火道成相间分布，对装料箱中的阳极块进行双面加热，如图1 所示.每条火道的上方有4 个间距相等的开孔，其中两个为观火孔，另外两个为燃料喷孔.火道右侧为空气入口，它连接上一个火道的出口；左侧为烟气出口，它连接下一个火道的入口.燃料和空气在火道内燃烧，产生的混合气流经特定的路径后排入下一个炉室.图2 为火道内的结构图.火道被3 个挡板分割成4 个区域，气流在火道内沿“W”形的路径前进，气流在火道内的流通距离和停留时间因此得到延长，使气流与火道墙间的换热得到强化.3 个挡板与上下炉墙留之间有一定的空隙，称为“过火口”.它使部分气流可以直接通过，通过的气流一方面可为后喷嘴提供燃烧所需空气，另一方面可强化火道上部气流的混合、扩散和燃烧.

图1 单个炉室结构示意图Fig.1 Structure diagram of single furnace chamber

图2 火道和料箱的结构示意图Fig.2 Configuration sketch of flue and pit in the open anode baking furnace

焙烧炉的边火道外侧壁面接触大气环境，而火道为负压运行，这样难免会发生吸风现象，造成大量冷空气进入边火道影响炉温，因此边火道不具有代表性.此外，加热段有3 个燃烧架，对应彼此相连的3 排火道，温度最高的火道内燃烧状态更具代表性.综上所述，本文中选取紧邻冷却段的第一个燃烧架对应的中间火道作为研究对象.考虑火道在宽度上是对称的，故只取在火道宽度方向的一半区域建立实体模型.建模和网格剖分采用gambit2.4 前处理软件来完成，规则区域网格划分采用六面体网格，其余区域采用四面体网格，并进行了网格独立性检验，最终的网格剖分数目为416 741 个.

1.2 数学模型

阳极焙烧炉体积庞大，几何尺寸复杂，其热工过程不仅涉及传热传质，而且还涉及到湍流流动和燃烧反应的耦合.考虑到实际情况及模拟计算的可行性，在遵循反应焙烧炉热工过程规律、保证计算精度的前提下，做如下假定和简化：①助燃空气和燃料在入口处的速度均匀分布，烟气出口压力为定值；②不考虑气体浮力；③燃料和氧气不可共存，假定燃烧反应速度无限大；④火道的负压较小，在实际运行中的漏风量较少，故漏风量忽略不计；⑤逸出挥发分的燃烧忽略不计.

连续性方程：

式中，Ji为气体i组分的扩散通量，kg／（m2·s）；wi为气体i组分的质量分数；Ri为火道内i组分的生成率，kg／（m3·s）.

湍流模型：

为了求解火道内气体的湍流流动，标准k⁃ε双方程模型在本文中被采用［6］.

能量守恒模型：

燃烧模型和辐射模型：

CH4与空气中O2的反应模型采用二步反应涡旋破碎模型，气体辐射采用P⁃1 模型［13-14］.

NO 生成和输运模型：

有研究表明，燃烧产物中的氮氧化物主要是NO，因此本文仅考虑烟气中NO 的生成和排放，其输运模型为

式中，φ代表NO 体积分数；D代表NO 质量扩散系数，kg／（m2·s）；Sω为火道内气体中NO 生成速率，kg／（m3·s）.

1.3 边界条件

（1）燃料入口.燃料假定为纯CH4，计算时将速度入口边界条件施加在燃料喷口上.根据现场实际情况，前后2 个燃料喷口处的速度均设定为50.154 m／s，并以垂直火道炉顶壁面方向喷入火道.温度假定为300 K，通过式（6）～（7）求出喷口处气体的湍流强度和水力直径.CH4质量分数设为1.

式中，Re为CH4气流在喷口处的雷诺数；F为喷口面积，m2；S为润湿周长，m.

（2）助燃空气入口.采用速度入口边界，速度大小根据燃料流量、空气过剩系数及入口面积计算得出；空气经冷却段被预热到1 323 K，组分中O2的体积分数按需给出.

（3）壁面条件.火道的中心截面采用对称边界；壁面与环境的换热采用对流和辐射同时存在的综合换热边界条件，均假定为无滑移固定壁面.其中，对流换热系数为15 W／（m2·K），壁面黑度为0.65.

（4）火道出口.火道出口采用压力出口边界条件，根据现场测定结果，将出口压力设定为-25 Pa.

1.4 求解方法

计算时，保持热负荷条件不变，入口空气富余系数取2.1（后面相邻火道的助燃空气都由本文选取的火道来提供，故空气富余系数要远大于该火道自身的需求），空气中O2的体积分数分别取0.21，0.25，0.29 和0.33 进行计算.

2 结果与分析

2.1 空气富氧对焙烧炉火道内温度分布的影响

从图3 中可以看出，前后两个喷嘴附近火焰的长度均随着助燃空气中O2体积分数的增大而逐渐缩短，燃烧反应区域在收缩.富氧加快了CH4燃烧的进程，减少了燃烧反应所需的时间.从图中还可以看出，前后喷嘴火焰中的红色高温区也随着助燃空气中O2体积分数的增大而逐渐变小，火道内靠近空气入口区域以及火道底部的低温区所占面积也逐渐减小，火道内的温度均匀性提高，上下温差和左右温差变小，炉顶上通道的过火量减小，同时火焰偏流和贴壁燃烧情况也得到一定的改善.这主要是因为当助燃空气中O2体积分数增大时，相同空气过剩系数下的空气供给量和入口流速均会同步减少，从而削弱了空气入口气流对喷嘴火焰偏转的影响.由此可见，增大助燃空气中O2体积分数不仅能强化火道内CH4的燃烧，提高温度均匀性，而且能减弱高温气流对炉壁和拉砖的冲击，延长火道的使用寿命.

图3 不同富氧条件下火道中心截面上的温度分布云图Fig.3 Temperature distribution in central section of flue under different oxygen enrichment conditions

由图4 可知，火焰温度极值也随着助燃空气中O2体积分数的增大而明显升高，当O2体积分数由0.21 增大到0.33 时，火焰内的最高温度由2 119 K上升到2 147 K.火道平均温度也随着助燃空气中O2体积分数的增大而升高，但上升趋势逐渐变缓.这有两方面的原因：一是助燃空气富氧加快了燃料的燃烧，增大了燃烧热的释放强度；二是在空气过量系数一定时，随着助燃空气中O2体积分数的增大，燃料燃烧所供给的空气量及其携带的N2都减少，其升温所需能量也随之减小，这都会促使火焰的最高温度和火道内的平均温度升高.火道内平均温度的升高意味着炉气与炉壁间的换热温差增大，有利于阳极块吸热升温.烟气到达火道出口时，其平均温度也会随着助燃空气中O2体积分数的增大而逐渐升高.这是因为在热负荷和供风条件不变的情况下，火道内CH4燃烧所产出的烟气量会随着助燃空气中O2体积分数的增大而逐渐减少.出口烟气平均温度的升高意味着紧邻的次高温炉室火道助燃空气预热温度的升高，也将为次高温炉室火道的燃烧带来积极的影响，减少其燃料需求.

图4 同富氧条件下火道内炉气平均温度（Taverage）、烟气出口平均温度（Tout）和火焰最高温度（Tmax）Fig.4 Average temperature of furnace gas， average temperature of flue gas at the outlet and the maximum temperature of flame in the flue under different oxygen enrichment conditions

2.2 空气富氧对焙烧炉火道出口残余CH4 体积分数的影响

不完全燃烧热损失在火焰炉中普遍存在，焙烧炉也不例外.理想情况是CH4由喷嘴喷入火道后，与助燃空气中的O2充分接触反应，使火道出口处的残余CH4体积分数为0.但由于受反应时间和组分扩散不充分的影响，CH4多少都会有些残留，随着烟气在未燃烧的情况下被排出火道，这些残余CH4进入下一个火道还会继续燃烧.对该火道而言这也是一种热损失，需尽量避免.从图5中可以看出，当助燃空气中O2的体积分数增大时，火道出口残余的CH4体积分数先降低后升高.当助燃空气中的O2体积分数由0.21 增大到0.25 时，火道出口残余CH4的体积分数由0.003减小到0.002 4；而当助燃空气中的O2体积分数由0.25 增大到0.33 时，火道出口残余CH4的体积分数由0.002 4 增大到了0.003 6.这是由于CH4与O2的反应受到两方面的综合影响：一方面是助燃空气中O2体积分数的增大会使氧化反应加剧，在更短的流程内就能完成反应；另一方面，整个火道内炉气的平均流速随助燃空气中O2体积分数的增大而减小，湍动能也减小，气流的混合扩散能力减弱.总的来看，助燃空气中O2体积分数对焙烧炉火道出口的残余CH4体积分数的影响不大，在实际应用中可以不予考虑.

图5 不同富氧条件下火道出口的CH4 残余体积分数Fig.5 Residual volume fraction of CH4 at the outlet of the flue under different oxygen rich conditions

2.3 空气富氧对焙烧炉火道NO 生成的影响

本文中主要考虑助燃空气中O2体积分数对焙烧炉火道NO 生成的影响.从图6 中可以看出，高NO 质量分数的区域主要集中在前烧嘴的火焰路径上，而后烧嘴的火焰路径上没有明显的高NO 质量分数区.这是因为热力型NO 主要受高温控制， 在火道中占绝对优势. 前烧嘴喷出区的O2体积分数较大，燃烧剧烈，导致温度较高，而助燃空气经过前烧嘴喷出燃料的消耗，在到达后烧嘴时O2体积分数已明显降低，热力型NO 的生成缺少必要的高温条件.

图6 不同富氧条件下火道内NO 质量分数的分布Fig.6 Mass fraction of NO distribution in the flue under different oxygen enrichment conditions

从图7 可以看出，当助燃空气中O2的体积分数从0.21 增大到0.25 时，火道出口NO 的质量分数从0.621×10-3增大到1.686×10-3；而当O2体积分数从0.25 增大到0.33 时，火道出口NO的 质 量 分 数 仅 从 1.683 × 10-3增 大 到 了2.168×10-3.由此可知，当助燃空气中O2的体积分数增大时，NO 在出口烟气中的质量分数也有所增大，但增大的趋势逐渐变缓.

图7 不同富氧条件下火道出口NO 的质量分数Fig.7 Mass fraction of NO at the outlet of the flue under different oxygen rich conditions

3 结 论

（1）增大助燃空气中O2体积分数可使火焰长度缩短，火焰温度升高，燃烧区缩小；同时可提高火道内的温度均匀性，改善火焰偏流和贴壁燃烧的情况.

（2）助燃空气中O2体积分数的增大可提高火道内的温度极值，火道平均温度和出口烟温也随之升高，为次高温炉室火道的燃烧带来积极影响.

（3）焙烧炉火道出口的残余CH4体积分数受助燃空气中O2体积分数的影响不大，在实际应用中可不予考虑.

（4）当助燃空气中O2体积分数增大时，火道出口烟气中的NO 质量分数也逐渐增大，但增大趋势逐渐变缓.