阳极焙烧炉火道空气过剩系数数值仿真

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。

图2 火道中心截面温度场

5 结论

通过对阳极焙烧炉火道内燃料燃烧过程的研究，建立相对应的三维物理模型，采用ICEM软件对计算区域进行全结构化网格划分，结合Fluent软件系统研究了不同过量空气系数时火道内的温度场和浓度场。

实际生产操作中需要根据燃烧产物的浓度和整体温度分布综合设定过剩空气系数，使燃控系统达到最佳工作状态，实现节能降耗的目地。