劉 徹，朱東旭，劉希文，楊青辰，關永軍

（東北大學設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110013）

陽極焙燒爐火道內(nèi)的燃燒過程通過脈沖控制系統(tǒng)調(diào)控，空氣過剩系數(shù)對爐內(nèi)燃燒過程有較大的影響。本文采用數(shù)值仿真的方法模擬火道內(nèi)燃料燃燒的情況，獲得不同空氣過剩系數(shù)時火道內(nèi)的溫度場和濃度場云圖，進而得到最佳的空氣過剩系數(shù)，指導實際生產(chǎn)操作，達到節(jié)能降耗的目的[1,2]。

1 計算區(qū)域離散化

1.1 物理模型

本文所研究的火道是選取某陽極廠新建60室（8箱9火道）敞開式陽極焙燒爐中的火道，考慮到火道結(jié)構(gòu)的對稱性，只需建立此火道沿爐長方向一半模型即可。在火道三維模型的基礎上建立火道內(nèi)流體域空間模型，在這個流體域空間，燃料由頂部兩個噴嘴噴入，快速燃燒后的高溫煙氣從右側(cè)排出。

拉磚有兩種結(jié)構(gòu)，矩形拉磚有兩種尺寸（長×寬×高），分別為296mm×106mm×175mm和214mm×98mm×175mm，橢圓形拉磚的尺寸（長×寬×高）均為207mm×106mm×175mm，火道頂部有2個圓形燒嘴，直徑20mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格而言更精細，網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點都具有相同的毗鄰單元。它可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，特別適用于流體方面的計算。因此，本文對火道流體采用ICEM軟件進行離散化，得到全結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。

對結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量的檢查，主要注重三個方面，一是Angle值，該值度量網(wǎng)格邊之間的夾角，角度范圍為0～90°，CFD計算通常要求Angle值大于18°，本模型劃分的網(wǎng)格Angle值在45°以上。

二是Aspect Ratio值，指網(wǎng)格單元最大邊長度與最小邊長度的比值。Aspect Ratio值為1時為完美網(wǎng)格，即正六面體，CFD要求Aspect Ratio值最好在20以內(nèi)，本模型劃分的網(wǎng)格Aspect Ratio值都小于20。三是Determinant 3×3×3值，指最大雅克比矩陣行列式與最小雅克比矩陣行列式的比值（考慮單元邊上的中心點）。該值在0～1范圍內(nèi)，越接近1，網(wǎng)格質(zhì)量越高，本模型劃分的網(wǎng)格Determinant 3×3×3值在0.3以上。

2 數(shù)學模型建立

焙燒爐火道內(nèi)的熱工過程主要有氣體流動、燃料燃燒、組分輸運及傳熱過程，可采用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分輸運方程進行描述求解。

2.1 連續(xù)性方程

式中ρ為流體密度，t為時間，j代表坐標維數(shù)，u為速度矢量，x為坐標。

2.2 動量方程

其中μ為粘性系數(shù)，Pi是表面力矢量，包括靜壓力和流體粘性壓力。gi是作用于單位體積流體的i方向的體積力，fi是作用于單位體積流體的反方向的阻力。

2.3 能量方程

式中H是包括動能的總熱焓，它由靜態(tài)熱焓h的表達式給出：

Qrad和QR分別為輻射與化學反應熱源項，Γh表示熱交換系數(shù)，其定義為：

Tref為參考溫度，λe為有效導熱系數(shù)，Cp為定壓比熱。

2.4 組分輸運方程

式中Γs為組分s的交換系數(shù)，Rs為組分s由于化學反應引起的產(chǎn)生或消耗率。

3 單值條件設置

3.1 材料物性

計算域燃燒流動計算所涉及的氣體成分主要包括燃料CH4、助燃空氣（O2和N2），以及燃燒反應生成的煙氣（CO、H2O、CO2）。燃燒反應包括2步反應，如式7和式8所示。

3.2 邊界條件

本模型涉及到的邊界條件主要包括速度入口條件、壓力出口條件等。噴嘴1設定為速度入口邊界條件，流速為17.9m/s，噴嘴2設定為速度入口邊界條件，流速為11.9m/s，溫度均為室溫。空氣入口設定為速度入口邊界條件，溫度按生產(chǎn)工況取為700℃，組分為21%的O2和79%的N2。煙氣出口設定為壓力出口邊界條件，壓力值按生產(chǎn)工況取為-30Pa。

4 結(jié)果分析

本次模擬以FLUENT 19.1為平臺，對離散化后計算區(qū)域的溫度場和濃度場進行了數(shù)值仿真。在確定燃料量之后，通過調(diào)整過量空氣系數(shù)Ln值，分別取為1.1、1.2、1.3、1.35、1.4，考察不同過量空氣系數(shù)下爐內(nèi)的溫度場及組分濃度場。

4.1 不同過量空氣系數(shù)時的濃度場分布

圖1反應了火道內(nèi)CO濃度場情況，由圖可知，在Ln=1.1和Ln=1.2時，爐內(nèi)存在多處不完全燃燒的區(qū)域，表明此時的燃燒狀況不好，空氣量不夠。在Ln≥1.3時，爐內(nèi)不完全燃燒區(qū)域只集中在燃料噴口附近，也就是燃燒火焰區(qū)域，表明在此條件下，爐內(nèi)燃料可以完全燃燒的。因此，可以確定空氣過剩系數(shù)至少在1.3以上。

圖1 火道中心截面CO組分濃度場

4.2 不同過量空氣系數(shù)時的溫度場分布

圖2反應了火道內(nèi)的溫度分布情況，由圖可知，Ln=1.3時，爐內(nèi)最高溫度是2479K，Ln=1.35時，爐內(nèi)最高溫度是2700K，Ln=1.4時，爐內(nèi)最高溫度是2620K。這說明爐內(nèi)最高溫度并不是隨著Ln的增加而一直增加，而是先增大后減小，且在Ln=1.35時達到最大。究其原因是Ln>1.35后，空氣量過剩。由于空氣溫度較低，當空氣助燃后還有剩余，則隨著剩余量的增大，爐內(nèi)溫度會被降低。

圖2 火道中心截面溫度場

5 結(jié)論

通過對陽極焙燒爐火道內(nèi)燃料燃燒過程的研究，建立相對應的三維物理模型，采用ICEM軟件對計算區(qū)域進行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，結(jié)合Fluent軟件系統(tǒng)研究了不同過量空氣系數(shù)時火道內(nèi)的溫度場和濃度場。

實際生產(chǎn)操作中需要根據(jù)燃燒產(chǎn)物的濃度和整體溫度分布綜合設定過?？諝庀禂?shù)，使燃控系統(tǒng)達到最佳工作狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目地。