電解鋁陽極焙燒爐模型實驗與數(shù)值模擬

康智強(qiáng)， 董建男， 楊光華， 陳文仲

(1.沈陽建筑大學(xué)， 遼寧 沈陽 110168；2.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院， 遼寧 沈陽 110001； 3.東北大學(xué)， 遼寧 沈陽 110004)

設(shè)備及自動化

電解鋁陽極焙燒爐模型實驗與數(shù)值模擬

康智強(qiáng)1， 董建男1， 楊光華2,3， 陳文仲3

(1.沈陽建筑大學(xué)， 遼寧 沈陽 110168；2.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院， 遼寧 沈陽 110001； 3.東北大學(xué)， 遼寧 沈陽 110004)

為降低陽極焙燒爐實爐測試的成本與難度，搭建陽極焙燒爐模型試驗平臺，采用試驗的方法獲得了焙燒爐模型內(nèi)陽極炭塊與火道的溫升曲線，試驗結(jié)果表明沿爐體方向火道溫度由高到低分布，同時陽極炭塊的升溫速率呈先提高后下降的趨勢。采用CFD數(shù)值模擬的方法模擬了焙燒爐模型內(nèi)的溫度分布情況，并獲得了四個溫度監(jiān)測點隨時間變化的升溫曲線。將實驗?zāi)Ｐ团c數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，表明數(shù)值模擬的結(jié)果與實際升溫過程基本相符，因此可將模型算法推廣到實際應(yīng)用中去。

陽極焙燒爐； 模型試驗； 數(shù)值模擬； 溫升曲線

陽極焙燒爐外形龐大，實爐測試工作較為復(fù)雜[1]。因此，采用模型試驗的方法可以降低焙燒爐測試工作的難度，提高測試效率[2]。焙燒爐模型試驗是用模型試驗方法研究焙燒爐的焙燒過程，摸清焙燒爐內(nèi)的溫度分布狀況，獲得溫度分布曲線[3]。同時引入數(shù)值模擬的方法研究焙燒爐的焙燒過程，通過對比試驗?zāi)Ｐ蜏y試結(jié)果和計算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果[4-5]，可驗證計算機(jī)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提出更好的數(shù)學(xué)模型，重新進(jìn)行計算，并且可將該數(shù)學(xué)模型推廣到實際生產(chǎn)中去，減少因?qū)崰t試驗投入的巨額費用[6]。通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法來研究焙燒爐的焙燒過程，試驗與修正工作反復(fù)進(jìn)行，最終獲得最佳優(yōu)化設(shè)計與操作方案[7]。

1 模型試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

試驗?zāi)Ｐ团c實際焙燒爐的料箱及火道尺寸相同，加熱過程相似。該焙燒爐模型共擁有2個火焰系統(tǒng)，有34個爐室，每個爐室有9個火道和8個料箱，每個料箱分三層裝料，每層可裝7塊預(yù)焙陽極炭塊。模型全長4.3 m，寬2.8 m，高3 m，整個模型由火道、料箱及排煙系統(tǒng)組成[8]。本次模型試驗使用三塊單重為1 050 kg的生陽極炭塊以及500 kg石油焦。

1.2 測點布置

首先將燃燒器分別安裝在火道頭部預(yù)先設(shè)置的位置上?；鸬罍囟葴y點布置在2火道，料箱溫度測點布置在與1火道相靠近一側(cè)，測點布置如圖1所示。共布置10個測點，其中t2,t3,t4,t7,t8,t9測量陽極炭塊表面及中心的溫度；t1,t10測量火道溫度；t5,t6測量料箱溫度。

1.3 結(jié)果分析

1.3.1 火道升溫狀況分析

加熱22 h以后，2火道頭部與尾部的溫度隨加熱時間的變化曲線如圖2所示。在燃燒22 h以后，1火道頭部與尾部兩個不同位置溫度相差仍較大。從爐體結(jié)構(gòu)來看，這是因為1號熱電偶布置在火道內(nèi)燃燒器附近，此處屬于燃料燃燒區(qū)，熱流較大，火道墻溫度上升也較快；而10號熱電偶測的是火道尾部溫度，即從火道頭部排過來的煙氣溫度，煙氣的熱量隨著流動逐漸傳遞給火道墻，溫度降低，因此t1較高。

圖1 溫度測點布置圖

燃燒開始一段時間后，焙燒爐利用煙氣加熱火道墻，當(dāng)煙氣到達(dá)火道尾部時，其溫度已很低，因此10號熱電偶所測溫度較1號低；加熱一段時間后，由于火道墻內(nèi)積蓄了一定熱量，此時10號熱電偶附近煙氣溫度上升較快。因此，兩個位置的火道溫差呈逐漸減小的趨勢。到了測試末期，焙燒爐火道溫度趨于平穩(wěn)，這是因為加熱到一定時間后，整個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，火道溫度分布也趨于穩(wěn)定。

1.3.2 陽極升溫狀況分析

在本次試驗中對陽極炭塊的水平溫差進(jìn)行了分析。圖3描述了陽極炭塊左側(cè)系列測點的升溫曲線。可以看出，靠近1火道的陽極炭塊邊側(cè)測點t2的溫度略低于另一側(cè)測點t4的溫度，主要是測點t2到陽極炭塊中心線的距離小于測點t4到陽極炭塊中心線的距離所致。

圖3 陽極炭塊左側(cè)升溫曲線

陽極炭塊吸收從火道傳遞過來的熱量而使其自身溫度不斷上升。在沿焙燒爐爐長方向，陽極炭塊的溫度由高到低分布，即頭高尾低；在沿焙燒爐爐寬方向，陽極炭塊的溫度按兩邊高、中心低分布。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型與算法

采用CFD模擬軟件模擬陽極和火道溫度隨時間的變化情況[9, 10]。數(shù)值模擬以焙燒爐模型為原型，將其簡化，僅對火道墻、料箱和陽極炭塊的溫度場進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，模擬過程一共73.5 h。模擬監(jiān)視點與試驗?zāi)Ｐ蜏y試點位置保持一致，即火道溫度監(jiān)視點(對應(yīng)模型試驗中t1)、料箱溫度監(jiān)視點(對應(yīng)模型試驗中t5)、陽極表面溫度監(jiān)視點(對應(yīng)模型試驗中t2)、陽極中心溫度監(jiān)視點(對應(yīng)模型試驗中t3)[11]。

數(shù)值模擬過程中物性參數(shù)的取值采用試驗測定和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，反復(fù)驗證物性參數(shù)的準(zhǔn)確性。模型應(yīng)該在現(xiàn)有爐子實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行反復(fù)修正，多次校核后才能作為工具應(yīng)用于新爐設(shè)計工作中。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 溫度場

通過非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，可得到73.5 h以內(nèi)的任意時刻的溫度分布情況。本文截取了六個具有代表性的不同時刻的溫度分布圖，如圖4所示。圖中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分別為第72 s、第54 h、第55 h 30 min、第61 h 36 min、第69 h 17 min和第73 h的料箱剖面溫度分布圖，反映了焙燒爐試驗?zāi)Ｐ图訜崞鹗紩r刻、火道最高溫時刻、填充焦最高溫時刻、陽極表面最高溫時刻、陽極中心最高溫時刻和冷卻終了時刻[12]。

圖4 六個時刻料箱內(nèi)溫度場

可以看出，試驗?zāi)Ｐ驮诘?4 h(圖b)，火道溫度達(dá)到本次試驗?zāi)Ｐ驮囼灥淖罡邷囟?99 K；在第55 h30 min(圖c)，填充焦溫度達(dá)到本次試驗?zāi)Ｐ驮囼灥淖罡邷囟?24.81 K；試驗?zāi)Ｐ驮诘?1 h 36 min(圖d)，即火道溫降開始7 h 36 min后，溫降的傳熱滯后才傳到陽極表面，此時陽極表面溫度為整個試驗過程的最高溫685.15 K。由此可知，在火道開始降溫的同時火道與陽極中心的溫差開始逐漸縮小，大約火道溫降7 h后，火道和陽極中心溫度處于同一值。之后兩者之間溫差逐漸增大，且火道溫降大于陽極溫降；試驗?zāi)Ｐ驮诘?9 h時 17 min(圖e)，即火道溫降開始15 h 36 min后(火道溫降影響滯后15.6 h傳到陽極中心)，陽極中心監(jiān)測點溫度達(dá)到本次試驗?zāi)Ｐ驮囼灥淖罡邷囟?68.98 K，同時陽極中心最高溫度697 K處于陽極炭塊的下部。由此可見模型試驗在61 h之后，火道與陽極溫差逐漸增大。

2.2.2 升溫曲線

圖5為三個監(jiān)控點的升溫曲線圖，從圖中可明顯看出試驗?zāi)Ｐ蜕郎?3.5 h時間段內(nèi)，不同時刻三點的溫度值及其溫差。由于試驗?zāi)Ｐ退幁h(huán)境溫度較低(零下10 ℃)，因此散熱較大，導(dǎo)致填充焦與陽極溫差較大。同時，也是火道溫度難以達(dá)到1 000 ℃以上的主要原因。作為邊界條件的火道溫度在20 h之前以平均18.25 ℃/h的升溫速率升溫，之后在940 K至990 K溫度范圍內(nèi)持續(xù)38 h，最后開始降溫，且前3 h溫降較大。

圖5 試驗?zāi)Ｐ蜕郎厍€

3 結(jié)果對比

本次模型試驗的數(shù)值模擬是以火道測點溫度作為火道墻溫度以第一類邊界條件輸入模型中[13]，其邊界條件每h輸入一次，即沒有考慮整點之間火道溫度波動的任何因素，因此試驗測試的升溫曲線與數(shù)值模擬所得的升溫曲線有一定的差距。但是在火道溫度波動范圍不大的情況下，數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性在誤差允許范圍內(nèi)是可信的。

圖6 陽極中心升溫曲線

從圖6可以看出，對于陽極炭塊升溫狀況，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，誤差不超過10%。這就說明數(shù)值模擬的結(jié)果與實際升溫過程基本相符，以此證明了本次數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。本次焙燒爐試驗?zāi)Ｐ偷臄?shù)值模擬是建立在實際測試基礎(chǔ)之上較為簡單的一維導(dǎo)熱問題，問題的求解采用模擬軟件中的能量方程。因此，只要定解條件和物性條件準(zhǔn)確無誤，則模擬結(jié)果必然準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本次陽極焙燒爐模型試驗與非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬以實爐為原型，通過數(shù)值模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果相對比，可以得到結(jié)論如下:

(1)沿焙燒爐爐長方向，火道溫度由高到低分布，即頭部溫度高，尾部溫度低，這是由燃燒器的布置位置決定的，因此合理布置燃燒器對優(yōu)化爐內(nèi)溫度場起到了重要作用。

(2)陽極炭塊的升溫速率隨加熱的進(jìn)行，先上升后下降。且在升溫開始與終了時，陽極炭塊中心的升溫速率較低，中間升溫速率最高，高達(dá)7 ℃/h。

(3)將模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相比較，兩者吻合較好，以此驗證了計算機(jī)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。因此可以將此次數(shù)值模擬的模型算法進(jìn)行推廣，應(yīng)用到實際生產(chǎn)中去。

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Model experiment and numerical simulation of anode roasting furnace for aluminum electrolysis

KANG Zhi-qiang, DONG Jian-nan, YANG Guang-hua, CHEN Wen-zhong

To reduce the cost and difficulty of the anode roasting furnace test, experimental platform of roasting furnace model was built. And temperature rise curve of anode and flue in the furnace model were achieved through experiment. As is shown in the result, the temperature of flue is distributed from high to low along the furnace body, and at the same time the temperature rising speed rises at first and then drops. And CFD numerical simulation was used to simulate the temperature field inside the furnace, and the temperature rise curves of four monitoring points were obtained. The results of model experiment and numerical simulation were compared, which showed the result of numerical simulation is basically in accordance with the exact process of temperature rising. Therefore, the algorithm model can be applied in practice.

anode roasting furnace; model experiment; numerical simulation; temperature rise curve

沈陽建筑大學(xué)學(xué)科涵育項目(XKHY2-48)；沈陽建筑大學(xué)博士后基金(SJZUBSH201620)。

康智強(qiáng)(1980—)，女，遼寧鞍山人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事傳熱、傳質(zhì)、傳動量等物理過程的數(shù)值模擬和實測研究工作。

TF801； TF806.1

B