罐式爐墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳熱計(jì)算分析

劉 超

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

在鋁用陽極領(lǐng)域,石油焦的煅燒過程主要通過回轉(zhuǎn)窯或罐式爐實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]中對(duì)比了回轉(zhuǎn)窯和罐式爐在生產(chǎn)中的優(yōu)點(diǎn)和不足,罐式爐因其在炭質(zhì)燒損、余熱回用及產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)今市場(chǎng)占有率已遠(yuǎn)高于回轉(zhuǎn)窯。因此,在煅燒工序圍繞罐式爐開展節(jié)能設(shè)計(jì)意義重大。

從罐式爐的熱平衡分析[2-4]可以看出,爐體散熱損失占整體熱支出的5%左右,處在第三位,相比于第一位的煙氣帶走熱和第二位循環(huán)水帶走熱,爐體散熱損失是不可回收熱支出。因此,通過優(yōu)化罐式爐墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少爐墻的散熱損失是罐式爐設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。在工業(yè)爐窯的設(shè)計(jì)過程中,爐墻厚度的設(shè)計(jì)要綜合考慮墻體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求、散熱損失要求和建設(shè)成本要求,即滿足結(jié)構(gòu)性要求的前提下,追求設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。

文獻(xiàn)[5-7]中分別闡述了工業(yè)爐窯經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算方法及管式爐外壁經(jīng)濟(jì)厚度的計(jì)算過程,文獻(xiàn)[8-10]中分別使用數(shù)學(xué)方法和仿真方法,對(duì)不同場(chǎng)景的工業(yè)爐窯墻體的傳熱計(jì)算進(jìn)行了分析。前述工作對(duì)改變墻體不同部位的厚度提供了理論依據(jù),但沒有深入討論爐墻材料對(duì)爐墻傳熱的影響規(guī)律。因此,本文開展了炭素罐式爐墻體結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算,通過對(duì)比不同爐墻厚度和結(jié)構(gòu)外壁面理論最高溫度的變化,探討節(jié)能爐墻的材料選擇原則,分析材料屬性對(duì)爐墻厚度的影響,為罐式爐墻體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與爐墻材料選取提供理論依據(jù)。

1 罐式爐墻體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算模型

罐式爐設(shè)計(jì)中,每一個(gè)料罐左右兩側(cè)都布設(shè)有火道,火道內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量通過火道磚的導(dǎo)熱和輻射完成對(duì)料罐內(nèi)部物料的加熱過程,通常,最高火道溫度設(shè)置在1350℃左右,料箱內(nèi)物料溫度低于火道溫度,因此,罐式爐墻體外壁面最高溫度理論上與火道所在位置對(duì)應(yīng)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上,自火道至爐墻外壁依次是硅磚-粘土磚-輕質(zhì)保溫磚-紅磚結(jié)構(gòu),沿爐墻厚度方向的傳熱問題可以簡(jiǎn)化為第一類邊界條件(邊界溫度給定)下的一維多層平壁穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。

1.1 物理模型

罐式爐墻體結(jié)構(gòu)的傳熱仿真計(jì)算主要是考慮不同耐火材料及不同厚度對(duì)爐墻向外界環(huán)境散熱的影響規(guī)律,模型取爐墻內(nèi)壁面至爐墻外壁面之間的耐火材料砌體,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中依次是硅磚-粘土磚-輕質(zhì)保溫磚-紅磚的四層結(jié)構(gòu),見圖1。

計(jì)算過程主要采取控制變量法,在改變耐火材料種類或某種耐火材料厚度的條件下,分析爐墻外壁面的溫度情況。因此,以相同耐火材料條件下不同厚度,或相同厚度條件下不同耐火材料種類建立多個(gè)計(jì)算模型,并采用規(guī)則化網(wǎng)格對(duì)物理模型進(jìn)行離散,以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 數(shù)學(xué)模型

沿爐墻厚度方向的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題,可將爐墻內(nèi)側(cè)壁面最高溫度視為給定的恒定溫度。因此,這一傳熱過程主要包括從爐墻內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱和爐墻外壁與外界環(huán)境的綜合換熱兩個(gè)環(huán)節(jié)。由于存在壁面與流體之間的換熱,因此計(jì)算需要考慮連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程。

(1) 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒方程在流動(dòng)介質(zhì)中的微觀表達(dá)形式,根據(jù)控制體內(nèi)流體質(zhì)量守恒,可得一維穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程的歐拉型微分方程:

(1)

(2) 動(dòng)量方程

動(dòng)量方程是動(dòng)量守恒方程在流動(dòng)介質(zhì)中的微觀表達(dá)形式,根據(jù)控制體內(nèi)流體動(dòng)量守恒,可得一維N-S方程:

(2)

(3) 能量方程

能量方程是能量守恒方程的微觀表達(dá)形式,根據(jù)控制體內(nèi)能量守恒,可得一維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源導(dǎo)熱問題的微分方程:

(3)

對(duì)應(yīng)一維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源問題的導(dǎo)熱微分方程為:

(4)

式中:ρ——密度,kg/m3;

u——流速,m/s;

μ——?jiǎng)恿φ扯?N·s/m2;

f——流體微元受到的外力,N;

p——壓力,Pa;

h——比焓,J/kg;

λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Cp——比熱容,J/(kg·K);

t——時(shí)間,s;

T——溫度,K。

1.3 邊界條件及物性參數(shù)

(1)內(nèi)壁面邊界條件

爐墻內(nèi)壁面是火道接觸面,內(nèi)壁面與火道存在導(dǎo)熱、對(duì)流及輻射換熱,且火道內(nèi)燃燒狀態(tài)和成分不穩(wěn)定。因此,通過仿真計(jì)算內(nèi)壁面的理論溫度意義不大,此外,本計(jì)算的重點(diǎn)是分析墻體的傳熱和散熱情況。因此,爐墻內(nèi)壁面可設(shè)置為第一類邊界條件,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況,取1350℃作為內(nèi)壁面的溫度。

(2)外壁面邊界條件

爐墻外壁面存在與周圍環(huán)境之間的導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱,是復(fù)雜的傳熱過程,通常,爐壁黑度可以取0.8,用綜合傳熱系數(shù)來計(jì)算爐壁對(duì)環(huán)境的散熱損失。計(jì)算結(jié)果可根據(jù)表1工業(yè)爐窯爐體外表面最高溫度[11]對(duì)外壁面的溫度進(jìn)行限制。

(3)材料物性參數(shù)

在進(jìn)行罐式爐墻體結(jié)構(gòu)傳熱仿真計(jì)算過程中,主要的物性參數(shù)包括材料的比重、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。在以往工程設(shè)計(jì)中,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,通常選取固定導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容進(jìn)行計(jì)算,如果想讓計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確,就需要根據(jù)計(jì)算的溫度選取對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容,反復(fù)迭代以獲取理論的外壁面最高溫度,工作量巨大。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱是隨溫度變化的函數(shù),為了計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,本文采用文獻(xiàn)中給出的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容與溫度之間的關(guān)聯(lián)式[12]進(jìn)行計(jì)算,使用計(jì)算機(jī)仿真的手段,可以大大減少計(jì)算時(shí)間,提高計(jì)算效率。

2 罐式爐墻體結(jié)構(gòu)傳熱仿真計(jì)算與結(jié)果分析

CFD(computational fluid dynamics)是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力來解決復(fù)雜數(shù)值數(shù)學(xué)問題的成熟手段,計(jì)算快捷且結(jié)果準(zhǔn)確。以CFD為計(jì)算平臺(tái),利用建立的罐式爐墻體結(jié)構(gòu)物理模型和數(shù)學(xué)模型,對(duì)不同厚度及材料的爐墻傳熱情況進(jìn)行計(jì)算,通常,爐體對(duì)外散熱量與爐體外壁面最高溫度成正相關(guān),因此可以通過CFD計(jì)算的爐體外壁面理論最高溫度來定性分析爐體對(duì)外的散熱情況,在滿足表1的要求下,爐墻外壁面理論最高溫度越低,則爐體對(duì)外的散熱量也就越少。

2.1 罐式爐爐墻現(xiàn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算與分析

罐式爐爐墻結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案是硅磚-粘土磚-輕質(zhì)磚-紅磚-保溫涂料,對(duì)應(yīng)厚度116 mm-696 mm-232 mm-245 mm-30 mm。對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案開展仿真計(jì)算,可以通過與實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,同時(shí)分析現(xiàn)行設(shè)計(jì)的合理性。

圖2是罐式爐爐墻現(xiàn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的溫度分布,圖中自左向右依次是硅磚-粘土磚-輕質(zhì)磚-紅磚-保溫涂料。計(jì)算結(jié)果表明,外壁面的最高溫度為88℃,與實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)定的結(jié)果接近,證明了模型的準(zhǔn)確性。罐式爐生產(chǎn)時(shí),其爐內(nèi)溫度在1350℃左右,查表1可知,外表面最高溫度應(yīng)該控制在105℃以內(nèi),計(jì)算結(jié)果低于表1中對(duì)爐體外表面最高溫度的限制值,這也說明現(xiàn)行設(shè)計(jì)能夠滿足生產(chǎn)要求。

圖2 罐式爐爐墻現(xiàn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的溫度場(chǎng)

2.2 罐式爐爐墻不同厚度結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算與分析

在罐式爐爐墻設(shè)計(jì)優(yōu)化中,應(yīng)該首先了解爐墻厚度對(duì)爐墻外壁面最高溫度的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,可以通過優(yōu)化材料組合,減少爐墻散熱。

硅磚是罐式爐火道墻的主體結(jié)構(gòu),其厚度基本是固定的。因此,爐墻結(jié)構(gòu)的變化主要在粘土磚層、輕質(zhì)磚層、紅磚層和保溫涂料層。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于粘土磚層內(nèi)部需要設(shè)置揮發(fā)分豎道,通常較厚,按照揮發(fā)分通道的現(xiàn)行設(shè)計(jì),最小粘土磚厚度不應(yīng)小于464 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)原則和實(shí)際情況,設(shè)定了表2中計(jì)算對(duì)象,計(jì)算結(jié)果列于表中。

表2 模型結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)厚度列表和計(jì)算結(jié)果

從表2中的計(jì)算結(jié)果可以看出,在相同耐火材料條件下,增加粘土磚墻的厚度,相當(dāng)于增加了爐墻的厚度,對(duì)應(yīng)外壁面的溫度會(huì)降低;保持硅磚及粘土磚厚度不變,增加紅磚層,也相當(dāng)于增加了爐墻的整體厚度,會(huì)降低外壁面的最高溫度,類似的,保持硅磚、粘土磚和紅磚的厚度,增加輕質(zhì)磚層及保持硅磚、粘土磚、輕質(zhì)磚和紅磚的厚度,增加保溫涂料層都會(huì)進(jìn)一步的降低爐墻外壁面的最高溫度。通過進(jìn)一步對(duì)比序號(hào)1、3和5或序號(hào)2、4和6中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),增加輕質(zhì)磚層比增加紅磚層的降溫效果更為明顯,這是因?yàn)檩p質(zhì)磚導(dǎo)熱系數(shù)小于紅磚,具有更好的保溫效果,但是由于輕質(zhì)磚自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制,其使用部位和厚度受到限制。

圖3是粘土磚厚度為696 mm,逐步增加不同耐火材料時(shí)對(duì)應(yīng)的分溫度分布情況(溫度標(biāo)尺相同),從圖3可以看出,隨著耐火材料的增加,爐墻總厚度增大,邊部低溫區(qū)變寬,區(qū)別比較大的是增加30 mm保溫涂料層時(shí),保溫涂料層的溫度較低,但是內(nèi)部紅磚層溫度相比較高,保溫涂料是低導(dǎo)熱系數(shù)一類絕熱材料,這說明由于保溫涂料導(dǎo)熱系數(shù)小,可以將熱量鎖在爐墻內(nèi)部,有效降低爐體的對(duì)外散熱。

圖3 粘土磚厚度為696mm時(shí)對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布

根據(jù)罐式爐爐墻外壁面最高溫度應(yīng)低于105℃,對(duì)照表2可以發(fā)現(xiàn),序號(hào)4、5和6中結(jié)構(gòu)均可以滿足要求。設(shè)計(jì)過程中,可以綜合建設(shè)成本、爐體輕量化和散熱最小化進(jìn)行考慮。

2.3 罐式爐爐墻不同材料結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算與分析

罐式爐爐墻不同材料結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算分析主要是探究相同厚度條件下不同材料種類的爐墻散熱情況,改變罐式爐爐墻的材料種類,本質(zhì)是改變了爐墻不同位置處的導(dǎo)熱系數(shù)。因此,可以通過改變低導(dǎo)熱層在爐墻內(nèi)的位置,研究導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)爐墻散熱的影響規(guī)律,進(jìn)而獲取爐墻材料種類對(duì)散熱的作用方式,為材料選擇提供依據(jù)。

罐式爐爐墻的現(xiàn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)依次為:硅磚層、粘土磚層、輕質(zhì)磚層、紅磚層和保溫涂料層,為了了解不同導(dǎo)熱系數(shù)材料在爐墻內(nèi)位置對(duì)外壁面溫度的影響規(guī)律,在保持爐墻厚度不變的條件下,計(jì)算了調(diào)整30 mm保溫層位置后爐墻外壁面最高溫度的情況,表3是計(jì)算對(duì)象及其結(jié)果。

表3 計(jì)算模型及對(duì)應(yīng)外壁面最高溫度

硅磚內(nèi)壁面即為火道接觸面,因此硅磚一側(cè)代表高溫區(qū),從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出,在保持總厚度不變,隨著保溫層向高溫區(qū)移動(dòng),爐墻外壁面的溫度不斷降低。圖4是上述四種結(jié)構(gòu)條件下的溫度分布情況,從圖中可以看出,隨著保溫層向高溫區(qū)移動(dòng),低溫區(qū)域明顯逐步增大。

圖4 總厚度為1319mm時(shí)對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布

在定常導(dǎo)熱時(shí),由于導(dǎo)熱系數(shù)恒定,因此即使改變不同材料的位置,爐墻的綜合導(dǎo)熱系數(shù)恒定不變,此時(shí),爐墻外壁面的最高理論溫度就不會(huì)發(fā)生變化,通過筆算即可以獲得在定常導(dǎo)熱時(shí)爐墻外壁面的最高溫度。但是耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨溫度變化的函數(shù),且隨溫度的升高而增加,當(dāng)保溫材料向高溫區(qū)移動(dòng)時(shí),保溫層溫度升高,由于保溫層的高溫絕熱性能較好,因此溫度升高對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的提高有限,仍可以有效保溫,就會(huì)降低位于保溫層外部的耐火材料溫度,由于這些耐火材料相對(duì)保溫材料而言,其導(dǎo)熱系數(shù)受溫度影響變化明顯,因此其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)顯著降低,對(duì)應(yīng)的爐墻綜合傳熱系數(shù)降低,最終降低了爐墻的外壁面溫度。

表4是粘土磚和輕質(zhì)磚在464 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的外壁面最高溫度計(jì)算結(jié)果,對(duì)比表3序號(hào)1中數(shù)據(jù)可以看出,在保持總厚度相同的條件下,通過增加輕質(zhì)保溫層的厚度可以實(shí)現(xiàn)爐體外壁面最高溫度的降低,輕質(zhì)磚也是低導(dǎo)熱系數(shù)材料。因此,在罐式爐爐墻材料選取時(shí),可以通過在高溫區(qū)適當(dāng)位置設(shè)置保溫層同時(shí)增加低導(dǎo)熱系數(shù)材料厚度,來綜合實(shí)現(xiàn)罐式爐墻體對(duì)外散熱損失的降低。

表4 計(jì)算模型及對(duì)應(yīng)外壁面最高溫度

3 結(jié) 論

耐火材料的物性參數(shù)是隨材料溫度變化的函數(shù)關(guān)系,本文采用計(jì)算機(jī)仿真的手段,提高了傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性。通過對(duì)不同厚度爐墻結(jié)構(gòu)和相同厚度不同材料爐墻結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算,得出以下結(jié)論:

(1)罐式爐爐墻的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的爐墻外壁面理論最高溫度為88℃,與實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試結(jié)果吻合,滿足國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)罐式爐爐墻外壁面最高溫度的限定。但是對(duì)比后面的計(jì)算結(jié)果,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)仍有優(yōu)化空間。

(2)增加罐式爐墻體厚度,可以降低罐式爐墻體外壁面的理論最高溫度,尤其是增加輕質(zhì)保溫層或?qū)嵯禂?shù)更低的保溫層,可以更加明顯的降低爐墻外壁面的理論最高溫度,降低罐式爐爐墻的散熱損失。

(3)當(dāng)控制爐墻總厚度保持1319 mm不變,將低導(dǎo)熱系數(shù)保溫層向高溫區(qū)移動(dòng)時(shí),爐墻外壁面的理論最高溫度會(huì)不斷降低,按照計(jì)算厚度最低可以達(dá)到82℃;當(dāng)控制總厚度不變,減少粘土磚層厚度,增加輕質(zhì)磚層厚度,同樣可以有效降低爐墻外壁面的理論最高溫度。

因此,在罐式爐爐墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),可以在近高溫區(qū)域增加保溫層,同時(shí)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下適當(dāng)增加輕質(zhì)保溫層的厚度,綜合降低爐墻外壁面的散熱損失,也可以利用上述原則對(duì)爐墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行減量化設(shè)計(jì)。