朱東旭

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），沈陽(yáng) 110013）

1 Fluent 軟件簡(jiǎn)介

Fluent 是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序。其功能及特點(diǎn)如下：完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；定常（穩(wěn)態(tài)）/非定常（瞬態(tài)）流動(dòng)模擬；先進(jìn)的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)；多網(wǎng)格支持功能；多重?cái)?shù)值算法；先進(jìn)的物理模型。

2 火道墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陽(yáng)極焙燒爐的核心部位為火道，燃料在火道內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的熱能通過(guò)火道墻傳遞給火道外的陽(yáng)極炭塊，并將陽(yáng)極炭塊產(chǎn)生的揮發(fā)分引入到火道內(nèi)燃燒。因此火道內(nèi)燃燒過(guò)程與溫度分布是我們研究的重點(diǎn)內(nèi)容，而要想研究燃燒過(guò)程與溫度分布就需要研究火道墻的結(jié)構(gòu)?；鸬缐Y(jié)構(gòu)主要有“W”型火焰系統(tǒng)和“W+V”型火焰系統(tǒng)。

本次選用國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)運(yùn)行的某“W”型火焰系統(tǒng)焙燒爐為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到的邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，分析加熱階段燃燒過(guò)程及溫度分布，從而對(duì)現(xiàn)有火道墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善燃燒場(chǎng)及溫度場(chǎng)，最終提高陽(yáng)極質(zhì)量。

3 數(shù)值模擬

3.1 理論依據(jù)

基于對(duì)稱性原理，計(jì)算的控制體積在x方向取火道的中心線到相鄰料箱中心線距離，y方向取料箱頂部到底部距離，z方向則為爐長(zhǎng)方向從冷風(fēng)進(jìn)口到排煙架出口距離。

計(jì)算時(shí)只要爐長(zhǎng)方向（z方向）的節(jié)點(diǎn)劃分足夠細(xì)，就可以將焙燒爐的料箱（包括火道墻、填充料和陽(yáng)極炭塊）與相應(yīng)火道假設(shè)成一個(gè)逆流熱交換模型。計(jì)算中陽(yáng)極炭塊、填充料以及火道墻的熱物性都假設(shè)為溫度的函數(shù)。料箱傳熱則只討論二維情況（x，y方向）。

3.2 數(shù)學(xué)模型

能量平衡方程 ：

傳熱方程：

動(dòng)量方程：

3.3 邊界及初始條件

燃料：天然氣，熱值：36300kJ/Nm3，用量：7.4Nm3/h

空氣進(jìn)口 ：70Nm3/h，0Pa

煙氣出口 ：95Nm3/h，-5Pa，V=0.75m/s

4 結(jié)果與分析

（1）流場(chǎng)分布。由圖1可知，最高流速出現(xiàn)在火道噴口處，而端部、底部及死角處流速最低，由于隔墻的阻礙，使火道內(nèi)呈現(xiàn)“W”型結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)氣流在火道內(nèi)流過(guò)的時(shí)間，使燃料及揮發(fā)分能夠有充分時(shí)間燃燒。頂部2處及底部1處開(kāi)口，同樣流速較高，這個(gè)種短路使得氣流分配更加合理。圖中拉磚的布置不僅僅是火道墻結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，同樣起到擾流的作用，使氣流能夠均勻分布在火道內(nèi)。

圖1 流場(chǎng)分布

（2）火道墻溫度分布。天然氣在順著高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向噴入到火道內(nèi)，由圖2可知，天然氣遇到補(bǔ)充的空氣后在燃燒區(qū)域內(nèi)溫度增高，而入口的溫度以及死角的溫度最低，這些低溫區(qū)域恰好也是速度最低區(qū)域，這是因?yàn)樗俣雀叩膮^(qū)域，氣流流動(dòng)快，對(duì)流和輻射換熱效果明顯。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化拉磚，使其整個(gè)火道墻溫度分布趨于均勻，這樣才能減少陽(yáng)極上下部溫差，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 溫度分布

（3）濃度分布。由圖3可知，作為產(chǎn)物在入口處濃度最低，在進(jìn)入第一個(gè)燃燒區(qū)后他們大量生成，含量進(jìn)入最大值。第二個(gè)燃燒區(qū)后由于氧氣的消耗使其燃燒反應(yīng)減弱，相應(yīng)的產(chǎn)物生產(chǎn)也開(kāi)始減少，直至不發(fā)生反應(yīng)。

圖3 CO2濃度分布

由圖4可知，當(dāng)助燃空氣剛剛進(jìn)入火道內(nèi)，此時(shí)的氧氣含量最大，當(dāng)遇到天然氣時(shí)，開(kāi)始劇烈燃燒，含量急劇下降。由圖中對(duì)比可見(jiàn)，二氧化碳和氧氣的分布恰恰相反，符合燃燒規(guī)律。

圖4 O2濃度分布

（4）壓力分布。在實(shí)際生產(chǎn)操作中，是通過(guò)負(fù)壓來(lái)調(diào)節(jié)火道內(nèi)燃燒狀態(tài)?；鸬镭?fù)壓大，則揮發(fā)分通過(guò)火道墻磚縫滲透到火道內(nèi)的速度快，揮發(fā)分具有很高的熱值，能夠大大降低天然氣能耗，但不利于瀝青的析焦；火道負(fù)壓小，則揮發(fā)分滲透的慢，不利于能耗，但會(huì)對(duì)瀝青的析焦有好處。因此合理的負(fù)壓需要根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量及能耗綜合考慮。由圖5可知，燃料進(jìn)口處負(fù)壓最大，而預(yù)熱空氣進(jìn)口處負(fù)壓也大，但經(jīng)過(guò)一個(gè)燃燒區(qū)后，負(fù)壓平穩(wěn)，整體負(fù)壓差不大，說(shuō)明爐子密封較好，降低了負(fù)壓的平均水平。

圖5 壓力分布

5 結(jié)論

根據(jù)以上的模擬分析，我們可形象的了解火道內(nèi)的各種工況，并根據(jù)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)修正我們的邊界條件，使其更接近實(shí)際，指導(dǎo)后續(xù)的模擬分析。證明了此方法的可行性后，通過(guò)模擬分析修改火道墻結(jié)構(gòu)，從而不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高陽(yáng)極質(zhì)量。