阳极焙烧炉火道的结构对炉内气流分布影响很大 ,而气流分布状况直接影响到炉内燃烧过程与温度分布 ,最终会影响阳极碳块的焙烧质量<1 > .因此 ,提高阳极质量和减少阳极焙烧过程中的能量消耗是阳极焙烧炉结构设计的重要目的 .阳极焙烧炉的设计趋势是 :使炉室火道变窄 ,加快阳极的传热 ,优化火道内挡块 (导流块 )的数量与位置 ,使气流分布均匀 ,从而得到均匀的温度场 ,产品质量得以提高<2 > .由阳极焙烧炉火道燃烧过程的流场分布图和温度场分布图 ,可以知道火道底部与第一块隔板背风面附近区域有明显的回流 ,从而影响该区域的温度场分布 ,对此可以采取数值模拟的方法<3> 和相关的结构优化方案来改进 .结构优化的原则是 :在气流速度偏差较大的区域采取结构优化 ,即在高速气流区和回流区增加若干块挡板 ,干扰气体流动 .改进方法是在阳极焙烧炉底部各增加四个小挡板 ,减少回流 ,从而达到减小该区域温差的目的 (优化方案一 ) ;在第一个隔板背风面附近 ,有很多小的回流 ,在这个区域的中间部分有较大的温差 ,改进方法是在第一个隔板右边加一个小挡板 ,对这个区域的气流造成一定的扰动 ,从而使这个区域横截面的速度分布均匀 ,达到稳定温度场的目的 (优化方案二 ) .1 优化方案一在火道下部左右两边各添加四个小挡板 ,这些挡板长×宽×高的尺寸为 2 2 0ｍｍ× 31 3ｍｍ×1 0 0ｍｍ ,位置是 :下层挡板距炉底 2 0 0ｍｍ ,上下层挡板之间距离 30 0ｍｍ ,左右挡板间距离是 660ｍｍ .从计算结果可以知道底部回流明显减小了 ,这就为减小火道内的温差提供了条件 .火道底部的回流区 ,由于加了几个小挡板 ,因此该区域的气流速度有了较大的提高 .而在其他结构未发生变化的区域中 ,气体的流动情况和未优化以前基本一致 .在底部左边加了四块挡板后 ,一部分气流直接从隔板的开口处进入后部的火道 ,增强了气流“短路”的效果 ,该区域温度较低的气体进入后部与后部的高温气体混合 ,有利于均匀后部气体的温度场 ,并且为第二个喷嘴喷出的煤气燃烧提供氧气 .火道中各部分的温度差减小了 ,内部温度场比较稳定 .左右两段火道内的气体温度分布差别不是很大 ,只是在煤气和空气混合燃烧的区域中温度相对较高 .采用优化方案后 ,火道中两个喷口喷出的煤气与空气混合发生燃烧 ,但两个燃烧区域的温度梯度相差很大 ,这是因为在左边的喷口附近的氧气浓度较高 ,而右边喷口喷出的煤气与浓度较低的氧气混合燃烧 ,所以两个区域的温差梯度相差很大 .气体组分浓度的轮廓线大致与优化前类似 ,也符合各组分的分布规律 ,即在温度较高的燃烧区域中 ,氧气浓度较低 ,而燃烧产物ＣＯ2 和Ｈ2 Ｏ的含量较高 ,反之亦然 ,在温度较低的非燃烧区域内 ,氧气含量较高 ,而ＣＯ2 和Ｈ2 Ｏ的含量则较低在火道内 ,越往后部 ,氧气含量越低 ,而燃烧产物的浓度越高 .2 优化方案二从火道流场分布图<3> 可以看到在第一个隔板背风面附近区域 ,有很多小的回流 ,这些回流也影响了该区域内温度的均匀分布 ,从温度分布图<3> 可以看到 ,在这个区域的中间部分有一定的温差 ,因此要采取有效的措施 ,削弱这些小的回流 .在第二个挡板左边加一个小挡板 ,对这个区域的气流造成一定的扰动 ,从而使这个区域横截面的速度分布均匀 ,达到稳定温度场的目的 .增加的挡板大小和所在的位置可以依实际情况来确定 ,在这里采用长×宽×高为 1 0 0ｍｍ× 31 3ｍｍ×1 0 0ｍｍ的挡板 .位置大概在高 1 2 0 0ｍｍ处 ,其左边距离第一块隔板背风面 330ｍｍ .增加了挡板的区域中气体的回流减小了很多 ,只是在靠近隔板边缘的区域仍然有一些小的回流 ,这是因为隔板壁面与气体间存在摩擦 ,对气体的流动有一定的迟滞作用 ,所以这是不可避免的 .而其他结构没有发生变化的区域 ,流动情况也和原先没改变时的流动情况差别不大 .采用优化方案后 ,火道中两个喷口喷出的煤气与空气混合发生燃烧 ,但两个燃烧区域的温度梯度差别比较大 ,这是因为在左边的喷口附近的氧气浓度较高 ,而右边喷口喷出的煤气与浓度较低的氧气混合燃烧 ,所以两个燃烧区域的温度差别较大 .非燃烧区域中 ,左右两段火道的温度差异不大 ,基本上保持着稳定的温度场 ,这也充分说明了此优化方案的科学性 .氧气的分布规律和优化前类似 ,也是越靠近燃烧区域 ,氧气被消耗越多 ,其浓度也就越低 ;越远离燃烧区域 ,其浓度越高 .3 综合优化方案前面介绍的两种优化方案 ,有它们各自的优点 ,它们对火道内流场和温度场优化的效果也是不一样的 ,第一种优化方案可以明显减少底部死角区域的回流 ,使这一区域内的流场分布趋于均匀 ,从而起到了稳定温度场的作用 .但是这种方案不能避免前段火道中间区域靠近第一块隔板的回流 ,而这一区域的回流对该区域的温度分布影响很大 ,因此考虑在这一区域增加一块小挡板对这里的气体流动造成一定的扰动 ,从而达到均匀流场和稳定温度场的目的 ,这就是第二种优化方案 .如果能把这两种优化方案的优势综合起来 ,可以取得更好的优化效果 ,即在火道底部各布置四块小挡板 ,在前段火道的中间位置布置一块挡板 .综合优化方案如图 1所示 .图 1 火道综合优化结构图 (单位ｍｍ)图 2是流场分布图 .在前段火道底部 ,气体流图 2 综合优化火道结构后的流场分布图动较为均匀 ,没有很明显的回流 .在前段火道中间段区域 ,气体流动也比未优化的流动均匀一些 .图3是温度分布图 ,从图中可以看到燃烧区域温度高于非燃烧区域 ,这是因为气体吸收了燃烧释放图 3 综合优化火道结构后的温度分布 (单位 :Ｋ)的热量 ,而左边喷口喷出的煤气燃烧很充分 ,因为与它们混合的空气中 ,氧气浓度比右边喷口高 ,因此左边燃烧区域温度比右边燃烧区域温度略高一些 .而且在燃烧区域内 ,越远离空气入口 ,其内部氧气浓度越低 ,燃烧趋于艰难 ,因此温度也越低 .而在非燃烧区域 ,左右两端火道内的温度分布比较均匀 .图 4为综合优化处理后的火道内氧气浓度图 ,在左右两个喷口下的燃烧区域内氧气含量很低 ,氧气在这一区域内经过燃烧被消耗了很多 ,所图 4 综合优化火道结构后的氧气浓度图以在该区域氧气含量是最低的 .在非燃烧区域氧气含量相对较高 ,而且越靠近空气入口的位置 ,氧气含量越高 .越远离空气入口的位置 ,氧气含量就越低 .ＣＯ2 的浓度分布规律和氧气相反 ,在燃烧区域内含量为较高 ,但是两个燃烧区域内的ＣＯ2 含量不是一致的 ,右边燃烧区域的ＣＯ2 含量高于左边燃烧区域 ,这是因为右边燃烧区域内的ＣＯ2 是经过两次燃烧后的产物 ,而左边燃烧区域的ＣＯ2只是经过了一次燃烧后的产物 .在非燃烧区域ＣＯ2 浓度较低 ,而且越靠近空气进口的位置 ,ＣＯ2的浓度越低 ,靠近气体出口的位置ＣＯ2 的含量较高 .阳极焙烧炉火道结构优化@姚成军$华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
@徐明厚$华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
@张立麒$华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
@陈宁$华中科技大学煤燃烧国家重点实验室阳极焙烧炉;;
数值模拟;;结构优化对阳极焙烧炉的火道结构进行了优化模拟计算 .分析了两种结构优化方案的可行性 ,并得出综合优化方案 .研究表明 ,适当调整挡板的位置可以改善气流的分布 .结果显示 ,综合优化方案对改善阳极焙烧炉的燃烧条件有着显著效果 .数值模拟的方法为阳极焙烧炉结构和运行参数的优化提供了较准确、快速和经济的研究手段 .<1>梅 炽.冶金传递过程原理.长沙:中南工业大学出版社,1987.
<2>周 萍,周乃君,易正明等.水平环式焙烧炉火道内气流分布规律的研究.矿冶工程,2000,20(4):56～59
<3>姚成军,徐明厚,张立麒等.阳极焙烧炉火道燃烧过程模拟.华中科技大学学报(自然科学版),2002,30(11):60～62火道综合优化结构图 (单位ｍｍ)图 2是流场分布图 .在前段火道底部 ,气体流图 2 综合优化火道结构后的流场分布图动较为均匀 ,没有很明显的回流 .在前段火道中间段区域 ,气体流动也比未优化的流动均匀一些 .图3是温度分布图 ,从图中可以看到燃烧区域温度高于非燃烧区域 ,这是因为气体吸收了燃烧释放图 3 综合优化火道结构后的温度分布 (单位 :Ｋ)的热量 ,而左边喷口喷出的煤气燃烧很充分 ,因为与它们混合的空气中 ,氧气浓度比右边喷口高 ,因此左边燃烧区域温度比右边燃烧区域温度略高一些 .而且在燃烧区域内 ,越远离空气入口 ,其内部氧气浓度越低 ,燃烧趋于艰难 ,因此温度也越低 .而在非燃烧区域 ,左右两端火道内的温度分布比较均匀 .图 4为综合优化处理后的火道内氧气浓度图 ,在左右两个喷口下的燃烧区域内氧气含量很低 ,氧气在这一区域内经过燃烧被消耗了很多 ,所图 4 综合优化火道结构后的氧气浓度图以在该区域氧气含量是最低的 .在非燃烧区域氧气含量相对较高 ,而且越靠近空气入口的位置 ,氧气含量越高 .越远离空气入口的位置 ,氧气含量就越低 .ＣＯ2 的浓度分布规律和氧气相反 ,在燃烧区域内含量为较高 ,但是两个燃烧区域内的ＣＯ2 含量不是一致的 ,右边燃烧区域的ＣＯ2 含量高于左边燃烧区域 ,这是因为右边燃烧区域内的ＣＯ2 是经过两次燃烧后的产物 ,而左边燃烧区域的ＣＯ2只是经过了一次燃烧后的产物 .在非燃烧区域ＣＯ2 浓度较低 ,而且越靠近空气进口的位置 ,ＣＯ2的浓度越低 ,靠近气体出口的位置ＣＯ2 的含量较高 .阳极焙烧炉火道结构优化@姚成军$华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
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