敞开式阳极焙烧炉炉面传热数值模拟

敞开式阳极焙烧炉炉面传热数值模拟

开敞式极端烤炉炉火道顶部的火焰预制块是炉面的主要组成部分。由于这些预制块密度大、具有很高的导热率。实测数据显示,火道顶部预制块的上表面温度最高可达200℃以上,6个运转炉室火道墙上表面的平均散热热流为6123kJ/(m2h),导致了炉面温度高、散热损失大、操作环境恶劣。所以开展对敞开式阳极焙烧炉火道顶部结构的优化研究和改造,是提高阳极焙烧炉节能技术水平的可靠途径。1炉面和材料内部温度分布通过对敞开式阳极焙烧炉火道顶部的耐火浇注料预制块采用不同材料、不同厚度条件下的炉面和材料内部温度分布进行比较和分析;通过对不同火道顶部结构的造价、蓄热以及散热损失的比较,优化和确定其最佳的材料和厚度,制定出更为优化的敞开式阳极焙烧炉火道顶部结构设计方案。2顶部结构及热设计本研究是利用FLUENT软件对炉面传热的数值模拟。(1)敞开式阳极焙烧炉火道顶部结构如图1所示。(2)在GAMBIT软件平台上进行结构空间建模,图2为该软件生成的用于仿真计算的三维体系网格。(3)数值模拟的初始条件(1)环境温度:20℃;(2)最终加热温度:1250℃;(3)火道顶部下表面升温曲线见表1。2.1对方案进行确定本研究依据对国内某铝厂敞开式阳极焙烧炉炉面温度的实测数据进行数值模拟。从加热到冷却,以14P为一个周期,每P28小时。本次模拟分以下几个步骤:(1)对上述焙烧炉炉面在一个周期内温度分布的变化情况,以及各层材料间的温度与其使用温度进行比较。(2)通过对上述焙烧炉现有火道顶部结构(作为第1方案)情况的分析,优化炉面块的材料,再从优化的角度确定出第2和第3方案,并对各方案中各层材料间的温度与使用温度进行比较,从而确定厚度。(3)通过对实际尺寸和优化尺寸的炉面在蓄热和散热方面进行定性分析与比较,从而确定其实际经济价值。各方案火道顶部结构中各层材料厚度如表2所示:2.2传热过程过程本优化研究的对象为敞开式阳极焙烧炉炉面,数值模拟的内容为炉面的传热过程。组成炉面的火道顶部结构材料物性参数如下:(1)天然气发热量:35000kJ/m3(N)价格:2.3元/m3(N)(2)炉面总面积:968.5m2(3)所涉及各种材料的物性见表3。3火道上表面温度和炉盖温度分布非稳态数值模拟的初始条件计算用步长取为60S,共计算了一个周期(1411200S),得到每个方案的炉面温度场,为焙烧炉炉面结构的设计提供参考。炉面内壁在一个周期内的实际温度变化如图3所示。通过对各炉面方案的数值计算,得到各方案各层之间的最高温度见表4:由上面的表和图可以看出各方案炉面各层耐火材料接触面的最高温度,方案1火道上表面表面温度最低为212℃,炉盖温度为808℃;方案3火道上表面表面温度最低为53℃,炉盖温度为48℃。在整个周期内可以看出,火道上表面温度随着时间的增加发生了很大的变化,而火道顶部结构内部的温度变化不大。由此可以得出炉子炉面的热损失主要为散热损失,蓄热损失只占其中的小部分。所以应主要从火道顶部结构内部耐火、保温材料的种类及其厚度入手来进行研究。4不同炉面热损失的计算因为在敞开式阳极焙烧炉实际生产过程中,加热时间共6P,所以选取6P为一个周期,总共加热时间168小时。从数值模拟及实测结果得知,加热终了时,火道顶部结构中各层材料的平均温度见表5:(1)敞开式阳极焙烧炉炉面加热终了时的蓄热量Q=Q1+Q2+…+Qi=c1·ρ1·V1(t1′-ta)+c2·ρ2·V2(t2′-ta)+…+ci·ρi·Vi(ti′-ta)式中:Q——炉面加热终了时蓄热量,kJ;Q1…Qi——分别为炉面各层材料加热终了时蓄热量,kJ;c1…ci——分别为各蓄热材料终了平均比热,kJ/kg℃;V1…Vi——分别为各层蓄热材料体积,m3;t1′…ti′——分别为各蓄热材料终了平均温度,℃;ta——环境温度,℃。(2)敞开式阳极焙烧炉炉面加热终了时的散热量Q=Q1+Q2+…+Qi=ρCp(t1-ta)τq+ρCp(t2-ta)τq+…+ρCp(ti-ta)τq式中:Q——一个炉室炉面加热终了时散热量,kJ;Q1…Qi——分别为一个炉室炉面不同周期散热量,kJ/m2;t1…ti——分别为空气出口不同时刻温度,℃;Cp——为空气平均比热,kJ/kg℃;ta——环境温度,℃;τ每个周期时间,h。(3)敞开式阳极焙烧炉火道顶部结构各个方案所组成的不同炉面热损失计算结果,见表6:由表6可以看出在一个加热周期终了时,方案3总蓄热量最高,而方案2总蓄热量最低。在散热方面方案3最低,方案1最高,综合来看总热损失方案1最高,方案3最低。而且方案1散热损失是主要因素,方案3蓄热损失是主要因素。5不同方案的能耗经济性分析和比较结果(1)由敞开式阳极焙烧炉火道顶部结构各方案组成的焙烧炉炉面砌体成本见表7。由表7可以看出,方案1炉面材料造价最高,为301.7万元;而方案3最低,为276.1万元。(2)敞开式阳极焙烧炉炉面砌体不同方案的能耗经济性分析见表8。(3)炉子不同使用年限情况下,不同方案的炉面砌体及热损失经济成本分析和比较结果见表9。从以上表中可以看出,以第1个方案(即现有火道顶部结构所组成的炉面砌体)为基准,其他各个方案的炉面砌体及热损失总成本节约的效果都非常明显。尤其是第3方案所给出的火道顶部结构,将是今后设计的改进方向。6从炉面温度和炉面热损失方面分析通过对敞开式阳极焙烧炉火道顶部结构所组成的炉面传热的数值模拟得到以下结论:分别对三种不同结构方案进行了传热过程的非稳态模拟,得到了各方案各层之间的最高温度、加热终了时炉面各层耐火材料接触面温度、焙烧炉炉面加热终了时的蓄热量和散热量、焙烧炉炉面砌体及热损失总成本。分析结果表明:(a)通过各方案各层之间的最高温度得出方案1炉面块表面温度最低为212℃,炉盖温度为808℃;方案3炉面块表面温度最低为53℃,炉盖温度为48℃。(b)通过各方案炉面热损失得出方案3总蓄热量最高,而方案2总蓄热量最低,在散热方面方案3最低,方案1最高,综合来看总热损失方案1最高,方案3最低。而且方案1散热损失是主要因素,方案3蓄热损失是主要因素。(c)通过各方案炉面耐火、保温材料造价得出方案1炉面耐火材料造价最高为301.7万元,而方案3最低为276.1万元。(d)以第一个方案为基准,其他各个方案与其相比较所得数据如上表所示。从表中可以看出方案2和方案3焙烧炉炉面砌体及热损失总成本节约的效果都非常明显;其中方案1是目前实际运行炉子火道顶部结构,通