敞開式陽極焙燒爐爐面?zhèn)鳠釘?shù)值模擬

敞開式陽極焙燒爐爐面?zhèn)鳠釘?shù)值模擬

開敞式極端烤爐爐火道頂部的火焰預(yù)制塊是爐面的主要組成部分。由于這些預(yù)制塊密度大、具有很高的導(dǎo)熱率。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,火道頂部預(yù)制塊的上表面溫度最高可達(dá)200℃以上,6個運(yùn)轉(zhuǎn)爐室火道墻上表面的平均散熱熱流為6123kJ/(m2h),導(dǎo)致了爐面溫度高、散熱損失大、操作環(huán)境惡劣。所以開展對敞開式陽極焙燒爐火道頂部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究和改造,是提高陽極焙燒爐節(jié)能技術(shù)水平的可靠途徑。1爐面和材料內(nèi)部溫度分布通過對敞開式陽極焙燒爐火道頂部的耐火澆注料預(yù)制塊采用不同材料、不同厚度條件下的爐面和材料內(nèi)部溫度分布進(jìn)行比較和分析;通過對不同火道頂部結(jié)構(gòu)的造價(jià)、蓄熱以及散熱損失的比較,優(yōu)化和確定其最佳的材料和厚度,制定出更為優(yōu)化的敞開式陽極焙燒爐火道頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。2頂部結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)本研究是利用FLUENT軟件對爐面?zhèn)鳠岬臄?shù)值模擬。(1)敞開式陽極焙燒爐火道頂部結(jié)構(gòu)如圖1所示。(2)在GAMBIT軟件平臺上進(jìn)行結(jié)構(gòu)空間建模,圖2為該軟件生成的用于仿真計(jì)算的三維體系網(wǎng)格。(3)數(shù)值模擬的初始條件(1)環(huán)境溫度:20℃;(2)最終加熱溫度:1250℃;(3)火道頂部下表面升溫曲線見表1。2.1對方案進(jìn)行確定本研究依據(jù)對國內(nèi)某鋁廠敞開式陽極焙燒爐爐面溫度的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬。從加熱到冷卻,以14P為一個周期,每P28小時。本次模擬分以下幾個步驟:(1)對上述焙燒爐爐面在一個周期內(nèi)溫度分布的變化情況,以及各層材料間的溫度與其使用溫度進(jìn)行比較。(2)通過對上述焙燒爐現(xiàn)有火道頂部結(jié)構(gòu)(作為第1方案)情況的分析,優(yōu)化爐面塊的材料,再從優(yōu)化的角度確定出第2和第3方案,并對各方案中各層材料間的溫度與使用溫度進(jìn)行比較,從而確定厚度。(3)通過對實(shí)際尺寸和優(yōu)化尺寸的爐面在蓄熱和散熱方面進(jìn)行定性分析與比較,從而確定其實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值。各方案火道頂部結(jié)構(gòu)中各層材料厚度如表2所示:2.2傳熱過程過程本優(yōu)化研究的對象為敞開式陽極焙燒爐爐面,數(shù)值模擬的內(nèi)容為爐面的傳熱過程。組成爐面的火道頂部結(jié)構(gòu)材料物性參數(shù)如下:(1)天然氣發(fā)熱量:35000kJ/m3(N)價(jià)格:2.3元/m3(N)(2)爐面總面積:968.5m2(3)所涉及各種材料的物性見表3。3火道上表面溫度和爐蓋溫度分布非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的初始條件計(jì)算用步長取為60S,共計(jì)算了一個周期(1411200S),得到每個方案的爐面溫度場,為焙燒爐爐面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。爐面內(nèi)壁在一個周期內(nèi)的實(shí)際溫度變化如圖3所示。通過對各爐面方案的數(shù)值計(jì)算,得到各方案各層之間的最高溫度見表4:由上面的表和圖可以看出各方案爐面各層耐火材料接觸面的最高溫度,方案1火道上表面表面溫度最低為212℃,爐蓋溫度為808℃;方案3火道上表面表面溫度最低為53℃,爐蓋溫度為48℃。在整個周期內(nèi)可以看出,火道上表面溫度隨著時間的增加發(fā)生了很大的變化,而火道頂部結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化不大。由此可以得出爐子爐面的熱損失主要為散熱損失,蓄熱損失只占其中的小部分。所以應(yīng)主要從火道頂部結(jié)構(gòu)內(nèi)部耐火、保溫材料的種類及其厚度入手來進(jìn)行研究。4不同爐面熱損失的計(jì)算因?yàn)樵诔ㄩ_式陽極焙燒爐實(shí)際生產(chǎn)過程中,加熱時間共6P,所以選取6P為一個周期,總共加熱時間168小時。從數(shù)值模擬及實(shí)測結(jié)果得知,加熱終了時,火道頂部結(jié)構(gòu)中各層材料的平均溫度見表5:(1)敞開式陽極焙燒爐爐面加熱終了時的蓄熱量Q=Q1+Q2+…+Qi=c1·ρ1·V1(t1′-ta)+c2·ρ2·V2(t2′-ta)+…+ci·ρi·Vi(ti′-ta)式中:Q——爐面加熱終了時蓄熱量,kJ;Q1…Qi——分別為爐面各層材料加熱終了時蓄熱量,kJ;c1…ci——分別為各蓄熱材料終了平均比熱,kJ/kg℃;V1…Vi——分別為各層蓄熱材料體積,m3;t1′…ti′——分別為各蓄熱材料終了平均溫度,℃;ta——環(huán)境溫度,℃。(2)敞開式陽極焙燒爐爐面加熱終了時的散熱量Q=Q1+Q2+…+Qi=ρCp(t1-ta)τq+ρCp(t2-ta)τq+…+ρCp(ti-ta)τq式中:Q——一個爐室爐面加熱終了時散熱量,kJ;Q1…Qi——分別為一個爐室爐面不同周期散熱量,kJ/m2;t1…ti——分別為空氣出口不同時刻溫度,℃;Cp——為空氣平均比熱,kJ/kg℃;ta——環(huán)境溫度,℃;τ每個周期時間,h。(3)敞開式陽極焙燒爐火道頂部結(jié)構(gòu)各個方案所組成的不同爐面熱損失計(jì)算結(jié)果,見表6:由表6可以看出在一個加熱周期終了時,方案3總蓄熱量最高,而方案2總蓄熱量最低。在散熱方面方案3最低,方案1最高,綜合來看總熱損失方案1最高,方案3最低。而且方案1散熱損失是主要因素,方案3蓄熱損失是主要因素。5不同方案的能耗經(jīng)濟(jì)性分析和比較結(jié)果(1)由敞開式陽極焙燒爐火道頂部結(jié)構(gòu)各方案組成的焙燒爐爐面砌體成本見表7。由表7可以看出,方案1爐面材料造價(jià)最高,為301.7萬元;而方案3最低,為276.1萬元。(2)敞開式陽極焙燒爐爐面砌體不同方案的能耗經(jīng)濟(jì)性分析見表8。(3)爐子不同使用年限情況下,不同方案的爐面砌體及熱損失經(jīng)濟(jì)成本分析和比較結(jié)果見表9。從以上表中可以看出,以第1個方案(即現(xiàn)有火道頂部結(jié)構(gòu)所組成的爐面砌體)為基準(zhǔn),其他各個方案的爐面砌體及熱損失總成本節(jié)約的效果都非常明顯。尤其是第3方案所給出的火道頂部結(jié)構(gòu),將是今后設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向。6從爐面溫度和爐面熱損失方面分析通過對敞開式陽極焙燒爐火道頂部結(jié)構(gòu)所組成的爐面?zhèn)鳠岬臄?shù)值模擬得到以下結(jié)論:分別對三種不同結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了傳熱過程的非穩(wěn)態(tài)模擬,得到了各方案各層之間的最高溫度、加熱終了時爐面各層耐火材料接觸面溫度、焙燒爐爐面加熱終了時的蓄熱量和散熱量、焙燒爐爐面砌體及熱損失總成本。分析結(jié)果表明:(a)通過各方案各層之間的最高溫度得出方案1爐面塊表面溫度最低為212℃,爐蓋溫度為808℃;方案3爐面塊表面溫度最低為53℃,爐蓋溫度為48℃。(b)通過各方案爐面熱損失得出方案3總蓄熱量最高,而方案2總蓄熱量最低,在散熱方面方案3最低,方案1最高,綜合來看總熱損失方案1最高,方案3最低。而且方案1散熱損失是主要因素,方案3蓄熱損失是主要因素。(c)通過各方案爐面耐火、保溫材料造價(jià)得出方案1爐面耐火材料造價(jià)最高為301.7萬元,而方案3最低為276.1萬元。(d)以第一個方案為基準(zhǔn),其他各個方案與其相比較所得數(shù)據(jù)如上表所示。從表中可以看出方案2和方案3焙燒爐爐面砌體及熱損失總成本節(jié)約的效果都非常明顯;其中方案1是目前實(shí)際運(yùn)行爐子火道頂部結(jié)構(gòu),通