朱东旭

（东北大学设计研究院（有限公司），沈阳 110013）

1 Fluent 软件简介

Fluent 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。其功能及特点如下：完全非结构化网格；定常（稳态）/非定常（瞬态）流动模拟；先进的动/变形网格技术；多网格支持功能；多重数值算法；先进的物理模型。

2 火道墙结构优化

阳极焙烧炉的核心部位为火道，燃料在火道内燃烧，产生的热能通过火道墙传递给火道外的阳极炭块，并将阳极炭块产生的挥发分引入到火道内燃烧。因此火道内燃烧过程与温度分布是我们研究的重点内容，而要想研究燃烧过程与温度分布就需要研究火道墙的结构。火道墙结构主要有“W”型火焰系统和“W+V”型火焰系统。

本次选用国内已投产运行的某“W”型火焰系统焙烧炉为研究对象，通过实际测试得到的边界条件，进行稳态数值模拟，分析加热阶段燃烧过程及温度分布，从而对现有火道墙结构进行优化，改善燃烧场及温度场，最终提高阳极质量。

3 数值模拟

3.1 理论依据

基于对称性原理，计算的控制体积在x方向取火道的中心线到相邻料箱中心线距离，y方向取料箱顶部到底部距离，z方向则为炉长方向从冷风进口到排烟架出口距离。

计算时只要炉长方向（z方向）的节点划分足够细，就可以将焙烧炉的料箱（包括火道墙、填充料和阳极炭块）与相应火道假设成一个逆流热交换模型。计算中阳极炭块、填充料以及火道墙的热物性都假设为温度的函数。料箱传热则只讨论二维情况（x，y方向）。

3.2 数学模型

能量平衡方程 ：

传热方程：

动量方程：

3.3 边界及初始条件

燃料：天然气，热值：36300kJ/Nm³，用量：7.4Nm³/h

空气进口 ：70Nm³/h，0Pa

烟气出口 ：95Nm³/h，-5Pa，V=0.75m/s

4 结果与分析

（1）流场分布。由图1可知，最高流速出现在火道喷口处，而端部、底部及死角处流速最低，由于隔墙的阻碍，使火道内呈现“W”型结构，延长气流在火道内流过的时间，使燃料及挥发分能够有充分时间燃烧。顶部2处及底部1处开口，同样流速较高，这个种短路使得气流分配更加合理。图中拉砖的布置不仅仅是火道墙结构的增强，同样起到扰流的作用，使气流能够均匀分布在火道内。

图1 流场分布

（2）火道墙温度分布。天然气在顺着高温烟气流动方向喷入到火道内，由图2可知，天然气遇到补充的空气后在燃烧区域内温度增高，而入口的温度以及死角的温度最低，这些低温区域恰好也是速度最低区域，这是因为速度高的区域，气流流动快，对流和辐射换热效果明显。因此需要进一步优化拉砖，使其整个火道墙温度分布趋于均匀，这样才能减少阳极上下部温差，提高产品质量。

图2 温度分布

（3）浓度分布。由图3可知，作为产物在入口处浓度最低，在进入第一个燃烧区后他们大量生成，含量进入最大值。第二个燃烧区后由于氧气的消耗使其燃烧反应减弱，相应的产物生产也开始减少，直至不发生反应。

图3 CO2浓度分布

由图4可知，当助燃空气刚刚进入火道内，此时的氧气含量最大，当遇到天然气时，开始剧烈燃烧，含量急剧下降。由图中对比可见，二氧化碳和氧气的分布恰恰相反，符合燃烧规律。

图4 O2浓度分布

（4）压力分布。在实际生产操作中，是通过负压来调节火道内燃烧状态。火道负压大，则挥发分通过火道墙砖缝渗透到火道内的速度快，挥发分具有很高的热值，能够大大降低天然气能耗，但不利于沥青的析焦；火道负压小，则挥发分渗透的慢，不利于能耗，但会对沥青的析焦有好处。因此合理的负压需要根据产品质量及能耗综合考虑。由图5可知，燃料进口处负压最大，而预热空气进口处负压也大，但经过一个燃烧区后，负压平稳，整体负压差不大，说明炉子密封较好，降低了负压的平均水平。

图5 压力分布

5 结论

根据以上的模拟分析，我们可形象的了解火道内的各种工况，并根据结果结合现场实测数据，来修正我们的边界条件，使其更接近实际，指导后续的模拟分析。证明了此方法的可行性后，通过模拟分析修改火道墙结构，从而不断的优化设计，提高阳极质量。