使用数值方法设计环保的阳极焙烧工艺

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员与 Aluchemie 公司使用多物理场仿真技术,合作设计了一种环保的阳极焙烧工艺。


作者 Rachel Keatley
2020 年 7 月

铝是地壳中含量第三的元素,从保存剩饭的箔纸到环球飞行的飞机机身上,都能找到它的身影。在制造各种铝制产品之 前,必须先通过 Hall-Héroult 工艺利用生阳极将铝从铝土矿中熔炼并提取出来。生阳极需要具有低反应活性、高强度和导 电性才能被用于 Hall–Héroult 工艺。在实际生产中,通常采用对阳极进行焙烧的方法来获得这些特性。

来自荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology,TU Delft)的一个研究团队正在与荷兰 Aluchemie 公司合作研究阳极焙烧工艺设计。为了深入了解和优化阳极焙烧工艺过程,提高铝的产量,团队采用了数值模拟的方法进行设计。

多物理场问题:阳极焙烧工艺

烘焙蛋糕时,我们需要各种配料才能获得合适的稠度、质地和风味。阳极焙烧过程就像烤蛋糕一样,只是它烤出来的不 是蛋糕,而是可用于 Hall–Héroult 工艺中提取铝的阳极。在这个工艺中,需要考虑多种物理现象,例如湍流、燃烧过程、共轭传热和辐射。研究团队的成员 Prajakta Nakate 说 :“我对该项目感兴趣,主要因为它是一个多物理场问题。” 与烘焙蛋糕不同,阳极焙烧过程需要实现包括均匀加热、降低能耗以及减少燃烧过程中烟灰的形成等多个目标。

Hall–Héroult 阳极焙烧工艺非常耗费能源,并会释放出对环境有害的排放物。例如排放气体中的氮氧化物(NOx)是常 见的空气污染物之一,会形成烟雾和酸雨。Nakate 的研究包括减少阳极焙烧过程中 NOx 的排放,从而降低对环境的不良影响。“每当谈到环境问题时,人们总是会责怪各种化工过程。我希望能够通过优化阳极焙烧工艺来降低对环境的影响。”Nakate 说道。

为了减少阳极焙烧过程中 NOx 的形成,首先要了解该过程中涉及的各项参数。Nakate 介绍 :“通常,我们需要通过复杂的实验方法了解不同的参数,而建立数学模型是较为简便的方法。”

数值模拟:设计理想阳极焙烧工艺的秘方

在与 TU Delft 合作之前,Aluchemie 公司曾尝试使用耗时的试错法优化阳极焙烧炉(图 1)。“该项目中最重要的是确 定阳极焙烧过程中可能出现问题的区域,我认为只有通过仿真的方法才能实现。”Nakate 评论道。在模拟阳极焙烧过程中,TU Delft 的研究团队选择了 COMSOL Multiphysics® 软件,因为它提供了一个多物理场建模环境,这是该项目研究中必不可少的因素。

图 1 Aluchemie 公司的阳极焙烧炉。

研究人员使用了两种模型来研究阳极焙烧过程。第一个模型分析了熔炉中空气和燃料(甲烷)的无反应湍流 ;第二个模型分析了熔炉中含辐射的反应流,作为第一个模型的扩展。模型通过一组数学方程描述阳极焙烧过程中涉及的多种物理现象,这些数学方程是数值模型的基础。

两种模型都使用了相同的二维几何形状研究熔炉的加热区(图 2)。熔炉的几何形状包括三个折流板区域,每个区域约有 60 ~ 70 块连结砖,而复杂的几何形状使问题变得极具挑战性。Nakate 提到 :“如果更换连结砖的位置, 就会改变熔炉中的气流,从而影响阳极焙烧过程中化学物质的分布和温度。”连接砖和折流板还增加了熔炉中用于排放废气的烟道壁的结构强度。

图 2 使用 COMSOL® 多物理场仿真软件模拟的阳极焙烧炉的几何形状及边界。(水平红线下方为熔炉最重要的区域。) 图注: Inlet for air – 气体入口; Inlet for fuel – 燃料入口; Outlet – 出口; Baffles – 折流板; Tie-bricks – 连结砖; Heating section – 加热区。

湍流反应流模型

在研究不考虑反应的湍流时,Nakate 及其团队比较了两种湍流模型 :Spalart–Allmaras 模型和 k-ε 模型。这两种模型各有其自身的优势,特别是在分析阳极焙烧方面。

该团队使用 IB Raptor 代码验 证了由 Spalart-Allmaras 模型生成的流场结果。Nakate 解释道 :“IB Raptor 代码是一个专用的流体求解器,我们希望与一款专注于流体仿真的软件进行对比来验证我们的结果。”仿真结果显示,使用 COMSOL Multiphysics® 软件 和 IB Raptor 代码得到的熔炉中流体的速度和黏度非常接近(图 3)。

1D plot showing good agreement for the velocity magnitude results from COMSOL Multiphysics and IB Raptor code. Velocity magnitude
1D plot showing good agreement for the viscosity ratio results from COMSOL Multiphysics and IB Raptor code. Viscosity ratio
图 3 使用COMSOL Multiphysics® 和 IB Raptor 代码仿真得到的速度(左)和黏度比(右)结果对比。图注:Anode Baking Furnace Simulation – 阳极焙烧炉模拟; grid C – 格栅 C; grid M – 格栅M; grid F – 格栅 F; Ref.code – 参考结果; Velocity Magnitude – 速度;Viscosity ratio – 黏度比。

在研究发生反应的湍流时,通过使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的化学反应工程模块和传热模块,研究团队添加了甲烷(CH4)的单步燃烧反应和传热(包括参与介质中的辐射),从而将第一个模型扩展为湍流反应流模型。Nakate 的团队使用辐射反应流模型得到了合理的仿真结果(图 4),并为进一步改进模型、更加深入地了解和优化 NOx 熔炉铺平了道路。

图 4 湍流反应流模型中甲烷( CH)的质量分数。图注:Mass fraction – 质量分数。

开发新模型

通过仿真,TU Delft 团队和 Nakate 能够分析和确定阳极焙烧炉中的重要区域,而仅凭实验不可能做到这一点,因为熔 炉的尺寸比较大。Nakate 说 :“我们只能通过移开燃烧炉并使用热像仪从顶部拍照来观察熔炉,但是只有通过仿真才能观察熔炉中的温度或化学物质分布。”

目前,TU Delft 团队正在努力将其阳极焙烧工艺的二维模型扩展为三维瞬态模型。他们还计划全面研究新模型中的燃 烧反应,这将帮助他们更多地了解阳极焙烧工艺中 NOx 的减少情况。辐射是阳极焙烧过程中的主要物理现象,也将在扩展模型中得到进一步分析。

在谈到个人研究目标时,Nakate 表示 :“我想从事一项能直接应用在工业中,并对环境产生积极影响的项目。” 因此, 与 Aluchemie 公司一起研究阳极焙烧工艺与她的目标完美契合。凭借所学知识,TU Delft 团队和 Nakate 有信心继续他们的研究,并找到通过仿真设计优化阳极焙烧工艺的新方法。