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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。

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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 NO_x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。

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。

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）。

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 NO_x熔炉铺平了道路。

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 NO_x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。