Analysis, simulation and optimization of ventilation of aluminum smelting cells and potrooms for waste heat recovery

• Main Author: Zhao, Ruijie
• Other Authors: Gosselin, Louis
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Université Laval 2015
• Subjects: TJ 7.5 UL 2015; Aluminium > Fonderie; Fours de fusion; Chaleur > Récupération; Chaleur > Transmission; Air > Écoulement
• Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.11794/25771

En raison des quantités d’énergie requises par la production primaire d’aluminium et le rendement relativement faible, les rejets thermiques de cette industrie sont énormes. Ils sont par contre difficiles à utiliser à cause de leur faible température. De plus, tout changement apporté pour augmenter la température des rejets peut avoir un impact important sur la production. La compréhension du transfert thermique et de l’écoulement d’air dans une cuve peut aider à maintenir les conditions de la cuve lorsque des modifications y sont apportées. Le présent travail vise à développer cette compréhension et à apporter des solutions pour faciliter la capture des rejets thermiques. Premièrement, un circuit thermique est développé pour étudier les pertes thermiques par le dessus de la cuve. En associant des résistances thermiques aux paramètres physiques et d’opération, une analyse de sensibilité par rapport aux paramètres d’intérêt est réalisée pour déterminer les variables qui ont le plus d’influence sur la qualité thermique des rejets de chaleur dans les effluents gazeux. Il a été montré que la réduction du taux de ventilation des cuves était la solution la plus efficace. Ensuite, un modèle CFD a été développé. Un bon accord a été trouvé entre les deux modèles. Deuxièmement, une analyse systématique de la réduction de la ventilation des cuves a été réalisée par la simulation CFD. Trois problèmes qui peuvent survenir suite à une réduction du taux de ventilation sont étudiés et des modifications sont proposées et vérifiées par des simulations CFD. Le premier problème, maintenir les pertes thermiques via le dessus de la cuve, peut être résolu en exposant davantage les rondins à l’air pour augmenter les pertes radiatives. Le second problème soulevé par la réduction de ventilation concerne les conditions thermiques dans la salle des cuves et une influence limitée de la ventilation est observée par les simulations. Finalement, l’étanchéité des cuves est augmentée par une réduction des ouvertures de la cuve de manière à limiter les émissions fugitives sous des conditions de ventilation réduite. Les résultats ont révélé qu’une réduction de 50% du taux de ventilation est techniquement réalisable et que la température des effluents d’une cuve peut être augmentée de 50 à 60˚C. === Due to the high energy requirement and ~50% efficiency of energy conversion in aluminum reduction technology, the waste heat is enormous but hard to be recovered. The main reason lay in its relatively low temperature. Moreover, any changes may affect other aspects of the production process, positively or negatively. A complete understanding of the heat transfer and fluid flow in aluminum smelting cells can help to achieve a good trade-off between modifications and maintenance of cell conditions. The present work aims at a systematic understanding of the heat transfer in aluminum smelting cell and to propose the most feasible way to collect the waste heat in the cell. First, a thermal circuit network is developed to study the heat loss from the top of a smelting cell. By associating the main thermal resistances with material or operating parameters, a sensitivity analysis with respect to the parameters of interest is performed to determine the variables that have the most potential to maximize the thermal quality of the waste heat in the pot exhaust gas. It is found that the reduction of pot draft condition is the most efficient solution. Then, a more detailed Computational Fluid Dynamics (CFD) model is developed. A good agreement between the two models is achieved. Second, a systematic analysis of the reduction of draft condition is performed based on CFD simulations. Three issues that may be adversely affected by the draft reduction are studied and corresponding modifications are proposed and verified in CFD simulations. The first issue, maintaining total top heat loss, is achieved by exposing more anode stubs to the air and enhancing the radiative heat transfer. The second one is to verify the influence of the draft reduction on the heat stress in potroom and limited influence is observed in the simulations. Finally, the pot tightness is enhanced by reducing pot openings in order to constrain the level of fugitive emissions under reduced pot draft condition. The results have revealed that 50% reduction in the normal draft level is technically realisable and that the temperature of pot exhaust gas can be increased by 50-60 ˚C.