烟气干法净化系统吸附剂加料与烟气混合的数值模拟.pdf

第6 0 卷第2 期 2008 年5 月 有色金属 弋O n f e r r o 腮M e - 渔l s V 0 1 ．6 0 ．N o ．2 M a y 20 08 烟气干法净化系统吸附剂加料与烟气混合的数值模拟 陈建强1 ，邓 翔2 1 ．贵州大学机械一- r “ 程学院，贵阳5 5 0 0 0 3 ； 2 ．申铝国际贵j j i 铝镁设计院，贵阳5 5 0 0 0 4 摘要运用F 1 u ∞t 计算机仿真模拟软件建模、划分网格、设定边界条件，以铝电解烟气干法净化系统的中r L , 喷射加料设备 及其喷管改进方案为基础进行计算杌仿真模拟。将模拟结果和试验现场或工程实际应用的情况进行对比。确定模拟的正确性和 对工程实际应用的指导意义。 关键词有色金属冶金；铝电解；数值模拟；烟气净化 中图分类号T F 8 2 1 ；T F S 0 5 ．3 ；T F l l l ．5 2 2 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 - 0 0 8 1 0 4 在铝电解烟气于法净化系统中，吸附剂加料与 烟气均匀混合是提高烟气干法净化效率的关键之 一，烟气干法净化加料设备的研究是改进烟气净化 系的重要环节。在烟气于法净化加料设备的研究的 中，除要对吸附剂本身的受力和运动特性进行分析 计算外，最好在对试验设备进行试验之前进行计算 机仿真模拟计算。一方面可以通过计算机模拟预测 试验的结果，节省试验投资，另外一方面也可以通过 计算机模拟计算缩短试验周期，加快试验进度，对试 验研究和工程设计有一定的指导意义。在工程实际 应用中。成功的模拟是设计优秀工程项目的基础，在 进行科学研究的过程中，成功而准确的模拟是进行 深入研究的前提。在计算机模拟计算过程中，边界 条件的设定是进行模拟计算的关键。以铝电解烟气 净化加料设备为研究对象，利用F l u e n t 模拟软件进 行加料设备的加料仿真模拟。 1 计算机模型的建立及计算机网格的 划分 在进行计算机模拟仿真计算时，首先要根据设 计方案设计出试验设备，然后根据试验设备的结构 尺寸建立计算机模型。G a m b i t 是F l u e n t 专用前处 理软件，是面向C F D 几何建模的网格生成软件，具 有强大的几何建模功能，既可以在g a m b i t 中直接生 成点、线、面、体，以及通过其强大的布尔运算能力组 合成各种集合模型，也可以从p r o ／e ，c a d ，a n s y s 等通 用系统中导入几何图形和网格。当从接口中导入几 收稿日期2 0 0 8 0 1 0 7 作者简介陈建强 1 9 7 4 一 ，男，贵阳市人．讲师，硕士，主要从事计 算机图像与仿真等方面的研究。 何图形时，g a m b i t 在保证原始精度的同时，通过虚 拟几何自动缝合小缝隙，这样既可以保证几何图形 的精度，又可以满足网格划分的需要。由于G a m b i t 建模对于三维建模要先建立体，由G a m b i t 提供的模 块中提供图形，通过布尔运算组合成需要的图形，所 以在构建比较复杂的模型时，工作过程比较繁复，用 c a d 等软件建模相对要简单一些。 计算机网格的划分可以采取自动划分的方法， 也可以根据需要设定节点进行划分，在进行网格划 分时，如果模型较复杂，网格数量较多，则要根据具 体情况选择合适的网格，一般划分六面体网格可以 减少网格数量，当时有它本身特点的限制，在相同尺 寸的情况下四面体网格的网格数量比六面体网格数 量大，优点是对模型的形状没有要求。 根据中心喷射加料设备的设计结构及具体尺寸 以及加料喷管的回流膨胀管的结构尺寸，建立计算 机模型，然后对计算机模型进行网格四面体划分，其 四面体 网格划分如图1 和图2 所示。 2 边界条件的设定 在进行f l u e n t 模拟计算以前，首先要进行边界 条件的处理，对于流动的出入口，f l u e n t 提供了速度 人口、质量入口、压力入口、压力出口、质量出口、通 风入口、通风出口、进风扇、排气扇、渗漏面、壁面等 2 1 种边界。在对上述两个模型进行模拟计算边界 条件设定过程中，主要设定以下边界条件 以小试试 验为例 。 烟气速度入口边界条件。用于定义流动速度以 及流动入口的流动属性相关变量，这一边界条件用 于不可压缩流动，速度人口边界条件需要输入的信 万方数据 有色金属 第6 0 卷 息有速度大小方向或者速度分量、旋转速度、温度、 出流压力、湍流参数、辐射参数、化学组分质量百分 比、混合分数和变化、发展变量、离散相边界条件、二 级相的体积分数等。在参数设定中，主要设定入口 烟气速度 1 8 m ／s 和温度 3 0 0 K 。 图1 计算机模拟回流膨胀管模型网格 F i g ．1L a c yn e t w o r ko fc o m p u t e r - s i m u l a t e dm o d e l o fe i r c u m f l u e n e ei n f l a t i o np i p e 图2 计算机模拟中心喷射加料模型网格 F i g ．2L a c yn e t w o r ko fc o m p u t e r - s i m u l a t e dc e n t r a l e j e c t i o nm o d e lo fs o r b e n ta p p e n d i n g 加料管质量流动人口边界条件。用于规定入口 的质量流量，当匹配规定的质量和能量流速而不是 匹配流入的总压的时候，通常使用质量入口边界条 件。质量入口边界条件需要输入质量流速和质量流 量总温、静压、流动方向、湍流参数、辐射参数、化学 组分质量百分比、混合分数和变化、发展变量、离散 相边界条件等。质量入口设定为加料面，质量流量 为0 ．0 4 - - 0 ．0 8 k g ／s 对应烟气流量为3 0 0 0 m 3 ／h ，最 大值可取0 ．1 2 5 k g ／s ，密度为加入固体物料的真密 度 氧化铝可取3 ．9 ，粒度取值8 5 t t m 。 ， 烟气压力出口边界条件。用于定义流动出口的 静压力，当出现回流的时候，使用压力出口边界条件 来代替质量出口边界条件有更好的收敛速度。压力 出口边界条件需要在出口边界指定静压，静压力的 指定用于亚音速流动。在解算过程中，如果压力出 口边界的流动是反方向的，回流条件也需要指定，如 果回流问题指定了比较符合实际的值，收敛困难性 就会被减到最小。压力出口边界条件需要输入的参 数有静压、回流条件、驻点温度、湍流参数、化学组分 质量百分比、混合分数和变化、发展变量、二级相的 体积分数、辐射参数、离散相边界条件。定义回流条 件，与使用的模型一致的回流属性会出现在压力出 口面板中，指定的值只用于通过出口进入的流动，如 果产生回流，已经指定的g a u g e 压力将作为总压力 使用，所以不必指定回流的压力值，在压力出口， F l u e n t 使用出口平面处的流体静压，作为边界条件 的压力，其他所有的条件从区域内部导出来。模型 出口边界选用压力出口o u t l e t ，出口压力为一 1 2 0 0 P a 参考工程实际应用的压力 ，烟气温度为 3 0 0 K 。 湍流计算模型。F l u e n t 提供了从不可压到可 压、层流、湍流等很大范围的模拟。湍流模型是f l u ． e n t 中很重要的部分，湍流会影响到其他的物理现 象，如浮力和可压缩性，通过使用扩展壁面函数和区 域模型，可以对近壁面的问题有很好的处理。F l u e n t 计算涉及到的基本运算方程有连续性和动量方 程、输运方程、质量守恒方程、动量守恒方程。在进 行f l u e n t 计算模型选择时，如果模拟具有大量漩涡 的湍流运动，应该使用一种高级湍流模型，R N G k ．￡ 模型和可实行的k - e 模型，或则雷诺应力模型，选择 计算模型取决于涡的强度，可以用漩涡的数量来度 量，S fr w v d A ／ R 』u v d A 。对于比较弱的 涡，R N G k e 模型和可实行的点一E 模型比标准的愚．e 模型好。对于强度高的漩涡，选择雷诺应力模型。 上述模型计算方程选用是一￡方程，该计算模型适应 于一般的紊流模型。 计算选用能量守恒方程，加料混合模型选用离 散型模型 氧化铝加料量最大为1 5 0 9 ／m 3 ，颗粒直径 0 ～1 5 0 “m ，符合离散型模型的适用条件颗粒之间 的距离远远大于颗粒的直径 ，其他按系统自动设定 的条件。‘ ” 3 模拟结果 通过对上述模型边界条件的设定，对上述模型 进行计算机模拟计算。为了便于观察分析加料喷管 的回流膨胀管管道内的流动情况，建立一个管道中 心线所在的面，进行模拟结果显示。图3 为Y 0 平面流动轨迹图，从图3 中的流动轨迹可知，流体进 万方数据 第2 期 陈建强等烟气干法净化系统吸附剂加料与烟气混合的数值模拟8 3 人到膨胀管后，部分流体直接从膨胀管的出口流出， 另外一部分则在遇到膨胀管的壁面后折返，产生了 回流，这个过程是使气固两相重新混合的过程，从膨 胀管出口的流动迹线来看，迹线分布相对更加均匀， 流动的均匀性得到了改善。 为了便于观察分析中心喷射加料设备内的颗粒 的流动情况，同样显示一个管道中心线所在的面的 模拟结果见图4 。从图4 中的颗粒运动轨迹可知， 流体从喷嘴喷出以后，大部分颗粒并不是做径向运 动，有碰撞到挡板后反射的现象，体现了颗粒运动的 不规则性，颗粒的发散性能很好，能迅速与烟气混 合，达到预期的效果，存在小部分颗粒打到文丘里管 后反射回烟气中的现象，这与小型试验的结果一致。 图3 计算机模拟回流流线 F i g ．3C o m p u t e r - s i m u l a t e de i r c u m f l u e n c es t r e a m l i n e 图4 计算机模拟加料粒子轨迹图 F i g ．4C o m p u t e r - s i m u l a t e dt r a c ko fs o r b e n t a p p e n d i n gp a r t i c l e s 4与试验结果的对比 试验过程中通过拍摄的方式记录试验的结果， 加料回流效果见图5 ，实际加料状态见图6 ，加料管 内气固两相流动效果见图7 。 将模拟结果与拍摄的实际试验结果对比，从两 者的流场分布、气固流动状态以及流动方向的角度 对比，摒除试验设备加工的影响，确定模拟结果接近 试验结果。对比试验拍摄照片和计算机动态模拟结 果可以看出两个特征。 1 气流进入膨胀管后开始 扩散，部分气流从膨胀管出口直接流出，部分气流在 回流管膨胀管图片中右上方 加料管弯头的外侧 位 置首先出现回流分散，大部分回流的气流顺壁面流 到图片中的左下方然后再次分散在回流管中。 2 图5 膨胀管回流效果图 F i g ．5 P i c t u r e so fe i r e u m f l u e n e ee f f e c to fi n f l a t i o np i p e 图6 加膨胀管后喷管喷出效果 F i g ．6E j e c t i n ge f f e c to fe j e c t i o np i p ea f t e r i n f l a t i o np i p eb e i n ga d d e d 图7 加料管内气固两相流动状态 F i g ．7 F l o ws t a t eo fs o l i da n dl i q u i di n s o r b e n ta p p e n d i n gp i p e 万方数据 有色金属第6 0 卷 加料管内气固两相流在加料管弯头处发生气固两相 分离，固相颗粒集中的弯头的外侧，并在弯头后段缓 慢改变这种状况，直到膨胀管的进口，只有弯头外侧 参考文献 的半边管道中有氧化铝颗粒，而另外半边管道内氧 化铝颗粒的含量很少。从以上两个特征可以说明模 拟结果相对比较成功。 [ 1 ] 王福军．计算流体动力学分析[ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 4 1 9 6 2 1 4 ．，． [ 2 ] 韩占忠，王敬，兰小平．F l u e n t 流体工程仿真计算实例与应用[ M ] ．北京北京理工大学出版社，2 0 0 4 2 1 0 2 1 4 ． [ 3 ] 周力行．湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 4 1 8 4 2 0 7 ． 【4 ] 邓翔，吕维宁．利用F L U E N T 求解铝电解槽集烟管的探讨[ J ] ．有色金属设计，2 0 0 6 ，3 3 4 1 8 2 1 ． N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nS o r b e n tA p p e n d i n ga n dF u m eM i x t u r ef o rD r yS c r u b b i n gS y s t e m C H E NJ i a n ．q i a n 9 1 ，D E N GX i a n 9 2 1 ．C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ＆A u t o m a t i o n ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ．G u i y a n gA l u m i n u m - M a g n e s i u m D e s i g n ＆R e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h a l i e c o ，G u i y a n g5 5 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a e t B a s e do nt h ee q u i p m e n tu s e dt os p r a ya l u m i n at of u m ei nt h ed u c tf r o mc e n t e rt os u r r o u n da n dt h ep l a no f i m p r o v i n gt h es p r a y e r ，t h es o r b e n ta p p e n d i n ga n df u m em i x i n gs y s t e mi nt h ef u m es c r u b b i n gs y s t e mo fa l u - m i n u mr e d u c t i o naren u m e r i c a l l ys i m u l a t e dw i t ht h em o d e l i n g ，p a r t i t i o ng r i d d i n g ，a n db o u n d a r yc o n d i t i o ns e t t i n gb yu s i n gt h es o f t w a r eF l u e n t ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n di t sd i r e c t i v ef u n c t i o no nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e a r ei d e n t i f i e db yc o n t r a s t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n dt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei n s t a n c e ． K e y w o r d s n o n f e r r o u sm e t a l l u r g y ；a l u m i n u mr e d u c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f u m es c r u b b i n g 万方数据