工业熔铅生产铅蒸气污染扩散过程数值模拟.pdf

2 0 1 6 年第6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 6 ．0 6 ．0 1 9 工业熔铅生产铅蒸气污染扩散过程数值模拟 谢锴，李启，米沙 中南大学能源科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要建立粗铅熔融精炼的实体模型，对熔铅生产时铅蒸气收集情况进行三维数值模拟。研究熔铅锅及 负压板周围的流动特性，结果表明，计算结果与测试数据较为吻合，侧边吸风罩收集铅蒸气的体积分数 小，进入其中的气体大部分为空气，铅蒸气密度过大容易下沉而无法被收集进入吸风管道，总管处铅蒸 气的收集效率只有1 ．1 ％，收集效果不理想。 关键词铅蒸气；熔铅锅；负压板；数值模拟 中图分类号T F 8 1 2 ；X 7 0 8文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 6 0 6 0 0 7 1 - 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fL e a dV a p o rC o n t a m i n a t i o nD i f f u s i o n P r o c e s si nI n d u s t r i a lP r o d u c t i o no fM o i t e nL e a d X I EK a i ， S c h o o lo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g L IQ i ，M IS h a C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t E n t i t ym o d e lo fs m e l t i n ga n dr e f i n i n go fc r u d el e a dw a sb u i l tf o rt h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fl e a dv a p o rc o l l e c t i o nd u r i n gl e a ds m e l t i n ga n di n v e s t i g a t i o no ff l o wc h a r a c t e r i s t i c so fm o l t e n l e a dp o ta n dn e g a t i v ep r e s s u r ep l a t e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc a l c u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht e s td a t a ． V o l u m ef r a c t i o no fl e a dv a p o ri ss m a l la n dm o s to fg a si sa i ri ns i d es u c t i o nh o o d ．T h eh e a v yl e a dv a p o ri s e a s yt os i n ka n dc a n n o tb ec o l l e c t e di n t os u c t i o nt u b e ．T h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fl e a dv a p o ri ns u c t i o n t u b ei sn o ti d e a la so n l ya s1 ．1 ％． K e yw o r d s l e a dv a p o r ；m o l t e nl e a dp o t ；n e g a t i v ep r e s s u r ep l a t e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 粗铅在电解精炼前须将其中的铜和锡除至一定 程度才能铸成阳极装入电解槽。除铜精炼锅也称为 熔铅锅[ 1 ] 。工作过程中会加入焦粉、锯木屑、硫磺、 黄铁矿等，并用转速较高的搅拌机搅拌，这些过程都 会产生很多烟尘，这些烟尘在扩散过程中会带出许 多熔融铅液中的挥发铅蒸气，造成车间环境污染。 针对熔铅锅火法精炼粗铅产生大量污染物的问 题，国内进行了许多研究口弋] 。林炜[ 4 1 提出集中式均 匀吹风与敞口上遮边式吸风相结合的吹吸渐扩气流 排气方法能更好地控制污染物的扩散。袁培新[ s 1 通 过计算确定了吸尘罩的主要尺寸与合理的吸风口风 量、吸风口角度、送风口风量及送风口角度。冷大 鹏[ 6 1 介绍了株冶铅锅罩及捞渣机等改进设备。刘振 亚等[ 7 1 指出熔铅锅采用吹吸式通风方式在技术上是 可行的，但仍有进一步探讨的问题。袁富明哺。通过 改变排烟方式、收尘技术及卸输灰系统使烟尘扩散 得到很好地控制。谢新华等凹1 对各通风方式的风量 进行计算，分析比较出吹吸式通风效果最佳。袁培 新[ 1 叩对多级喷雾塔脱除阳极熔铅锅烟尘进行试验 研究，得出最佳工艺参数，为工程设计提供依据。 本文通过建立符合实际的物理模型，采用C F X 仿真软件对国内某厂现有熔铅锅侧边吸风式集气工 收稿日期2 0 1 5 1 2 1 3 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 重点项目 2 0 0 9 A A 0 6 4 6 0 0 作者简介谢锴 1 9 7 1 一 ，男，湖南益阳人，博士，副教授． 万方数据 - 7 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 况进行数值模拟，分析其压力场和流场等的分布，并 结合现场实测数据进行模型验证。 1 物理模型和数学模型 I ．I 物理模型 三维物理模型采用A N S Y SI C E MC F D 前处理 软件建立。熔铅锅侧面配备有连接负压抽风机的吸 风板，3 个人口直径为3 ．1m ，熔铅锅所处高台高度 分别为2 ．1 、1 ．0 和2 ．1m ，吸风板长宽分别为3 ．3 5 m 和2 ．5 6m ，其倾角为5 ．6 。，接管径为0 ．9m 的吸 风管道，汇总管道出口直径为1 ．2m 。仿真模型如 图1 所示。 图1 熔铅锅几何模型 F i g ．1G e o m e t r ym o d e lo fm o l t e nl e a dp o t 对整体进行四面体网格划分，流场分布主要集 中在熔铅锅、吸风板及管道内，对该部分网格进行单 独加密，经过网格无关性验证，网格划分数量足以保 证计算结果的准确性。铅蒸气由熔铅锅锅口进入厂 房，经由锅侧面负压板吸人排烟管道抽出车间。考 虑当地风向以北风为主，结合气象数据认为北侧墙 面为空气人口，南侧墙面为开放出口。由于熔铅锅 厂房空间很大，在距离熔铅锅较远处有粗铅堆场、阳 极板堆场等。铅蒸气的部分物性参数目前没有统一 的观点，因此仿真过程中有如下假设1 气体为不可 压缩气体，流场中的流动为定常流；2 忽略气体的物 性参数随温度的变化；3 场房内部分无关地上附着 物忽略不计。 空气流速较小，人口和出口面积大，南北侧壁面 部分通过速度大小进行折算。仿真中涉及的边界条 件有 入口边界条件铅蒸气入口速度从左至右分别 为0 ．1 9 4 、0 ．1 8 4 和0 ．1 7 5m ／s ，湍流强度I 一5 ％，人 口温度为8 9 3K ；空气人口速度为0 ．6 4m ／s ，湍流强 度I 一5 ％，入口温度为2 9 8K 。 出口边界条件总管出口设置为质量流率出口， 为8 ．8 6 8k g ／s ；厂房开放出口设置压力值为0P a ，温 度为2 9 8K 。 壁面边界条件绝热壁面，为无滑移速度边界条 件，即流体在近壁处的速度为零。 通过查阅相关资料及计算，铅蒸气在8 9 3K 时 的密度为2 ．8 2 76k g ／m 3 ，定压比热容为0 ．1 0 03 J ／g K ，动力黏度为1 ．4 7 8m P a S 。 1 ．2 数学模型 空气由北侧人口、铅蒸气由熔铅锅锅1 3 进入厂 房，部分流体进入负压板后由吸风管道带走，管道中 有多处弯管和T 型三通接I 1 ，这部分区域由于流向 的改变以及各支管的汇流都会形成旋涡区，出现边 界层分离的现象，因此流场的湍流模型采用M e n t e r FR [ 1 卜1 3 3 基于h 湍流模型和k 一∞湍流模型提出的 S S T 模型[ 1 引。为更好地处理各种压力梯度下的边 界层问题，近壁面处采用W i l c o x [ 1 5 1 的肛∞模型，而 p e 模型能够较好地模拟远离壁面处己充分发展的 湍流流动，两者之间使用B l e n d i n gF u n c t i o n 混合函 数实现过渡。具体描述如下 掣 等学一P 。一陬∞ a ￡a z ． 1‘ r 广⋯。 去『 ∥ 等 差] 掣 亚3 x 岩一a 竺k P 。一舡￡，2 a ￡． “‘。 ∥” 瓦a 『 p 等 差] 一F 1 2 pi 1 瓦3 k 五3 c o 其中，混合函数F 。定义如下 。a “。广_ a “ r 一勺瑟一一P M t “J a x i F 1 一t a n h a r g { 哪一m i n [ m a x 怎，咒 ，C D 4 1 孳a ．, y2 一] C D b m a x 2 p 石1 瓦3 k 瓦 o ’1 ．o 1 0 川 涡黏系数定义如下 a l k 一m a x a lc o , S F 2 式中口。一0 ．3 1 ，约束壁面层数的混合函数F z 定义如下 F 2 t a n h a r g ； a r s z - m a x 篙，凳 式中，肚为湍流黏度，肫一∥。；P 为流体密度 k g ／m 3 ；U 为速度场中某一点处的流体速度 m ／s ；卢为流体黏度系数 P a s ；∥ o ．0 9 、仉一1 、 口一0 ．0 4 、卢一0 ．0 8 2 8 、瓯一O ．8 5 6 [ 12 1 。 万方数据 2 0 1 6 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 7 3 2 模型验证 为验证模型的正确性，将模型计算结果与现场 实际测量数据进行比较，表1 为比较结果。 表1 模拟与试验结果比较 T a b l e1 C o m p a r i s o no fs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 表1 中显示的是铅蒸气通过负压板18 、28 、3 4 的孔隙平均速度，通过上述模型仿真得到的结果与 现场实际测量数据的最大误差为1 2 ．1 ％。鉴于现 场测量时负压板孔隙流速波动较大，测量数据存在 一定程度的误差，仿真过程中对模型有一定假设，可 以认定两者吻合较好，证明本模型准确可靠。在后 面讨论中，以熔铅锅及负压板周围的流动特性为基 准，分析厂房内熔铅生产时铅蒸气的收集情况。 3 仿真结果分析 本文主要研究熔铅锅熔铅生产时产生铅蒸气在 负压板运行情况下的流动特性。图2 为熔铅锅铅蒸 气入口速度分别为0 ．1 9 4 、0 ．1 8 4 和0 ．1 7 5m ／s 时， 18 、2 8 、3 。负压板中心沿Y Z 剖面所得截面的速度 分布。 18 负压板；2 8 负压板；3 8 负压板 图2 负压板Y Z 剖面速度分布 F i g ．2V e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni nY Zp r o f i l eo fn e g a t i v ep r e s s u r ep l a t e 从图2 可以看出，铅蒸气从熔铅锅锅口进入车 间后会有向上的速度，但绝大部分都向锅口四周扩 散，另有少部分铅蒸气继续向上运动，此时侧面的负 压板提供侧吸的负压，蒸气进入吸风罩。车间北侧 进入的空气受吸风罩处负压影响，由北向南的运动 轨迹向负压板处偏移，并进入吸风罩内。总体看来， 3 8 吸风罩所接管道内气体流速最大，28 次之，1 8 最 小，该现象取决于吸风管道与引风机的管道距离，这 在一定程度上能够影响吸风板的气体流量，从而影 响收集效果。通过负压板进入吸风罩及后续吸风管 道内的气体大部分为空气，进入18 、28 和3 “负压板 的铅蒸气的体积分数分别为1 0 ％、1 6 ％和8 ％，其余 的大部分铅蒸气未被收集，主要原因有两点一是引 风机所提供的流量一定，车间内有大量的空气进入 吸风罩，这无疑降低了铅蒸气的收集效率；二是铅蒸 气密度过大，在还未上升到负压板能够影响并收集 的水平高度便开始向下沉落。 图3 和图4 分别为18 、28 、3 8 负压板中心沿 Y Z 剖面所得截面和Z 一1 ．9 3m 处X Y 截面的铅蒸 气浓度分布。1 8 和3 8 铅蒸气均聚集在锅口上方 0 ．8m 之内，被吸入负压吸风罩的蒸气也停留在较 低的水平面上，而未进入吸风总管道，28 熔铅锅附 近的铅蒸气聚集在锅口上方1 ．5m 之内，对应的2 8 负压板的吸风效果相较于其它板效果更好，进入该 吸风罩内的蒸气有往总管汇集的趋势，这是由于2 8 熔铅锅起熔融铅液收集作用，锅口水平面较18 和 3 8 低，18 和3 “锅口溢出向下沉落的部分铅蒸气会 经过2 8 吸风板的负压区，同时，2 8 吸风罩距离引风 机的位置也不是最远，吸风罩内提供的负压也不是 最差。但是所有进入竖立吸风罩的铅蒸气也大都维 持在其底部，吸入主管道的微乎其微。从图3 也可 以看出，受到由北向南的空气运动影响，车间内从锅 。眨一 一 一 万方数据 7 4 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 6 年第6 期 口沿径向扩散的铅蒸气会随空气向南侧墙面转移， 在锅台四周5m 内的车间环境中，铅蒸气浓度达到 1 0 ％以上，在28 锅附近铅蒸气浓度值甚至达到 3 0 ％的更高水平，这也反应出2 8 熔铅锅附近的铅蒸 气浓度相较于其他的更高，在后期改造中，2 8 锅附 近可以投人更大的工作量。 P bV o l u m eF r f 【c t i o n P bV o l u m eF r a c t i o n P bV o l u m eF r P c t i o n C o n t o u r1 C o n t o u r2 C o n t o u r3 濑．0№--001‰、I；|黧鉴LI；5懑．000e-00．00恤000／i 鹾‘、 僦删i 承I ；躲圳静j1 6 ‘H 枷l 扭5 剩i j {隧奚㈤l 徽㈤ L ∑』一／孓巨鎏鍪鎏≮≤蒌世扎令 L 去鹕掣釜鱼L 1 0 ．出7 甜 2 , 些2 ．5 0 羹鎏L 主0 ．7 5 02 ．2 5 0 兰 姿 O 7 5 022 s 0 一 一负压板2 一负艇板∥负压板 18 负压板；2 8 负压板} 3 8 负压板 图3 负压板Y Z 剖面铅蒸气浓度分布 F i g ．3 L e a dv a p o rc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nY Zp r o f i l eo fn e g a t i v ep r e s s u r ep l a t e 图4X Y 剖面上铅蒸气浓度分布I z 1 ．9 3m F i g ．4 L e a dv a p o rc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nX Yp r o f i l e Z 1 ．9 3m 由18 、2 8 、3 8 熔铅锅锅口进入厂房的铅蒸气体 积流率分别为1 ．4 6 3 、1 ．3 8 8 和1 ．3 2 0m 3 ／s 。表2 为 1 8 、2 8 、3 8 负压板以及总管出口处的铅蒸气体积流 率和体积分数，据此可以计算出各负压板收集铅蒸 气的效率分别为1 4 ．8 ％、2 4 ．7 ％和2 3 ％，而总管处 的收集效率只有1 ．1 ％，绝大部分的铅蒸气通过厂 房排向外界或者凝固降落在厂房。其中，2 8 负压板 收集效率最佳，主要因为其所处水平面比其它板较 低，下沉铅蒸气富集在该区域；3 8 吸风罩跟18 相比 更靠近负压风机，所经过的沿程阻力损失和局部损 失较少，在吸风罩处提供的负压更大，因此其收集效 果更好。 表2 铅蒸气流动数据 T a b l e2L e a dv a p o rf l o w i n gd a t a 4结论 1 铅蒸气密度大，由熔铅锅口进入厂房后大部 万方数据 2 0 1 6 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 7 5 分会沿锅口径向向四周扩散并向下沉落，只有少部 分会受负压板影响被吸人吸风罩内。 2 相较于其它负压板，2 8 吸风罩内铅蒸气收集 效果较好，其内蒸气有往总管汇集的趋势。 3 28 熔铅锅附近有铅蒸气富集现象，相较于其 余熔铅锅，在后期优化改造中可以投入更大的工 作量。 4 现有收集装置效果不理想，铅蒸气收集效率 仅达到1 ％。 5 该模型计算结果与测试结果获得较好的一致 性，发现部分收集效果不理想的影响因素，对收集装 置的分析与改进具有一定的指导作用。 参考文献 [ 1 ] 重有色金属冶炼设计手册编委会．重有色金属冶炼设计 手册铅锌铋卷[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 ． [ 2 ] 贾小梅，舒艳，何磊，等．铅冶炼企业重金属污染物粒径 分布特征研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 5 1 1 6 4 - 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