闪速炉水冷上升烟道的CFD数值仿真.pdf

2 0 1 3 年2 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 2 1 d o j 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 2 ．0 0 6 闪速炉水冷上升烟道的C F D 数值仿真 熊宗维，黄文华，袁精华 中国瑞林工程技术有限公司，南昌3 3 0 0 3 1 摘要根据闪速炉水冷上升烟道的流动和传热现象，建立三维仿真模型，借助计算流体动力学分析软件 F L U E N T 对其进行数值仿真研究。所得结果对闪速炉水冷上升烟道的设计具有重要的指导意义。 关键词闪速炉；上升烟道；计算流体动力学；数值仿真 中图分类号T F 8 1 1 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 2 0 0 2 1 0 3 C F DN u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rW a t e rC o o l i n gU p t a k eS h a f t o fF l a s hS m e l t i n gF u r n a c e X I O N GZ o n g - w e i ，H U A N GW e n - h u a ，Y U A NJ i n g h u a C h i n aN e r i nE n g i n e e r i n gC o ．L t d ．，N a n c h a n g3 3 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h et h r e e d i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lw a sb u i l to nt h eb a s i so ff l u i df l o wa n dh e a t t r a n s f e ri nc o o l i n gu p t a k es h a f ti nf l a s hs m e l t i n gf u r n a c e ．T h i ss i m u l a t i o nm o d e lw a ss t u d i e dw i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r eF L U E N T ．T h eo b t a i n e dr e s u l t sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c eo nd e s i g n i n go f c o o l i n gu p t a k es h a f ti nf l a s hs m e l t i n gf u r n a c e ． K e yw o r d s f l a s hs m e l t i n gf u r n a c e ；u p t a k es h a f t ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s C F D ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 研究背景 闪速炉主要由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池和上升 烟道四部分组成[ 1 ] 。干燥的精矿连同返料 烟尘、渣 精矿 与工艺风、中央氧一起经精矿喷嘴喷入反应塔 内，在反应塔中快速自热燃烧完成冶金反应；生成的 铜硫和炉渣落入沉淀池，并在此进行澄清分离，铜硫 进入吹炼系统，炉渣进入电炉贫化或者送去选矿；含 高S O 。浓度的高温烟气夹带着烟尘经由上升烟道进 入余热锅炉、收尘系统以及制酸系统。 上升烟道是夹带着烟尘的高温烟气的排出通 道，其正常运行对闪速炉的正常运行起着重要作用。 本研究主要是针对某闪速炉水冷上升烟道改造设计 过程中的C F D 数值仿真计算，通过对水冷上升烟道 收稿日期2 0 1 2 1 0 2 4 作者简介熊宗维 1 9 8 4 一 ，男，江西宜春人，工学硕士，工程师． 内的流动和传热现象进行分析，建立三维数学模型， 并利用C F D 软件F L U E N T 进行数值分析r 2 ] ，为水 冷上升烟道的设计提供依据。 2 C F D 数值仿真模型的建立 高温烟气流经水冷上升烟道的过程非常复杂， 涉及的流动和传热等物理现象繁多，并且相互影响。 仿真模型的建立主要需要考虑三个方面的问题湍 流流动，化学组分输运与传输，以及导热、对流和辐 射的热传递。 2 ．1 控制方程 高温烟气流经闪速炉水冷上升烟道的流动和传 热规律主要有质量守恒、动量守恒、能量守恒以及 化学组分平衡等等，控制方程的通用形式[ 3 1 为 万方数据 2 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 3 年2 期 坐譬∑ 出口 1 D 【肺 一d i v n g r a d 。 s ≠ 口f 2 ．2 几何模型及网格划分 沉淀池和上升烟道相互垂直，烟道入口的速度 分布与沉淀池的情况紧密相关。本研究把模型延伸 至反应塔出口，几何模型如图1 所示。考虑计算的 精度以及经济性，得到四面体的网格1 7 1 万个。 图1 几何模型轴测图 F i g ．1 T h ea x o n o m e t r i cd r a w i n go fm o d e l 2 ．3 烟气成分及边界条件 本次仿真研究的烟气成分组成为 体积分数， ％ S 0 23 6 ．9 9 、S 0 30 ．7 6 、C 0 23 ．4 3 、H 2 03 ．7 8 、0 2 1 ．6 6 、N 25 3 ．3 6 。 边界条件分别设置为沉淀池入口为速度入口 边界条件；沉淀池壁面为绝热边界条件；上升烟道壁 面为对流传热边界条件；烟道出口为压力出口边界 条件。 2 ．4 模型验证 将C F D 仿真模型计算得到的结果与当前闪速 炉的运行参数进行对比，来验证本研究中所建立的 C F D 模型的正确性。 冶金计算得到沉淀池的出口烟气温度为 14 3 2 ．5 7 ℃，测量烟道的出口烟气温度约为1i 0 0 ℃，本模型计算得到烟道的出口烟气平均温度为 10 8 7 ．3 0 ℃。C F D 仿真模型的计算结果与实际运 行的结果差异为3 ．8 ％，该差异很小，验证了所建立 C F D 仿真模型的正确性。 3 仿真结果与分析 3 ．1 不同内径烟道的出口烟气平均温度 该项目原有闪速炉水冷上升烟道内径2 ．5m ， 烟气量增大后，改造后的烟道需要重新设计。由于 余热锅炉人口烟气温度保持不变，因此水冷上升烟 道的冷却强度需要加强，通过增大水冷壁的换热面 积来增大换热量。利用本研究中建立的C F D 仿真 模型，针对不同水冷上升烟道内径d ，得到了相应的 烟道出口烟气平均温度丁。 如图2 所示，在内径d 一3 ．0 ～4 ．0m 的范围 内，随着烟道内径的增大，出口烟气平均温度降低； 并且烟道出口烟气平均温度与烟道内径大致为线性 关系。由传热学Q A k A T 可知[ 4 ] 在工况相同时， 总传热系数k 和烟气与冷却水温差△T 基本保持不 变，热流量Q 与换热面积A 成正比；而换热面积A 与烟道的内径d 约成正比。由此，换热量Q 与烟道 内径d 约成正比。仿真模型结果与理论分析结果 一致。 图2出口烟气平均温度与上升 烟道内径的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g e t e m p e r a t u r eo fe x i tw a s t eg a sa n di n n e r d i a m e t e ro fu p t a k es h a f t 在该项目的改造中，要使烟气在烟道出口处达 到余热锅炉入口所需的11 0 0 ℃，由以上结果得到 水冷上升烟道内径d 3 ．2m 时，烟气出口平均温 度T 一10 9 9 ．2 ℃，可以满足设计的要求。因此，本 文以下分析皆是在烟道内径d 一3 ．2m 的情况下进 行的。 3 ．2 烟道出口烟气温度场与速度场 如图3 所示，烟道出口烟气温度的分布范围为 9 0 6 11 7 6 ℃，平均10 9 9 ．2 ℃。烟道出口平均速 度9 ．1 6m ／s ，其中最大速度为1 4 。3 3m ／s 。该烟道 出口烟气温度分布及速度分布能够满足余热锅炉烟 气入口的要求。 3 ．3 烟道内壁面的温度场 如图4 所示，水冷上升烟道内壁面的温度范围 为1 0 7 ．9 ～2 6 0 ．8 ℃，并且，在水冷烟道内壁面的下 部温度较高，而上部温度较低。同时，水冷上升烟道 内壁的最高温度为2 6 0 ．8 ℃，该温度没有超过钢板 最高使用温度，此设计能保证钢板的安全性。 p 、赵赠霉牛 万方数据 2 0 1 3 年2 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 。2 3 。 棼曩麓 瓣2 ．4 5 6 e t 1 2 攀23 7 9 e 0 2 薯薹、23 0 3 e “ 2 11 7 阳 0 3 l1 6 3 e “} 3 l1 4 q e “1 3 1l j 6 e 1 1 3 11 2 2 e 1 3 ll 1 9 e 端 l1 1 9 5 e “ 3 l1 1 8 2 e { 1I K l S e 1 3 1 { 5 5 e } { 1 H 1 e { j l _ 1 2 8 e “ j I 1 1 4 e “ 3 1 N l l e 1 j 08 7 l e “} 2 97 3 6 e 0 2 96 f l e “ 2 94 6 5 e 0 2 03 3 { e 1 1 2 91 9 5 e } 2 9 M ] e 1 1 2 2 ．2 2 6 e “ 2 21 5 f e “ 2 2 } 7 3 e 0 2 10 0 7 e 0 2 19 2 _ l e 0 2 18 4 4 e { } 2 l7 e 2 l6 9 1 e f 2 16 1 5 e 1 2 l5 3 8 e “1 2 l * 2 e “1 2 13 8 5 e 1 2 l3 { 1 9 e 1 2 】．2 3 2 e 0 2 l1 5 6 e - 4 4 2 1 ．0 i 9 e 1 2 图3 烟道出口烟气温度 a 及速度 b 云图 F i g ．3T e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yc o n t o u r so fe x i tw a s t eg a si nu p t a k es h a f t ≯灞 W ／ 图4 水冷上升烟道内壁面的温度云图 F i g ．4T e m p e r a t u r ec o n t o u ro fi n n e r w a l li nu p t a k es h a f t 3 ．4 烟道内热量平衡计算 根据C F D 模型仿真计算的结果，得到水冷上升 烟道壁面总共带走的热量为Q 一1 46 2 93 8 8W ，其 中辐射散热为Q ，一1 28 5 87 0 1W 。辐射散热占比 8 7 ．9 ％，说明辐射散热是主要的热传递方式。 假定水冷夹套的冷却水量为8 0 0t ／h ，即 m 一2 2 2 ．2k g ／s ，进水温度4 0 ℃。根据热量平衡 O C m △T 可计算出T h 一5 5 ．7 ℃，即水冷夹套的出水温度为 5 5 ．7 ℃。 4结论 1 建立了水冷上升烟道的三维仿真模型，并进 行了C F D 数值仿真研究。 2 水冷上升烟道对烟气的降温能力很强，内径 d 一3 ．2m 的上升烟道，其温降达到3 3 0K 。 3 水冷上升烟道内径增大，出口烟气平均温度 降低，大致呈线性关系。 4 水冷上升烟道内壁的最高温度约2 6 1 ℃，低 于钢板最高使用温度，能够保证钢板的安全性。 参考文献 E 1 3 有色冶金炉设计手册编委会．有色冶金炉设计手册 E M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 9 ． [ 2 ] 李鹏飞，徐敏义，王飞飞．精通C F D 工程仿真与案例实 战F L U E N TG A M B I TI C E MC F DT e c p l o t [ M ] ．北京 人民邮电出版社，2 0 1 1 ． [ 3 ] 陶文铨．数值传热学I - M ] ．2 版．西安西安交通大学出 版社，2 0 0 1 ． [ 4 ] 杨世民，陶文铨．传热学I - M - I ．3 版．北京高等教育出 版社，1 9 9 8 ． 删删删删埘删删似圳砌删删枷姒似删似训州删砌孙k吣糖船．腱舱靶踮k知％髓位怫啦恤挑舱I墨恤螂弘蝴i；亏㈨叽⋯孙删星耄№“}2叭凹勰龋H娼m㈨ 万方数据