反应塔炉壁三维温度场及内壁挂渣数模仿真研究.pdf

2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 反应塔炉壁三维温度场及内壁挂渣数模仿真研究 邹小平1 ，童长仁2 ，王海北1 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 ；2 ．江西理工大学，赣j 槲3 4 1 0 0 0 摘要针对铜闪速熔炼过程中反应塔内壁挂渣问题，基于传热学理论和塔壁挂渣消长过程机理，采用有 限差分法，研究建立了三维圆柱坐标下的反应塔炉壁温度场及内壁挂渣数学模型和仿真系统。并对反 应塔水套间距及烟气温度对炉壁温度场和内壁挂渣的影响进行了仿真研究，仿真结果与现场实际情况 基本吻合。该系统对于炉体冷却元件配置设计以及生产过程工艺参数优化控制具有一定的参考价值。 关键词铜闪速熔炼；反应塔；温度场；挂渣；数模仿真 中图分类号T F 8 0 6 ．2 5文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 0 1 - - 0 0 0 2 - - 0 5 M a t h e m a t i c a lS i m u l a t i o no fF u r n a c eW a l lT e m p e r a t u r e F i e l da n dI n n e rW a l lS l u g g i s ho fR e a c t i o nS h a f t Z O UX i a o - p i n 9 1 ，T O N GC h a n g r e n 2 。W A N GH a l b e i l 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y 。B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a 2 ．J i a n g x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c e8 LT e c h n o l o g y 。G a n z h o u3 41 0 0 0 。C h i n a A b s t r a c t A i m e dt ot h ep r o b l e mo fi n n e rw a l ls l u g g i s ho fr e a c t i o ns h a f ti nc o p p e rf l a s hs m e l t i n g ，a d o p t i n g t of i n i t ed i f f e r e n t i a lm e t h o d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o ns y s t e mf o rf u r n a c ew a l lt e m p e r a t u r e f i e l do fr e a c t i o ns h a f tu n d e rt h r e e d i m e n s i o n a lc i r c u l a rc y l i n d r i c a lc o o r d i n a t e sa n di t si n n e rw a l ls l u g g i s h a r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h eh e a tt r a n s m i s s i o nt h e o r ya n dt h ep r o c e s sm e c h a n i c so fg r o w t ha n dd e c l i n eo f r e a c t i o ns h a f ts l u g g i s h ．B e s i d e s ，b o t ht h ei n f l u e n c eo fw a t e rj a c k e ts p a c et of u r n a c ew a l lt e m p e r a t u r ef i e l d d i s t r i b u t i n ga n dt h ei n f l u e n c eo fg a st e m p e r a t u r et ot h es l u g g i s ht h i c k n e s sd i s t r i b u t i n go fi n n e rw a l lare s i m u l a t e da n dt h er e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h et e a lc o n d i t i o n s ．T h es i m u l a t i o ns y s t e mh a sc e r t a i nr e f - e r e n c ev a l u et ot h ea l l o c a t i o na n dd e s i g no fc o o l i n gc o m p o n e n to ft h ef u r n a c eb o d ya n dt h eo p t i m i z i n gc o n - t r o lo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ． K e y w o r d s C o p p e rf l a s hs m e l t i n g ；R e a c t i o ns h a f t ；T e m p e r a t u r ef i e l d ；S l u g g i s h ；M a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o n 在铜闪速熔炼过程中，反应塔内壁挂渣层对生 产过程有着正负两方面的影响。从有利的一面来 说，反应塔内壁形成一定厚度的挂渣层，可防止或减 缓高温炉料对塔壁炉衬的严重冲蚀，提高炉体寿命； 从不利的一面来看，反应塔内壁挂渣层的形成减小 了塔内有效反应空间，降低了设备产能。因此，实时 掌握和了解反应塔内壁的挂渣状况，有利于现场操 作人员及时调整工艺参数，这对强化生产和提高炉 基金项目江西省自然科学基金资助项目 2 0 0 7 G Z C 0 7 1 3 作者简介邹小平 1 9 7 9 一 。男，江西吉安人，助理工程师，硕士 体寿命具有重要意义。 陈卓等口一2 3 采用传热数值计算的方法对闪速炉 反应塔塔壁温度场及炉膛内形进行了二维模拟，获 得了二维坐标下反应塔壁面温度场分布及内壁挂渣 层厚度的仿真计算结果。 本文借助计算机仿真技术，开展三维圆柱坐标 下反应塔炉壁温度场及内壁挂渣数模研究，并研发 相应的仿真系统软件，实现反应塔内壁挂渣层的在 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 3 线仿真监测，为现场操作人员进行参数调整提供理 论依据，对于强化反应塔功能，延长炉体寿命，提高 设备产能具有重要的意义。 1 传热模型 1 ．1 传热物理模型 闪速炉反应塔物理模型平面图如图1 所示。反 应塔炉壁由六种不同的传热介质组成，分别是炉壳 钢质 、耐火炉衬 镁铬砖 、冷却水套 铜质 、冷却 水、炉壁挂渣、烟气。 图i 反应塔物理模型平面图 F i g ．1 P l a no fp h y s i c a lm o d e lo fr e a c t i o ns h a f t 1 ．2 传热数学模型 温度场控制方程根据F o u r i e r 热传导定律和能 量守恒定律建立，其柱坐标体系下三维导热微分方 程为[ 3 ] a a _ r t ；i d a r A ，d a r t 号} ；； 7 1 亳 A ，嚣 麦 ． 【爱 吼] 式中，口，一内热源，W ／m 3 ；c 一定压比热，J ／ k g K ；P 一密度，k g ／m 3 ；A ，，A f ，A 。一r ，尹，2 三个方向 的导热率，W ／m 。 在模型建立过程中，我们对反应塔物理模型作 如下简化 1 不考虑反应塔内的燃烧、气流流动 包括湍 流 、传质和化学反应过程对壁面传热过程的影响； 2 闪速熔炼生产过程中，各工艺参数波动小， 炉况在较长时间内相对稳定，因此，模型中将反应塔 炉衬内的热传递过程视为稳态传热过程； 3 将塔壁水套内冷却水的吸热过程作为对流 换热边界处理，这样，在反应塔炉衬传热的数值模型 中没有源相存在。 经过上述简化，反应塔传热模型简化为塔内烟 气和炉壁、炉壁之间、炉壁与水套之间的三维传热模 型，其柱坐标体系下稳态温度场且无内热源的导热 微分方程为 一杀 A ，券 争券 吉毒 A ，面a t ，十瓦a ．；l 百a z t 一 O 1 ．3 边界条件确定 1 炉壁外侧定义为第一类边界条件，根据炉壁 预埋测温热电偶测得耐火炉衬表面若干点温度值， 壁面上其他节点温度数据按插值公式计算后给出； 1 炉壁内侧挂渣面定义为第三类边界条件，为 对流、辐射边界； 2 炉壁水套区域为第三类边界条件，为对流边 界； 3 炉顶外侧为第一类边界条件，根据热电偶读 数可知若干点温度数值，其他节点温度值通过插值 计算确定； 4 炉顶内侧挂渣面为第三类边界条件，为对 流、辐射边界； 5 塔底与沉淀池交界处为绝热边界，通过的热 通量为零，近似按第二类边界处理。 1 ．4 导热控制方程的离散 对偏微分方程进行离散的方法很多，且在不断 地发展当中。目前主要有有限差分法、有限元法 等[ 4 - e ] 。有限元法其区域的划分与程序的编制比较 复杂繁琐，而有限差分法概念直观，表达简单，便于 程序实现。考虑到反应塔物理模型为有顶空心圆柱 体，其求解区域的几何形状规则。因此，本文选用有 限差分法对导热控制方程进行差分离散。网格控制 单元示意图如图2 ，反应塔三维网格剖分视图如图 3 。 图2 网格单元示意图 F i g ．2 S k e t c hm a po fg r i dc o n t r o lu n i t 其内部节点传热微分控制方程离散后得 t ．』，I a i 1 ．J ．I T 斗1 ，j ．I a i - ．1 ．，，I T 卜1 ．』． 口f ．一1 ．T f ．升1 ． a i ．严1 ．T i ．j - z ． 口i ．j 。胂lt ．j ，抖l 4 f ．』．HL ．』．卜1 ／ 口斗l 。，，I a i - i 。』． 口i ，升1 。I 啦． - z ，t a i , j , 胂l 口i ．f ．卜1 ’ 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 幽J 反比冶二擎网_ j I 臂砚圈 隐3T h r e e - 恻o n a lg r i dV 姗o fr e a c t i o ns h a f t 式中，⋯一2 忐H - I 忐 辔， ．』，I i 』●廿L 7 。a i ．- - 1 ．j , l t 划A 忐i - - 1 A 忐iJ ，警， 一 』。 ，，‘凸』。r 钆⋯铋忐 击，玺， f ．升1 ． f ，』．I 口』一口 t l i ～刚士 A 志i ，挚／A 1 ．．0 ， 。严Ⅲ 2 _ 三一 等等丝， i ，严l ，．，．● ‰件- 一2c 忐i , j 忐i , j ，鲁， ‘ ．蚪1 I口L 2 ‰胪- 划志 忐，磐。 i ．』．●一l i 。J ，●Z j L l 2 移动边界计算模型 塔内壁挂渣界面的消长过程是一个复杂的凝固 或形成过程，不仅受节点温度和热量的影响，还受到 外界物理和化学因素的影响。 从计算的角度来看，设挂渣的熔化温度为 k ；单位质量挂渣的相变潜热为Q 相交热；节点 i ， 歹，矗 的体积为V ；在r 时刻节点 f ，_ 『，忌 的温度为 瓦， T 0 。 1 非稳态导热时 若△Q 净收人 A Q 净a x 一△Q ≥』D Ⅷ帽变菇，节点熔解，界面消 减； b △Q 净啦 一厶Q I D Ⅷ翱奎热，界面不发生变化； 2 稳态导热时 由于稳态导热时，净收人A Q 净牧人 0 ，界面消 长仅与节点温度有关。当节点温度大于熔化温度 时，节点熔化，界面消减；反之，当节点温度小于熔化 温度时，此时烟气中的混合熔体在该节点表面凝固， 导致边界增长。 以上是挂渣熔解或形成的基本判定依据。塔内 壁移动边界数模仿真系统按上述判定依据，根据塔 内工况的变化，实时仿真计算反应塔内壁挂渣的变 化过程。 3 仿真系统计算流程 塔内壁挂渣的消长将影响炉壁温度的分布。一 旦炉壁有挂渣的熔化或凝固发生，就需要重新计算 温度场，直到没有挂渣发生为止。炉壁温度场及内 壁挂渣仿真系统计算流程如图4 所示。 图4 炉壁温度场及内蹙挂渣计算流程 F i g ．4C o m p u t a t i o nf l o wo ff u r n a c ew a l l t e m p e r a t u r ef i e l da n di n n e rw a l ls l u g g i s h 4仿真系统离线运用 仿真系统软件提供了离线仿真和在线仿真两种 运时模式。为研究水套间距对反应塔炉壁温度场分 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 5 布的影响和烟气温度对内壁挂渣厚度分布的影响， 我们通过该仿真软件离线运行分别探讨了这两个因 素对炉壁温度场及内壁挂渣的影响规律。 4 ．I 水套间距对炉壁温度场分布的影响 目前，国内外绝大部分闪速熔炼工厂的反应塔 水套间距互不相同，如何确定并优化反应塔结构，做 到合理的水套配置，是一个值得探讨的问题。以国 内某铜冶炼厂反应塔结构为例，通过仿真软件离线 运行，其水套间距对炉壁温度场分布的影响如图5 所示。 F i g ．5 E f f e c to fw a t e rj a c k e t ’ss p a c eo nt h ed i s t r i b u t i n go ff u r n a c ew a l lt e m p e r a t u r ef i e l d 当水套间距为8 0 0m m 时，炉壁有很大一部分不同烟气温度下的内壁挂渣状况如图6 所示， 处于高温区，这对内壁挂渣的形成和稳定及炉壁砖挂渣数据见表l 。从图6 和表1 中可知，本仿真实 衬的蚀损将产生重要的影响；相反，当水套间距为 ．验条件下，当温度超过14 0 0 ℃时，内壁挂渣形成甚 4 0 0m m 时，炉壁低温区较多，虽然有利于挂渣的形 微，塔壁几乎裸露在炉膛空间内，经受熔锍和烟气的 成和稳定，减缓了炉衬蚀损，但熔炼过程冷却水用量冲蚀，炉衬蚀损加快；但烟气温度较低时，内壁挂渣 增大，热损耗增加，不利于节能降耗。太厚，降低了反应塔的有效容积，产能下降。 4 ．2 烟气温度对内壁挂渣的影响 图6 不同烟气温度下的内壁挂渣状况 F i g ．6T h es t a t u so fi n n e rw a l ls l u g g i s hu n d e rd i f f e r e n tg a st e m p e r a t u r e ，．．．。 分布和挂渣状况；， 。柏心 2 通过仿真系统离线运用，仿真研究了反应 1 反应塔炉壁三维温度场及内壁挂渣仿真模塔水套间距对炉壁温度场分布的影响以及炉内烟气 型可对闪速炉反应塔塔壁温度场及挂渣状况进行实 温度对内壁挂渣厚度分布的影响，分别以数据和图 时三维仿真，并以图形方式形象地描绘塔壁温度场 形两种方式定量、形象的描述了其相互关系。 万方数据 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年1 期 表l 不同烟气温度下的内壁挂渣厚度 T a b l e1T h et h i c k n e s so fi n n e rw a l l ’ss l u g g i s h u n d e rd i f f e r e n tg a st e m p e r a t u r e ／r a m 参考文献 [ 1 ] 陈卓．铜闪速炉系统数值熔炼模墅及反应塔炉膛内形在 线仿真监测研究F D ] ．长沙中南大学，2 0 0 2 ． E 2 ] 梅炽，陈卓，任鸿九。等．闪速炉反应塔炉膛内形的数值 模拟与在线显示[ j ] 。中国有色金属学报，2 0 0 1 ，1 1 4 ； 7 1 6 7 2 0 ． [ 3 3 沈颐身．李保卫．冶金传输原理基础E M ] ．北京北京工 业出版社，2 0 0 3 ． [ 4 ] 罗奇PJ ．计算流体动力学[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 8 3 ． [ 5 ] V e r s t e e gHK ，M a l a l a s e k e r aW ．A ni n t r o d u c t i o n t o c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s - - T h ef i n i t ev o l u m em e t h o d [ M ] ．U S A A d d i s o n - - W e s l e yP u bC o ，1 9 9 6 ． E 6 ] 孙志忠．偏微分方程数值解法[ M 1 北京科学出版社， 2 0 0 5 ． 万方数据