數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

熊宗維

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

熊宗維

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

通過(guò)對(duì)閃速爐反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的冷卻單元建立三維模型,并利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行了數(shù)值模擬研究得出:冷卻單元的冷卻效果良好,產(chǎn)生的低溫區(qū)域容易促進(jìn)反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的形成;冷卻系統(tǒng)主要的散熱損失由冷卻水帶走,且冷卻單元的冷卻強(qiáng)度與冷卻水的進(jìn)水溫度及進(jìn)水量關(guān)系不大;冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量及溫升可以通過(guò)分別計(jì)算各不同冷卻單元的冷卻水量和溫升得到等結(jié)論。

閃速爐；反應(yīng)塔；冷卻系統(tǒng)；三維建模；數(shù)值模擬；散熱損失

1 研究背景

閃速爐是處理粉狀硫化礦物的一種強(qiáng)化冶煉設(shè)備,一般由精礦噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池及上升煙道四個(gè)主要部分組成。反應(yīng)塔位于沉淀池上方,熔煉過(guò)程主要化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行[1]。反應(yīng)塔爐體由于長(zhǎng)期經(jīng)受高溫?zé)煔夂透邷厝垠w的沖刷,腐蝕嚴(yán)重。為了提高爐體壽命,目前國(guó)內(nèi)外的反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)一般都是采用內(nèi)置冷卻銅管的銅水套作為冷卻元件對(duì)反應(yīng)塔爐體進(jìn)行立體冷卻[2-3]。

在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,主要有3個(gè)方面需要考慮：1)冷卻元件的冷卻強(qiáng)度以及反應(yīng)塔爐體熱損失的計(jì)算；2)冷卻系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布,分析該溫度場(chǎng)是否利于內(nèi)壁掛渣的形成；3)冷卻元件冷卻水水量以及冷卻水溫升,以及整個(gè)爐體循環(huán)水量和溫升的計(jì)算。但由于反應(yīng)塔爐體是立體冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)以及換熱機(jī)理比較復(fù)雜,冷卻系統(tǒng)一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)上述問(wèn)題難以得到很好地解決。鑒于整個(gè)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)由多個(gè)包括單個(gè)冷卻元件及其作用區(qū)域的單位冷卻系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱冷卻單元)組成,本研究擬通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)冷卻單元建模研究,以指導(dǎo)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 數(shù)值模型的建立

反應(yīng)塔內(nèi)高溫?zé)煔?、反?yīng)塔爐體以及爐外空氣之間的熱傳遞過(guò)程較為復(fù)雜,主要包括：高溫?zé)煔馀c爐體內(nèi)壁的對(duì)流、輻射換熱,爐體內(nèi)部的換熱,爐體與爐外空氣的對(duì)流、輻射換熱。而爐體內(nèi)部的換熱又包括爐體內(nèi)部各材料自身內(nèi)部的導(dǎo)熱以及各材料之間的導(dǎo)熱,以及冷卻水與冷卻元件之間的對(duì)流換熱。由于結(jié)構(gòu)以及傳熱機(jī)理方面的對(duì)稱性,一般認(rèn)為冷卻單元之間沒有熱量交換。

通過(guò)對(duì)爐體冷卻單元進(jìn)行三維建模,并采用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算。本研究采用的主要模型包括標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和熱傳導(dǎo)模型,采用控制容積法進(jìn)行計(jì)算。1

本模型的研究對(duì)象如圖1(a)反應(yīng)塔爐體所示,考慮對(duì)稱性,選取1/2冷卻單元作為研究對(duì)象,得到需求解的幾何模型如圖1(b)所示，對(duì)該幾何模型網(wǎng)格劃分得到如圖1(c)所示的網(wǎng)格。

圖1 反應(yīng)塔冷卻單元建模對(duì)象示意圖

本模型中涉及的物理機(jī)理主要有冷卻水的流動(dòng)和以及前述各種傳熱方式,其所需求解主要變量(速度及溫度等)的控制方程可以表示成以下的通用形式[4]為：

式中：φ為通用變量,可以代表u、v、w、T等求解變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

冷卻單元三維模型中各邊界條件如表1所示。

表1 冷卻單元三維模型邊界條件

選取反應(yīng)塔內(nèi)煙氣的溫度為1?450℃,爐體外空氣溫度30℃。求解煙氣與內(nèi)壁表面強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)及輻射換熱,進(jìn)而得到煙氣與內(nèi)壁表面的復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);同樣,求解空氣與外壁表面自然對(duì)流換熱系數(shù)及輻射換熱系數(shù),進(jìn)而得到空氣與外壁表面的復(fù)合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[5]。

本模型中選用各介質(zhì)的物性參數(shù)如表2所示，“—”表示該數(shù)值不存在或本模型中不需要。

表2 各介質(zhì)的物性參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

選取實(shí)際生產(chǎn)中常用的工藝參數(shù)冷卻水量2.4t/ h(對(duì)應(yīng)進(jìn)水速度1.5 m/s),進(jìn)水溫度25℃的情況進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)以上建立的冷卻單元三維數(shù)值模型,求解得到了Z=0面的溫度場(chǎng)分布,如圖2所示。從計(jì)算結(jié)果看,冷卻單元的冷卻效果良好,冷卻元件的設(shè)置不僅使得冷卻元件本身區(qū)域的局部低溫,同時(shí)有效地降低了冷卻元件周圍耐火材料區(qū)域的溫度。特別是冷卻元件和煙氣接觸面的平均溫度達(dá)到244℃,該低溫區(qū)極易促成內(nèi)壁掛渣的形成,掛渣在冷卻元件工作表面首先發(fā)生。實(shí)踐中低溫區(qū)域不僅能夠使耐火材料的壽命得到延長(zhǎng),同時(shí)還有利于反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的形成,使得反應(yīng)塔爐體得到更好的保護(hù)。

圖2 Z=0面的溫度場(chǎng)分布

通過(guò)數(shù)值計(jì)算,還可以得到,冷卻水的出水溫度為31.4℃,溫升為6.4℃。冷卻水帶出的熱量為17 711 W,而冷卻單元的熱損失量為17 799 W,冷卻水帶出熱量占總的熱損失量的99.5%。由此,冷卻單元的熱損失大部分由冷卻水帶走,而通過(guò)外壁面到空氣的散熱量很小,因此冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,冷卻水帶出熱量的計(jì)算極為關(guān)鍵。同時(shí),鋼板的最高溫度為79.7℃,能夠保持較好的性能。

針對(duì)反應(yīng)塔的不同區(qū)域,冷卻單位的設(shè)計(jì)不完全相同。通過(guò)對(duì)反應(yīng)塔各個(gè)不同冷卻單元分別進(jìn)行建模計(jì)算,分別得到各冷卻單元的用水量及冷卻水的溫升，最終根據(jù)熱量守恒原理能夠得到整個(gè)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量及溫升。

本研究中冷卻水進(jìn)口的尺寸保持不變,所以冷卻水量與冷卻水進(jìn)水速度成正比。圖3為冷卻水帶出熱量與冷卻水進(jìn)水速度的關(guān)系,由計(jì)算結(jié)果可知,冷卻水帶出熱量隨著冷卻水進(jìn)水速度的增大而增大,但是增大的幅度非常小,幾乎保持不變。特別是冷卻水進(jìn)水速度在0.5～2.5?m/s的情況下,冷卻水帶出熱量幾乎恒定,即冷卻單元的冷卻強(qiáng)度隨著冷卻水量的變化幾乎保持不變。

圖3 冷卻水帶出熱量與冷卻水進(jìn)水速度的關(guān)系

圖4為冷卻水出水進(jìn)水溫差與冷卻水進(jìn)水速度的關(guān)系,由計(jì)算結(jié)果可知,隨著冷卻水進(jìn)水速度的增大,冷卻水進(jìn)水出水溫差減小。由上述的冷卻強(qiáng)度隨冷卻水量的變化保持不變的結(jié)果,并根據(jù)Q=cmΔt可知,冷卻水出水進(jìn)水溫差與冷卻水進(jìn)水量成反比,圖4的結(jié)果曲線符合該反比關(guān)系。另外,冷卻水進(jìn)水速度在＜0.5?m/s的情況下,冷卻水出水進(jìn)水溫差太大,導(dǎo)致出水溫度過(guò)高,因此,冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中冷卻水量不能設(shè)計(jì)的太小。

圖4 冷卻水出水進(jìn)水溫差與冷卻水進(jìn)水速度的關(guān)系

圖5 冷卻水帶出熱流量與冷卻水進(jìn)水溫度的關(guān)系

圖5為冷卻水帶出熱量與冷卻水進(jìn)水溫度的關(guān)系,由計(jì)算結(jié)果可知,隨著冷卻水進(jìn)水溫度的增大,冷卻水帶出熱量減小,但是減小的幅度非常小,幾乎沒有變化,即冷卻單元的冷卻強(qiáng)度隨著冷卻水進(jìn)水溫度的變化幾乎保持不變。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)反應(yīng)塔冷卻單元進(jìn)行建模計(jì)算,來(lái)對(duì)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究,得到以下主要結(jié)論：1)冷卻單元的冷卻效果良好,產(chǎn)生的低溫區(qū)域容易促進(jìn)反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的形成。2)冷卻系統(tǒng)主要的散熱損失由冷卻水帶走,冷卻單元冷卻水溫升帶出熱量的計(jì)算對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵。3)冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量及溫升可以通過(guò)分別計(jì)算各不同冷卻單元的冷卻水量和溫升得到。4)冷卻單元的冷卻強(qiáng)度與冷卻水的進(jìn)水溫度及進(jìn)水量關(guān)系不大,通過(guò)降低進(jìn)水溫度或加大進(jìn)水量達(dá)到提高冷卻強(qiáng)度的方式效果不明顯。5)本研究模型忽略了反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的影響,掛渣的形成機(jī)理以及掛渣對(duì)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的影響,是研究反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)下一步工作的重要方向。

[1]《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[2]趙榮升.閃速爐設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2010,31 (6):17-20.

[3]黃文華.大型閃速錄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及探討[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究, 2010,31(6):33-34.

[4]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[5]楊世民,陶文銓.傳熱學(xué)[M].3版.北京:高等教育出版社,1998.

Application of Numerical Simulation in the Design of Cooling System of Reaction Shaft

XIONG Zong-wei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

3D model is established on cooling unit of cooling system of flash furnace reaction shaft,fluid dynamics software FLUENT is used for study of numerical simulation,it shows that cooling effect of cooling unit is good,low temperature area helps to form slag coating on inner wall of reaction shaft;main heat loss of cooling system is taken away by cooling water;cooling intensity of cooling unit and inlet temperature of cooling water have little to do with water inflow;total circulation water and temperature rise of cooling system can be obtained by calculation of cooling water amount and temperature rise of the different cooling units.

flash furnace;reaction shaft;cooling system;3D modeling;numerical simulation;heat loss

TF806

B

1004-4345（2014）01-0000-00

2013-10-21

國(guó)家863課題(2013AA064001)。

熊宗維(1984-),男,工程師,主要從事于有色冶金爐的設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真工作。