陽(yáng)極爐氣相燃燒過(guò)程數(shù)值仿真研究

柴滿林,龍 鵬,王萬(wàn)軍

（1.銅陵有色金屬股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司,安徽銅陵 244000；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 建筑環(huán)境與能源工程系,廣西桂林 541004）

陽(yáng)極爐氣相燃燒過(guò)程數(shù)值仿真研究

柴滿林1,龍 鵬2,王萬(wàn)軍1

（1.銅陵有色金屬股份有限公司 金冠銅業(yè)分公司,安徽銅陵 244000；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 建筑環(huán)境與能源工程系,廣西桂林 541004）

以裝配某天然氣燒嘴的陽(yáng)極爐為對(duì)象,針對(duì)其熔體上部空間內(nèi)的燃燒過(guò)程開展數(shù)值仿真研究。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：陽(yáng)極爐保溫期時(shí),陽(yáng)極爐爐膛內(nèi)部燒嘴兩側(cè)區(qū)域均存在較大的回流,爐內(nèi)最高溫度為2 311 K；氧化期時(shí),由于燒嘴右側(cè)形成回流,因此爐內(nèi)火焰出現(xiàn)向右偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象并造成單側(cè)爐壁溫度偏高,陽(yáng)極爐中心氣相最高溫度為2 506 K。

陽(yáng)極爐;氣相燃燒;數(shù)值仿真;數(shù)學(xué)模型；邊界條件

1 研究基礎(chǔ)

陽(yáng)極爐火法精煉銅過(guò)程按照生產(chǎn)作業(yè)流程將其分為保溫、氧化、還原和澆鑄四個(gè)階段[1-2]。在精煉過(guò)程中,陽(yáng)極爐內(nèi)氣相空間的持續(xù)燃燒供熱是其能源消耗的主要部分[3]。陽(yáng)極爐精煉過(guò)程中所用的燃料包括重油、煤粉以及天然氣等[4],近年來(lái)多以天然氣為主。

有關(guān)工業(yè)爐窯爐膛內(nèi)氣相燃燒空間流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的三維數(shù)值模擬方面,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已做了大量研究工作。例如,2004年Nieckele等[5]對(duì)采用純氧燃燒的熔鋁爐進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,對(duì)比分析了采用3種燒嘴配置的熔鋁爐的溫度場(chǎng)分布、組分濃度分布和火焰形狀,并基于溫度場(chǎng)和組分分布優(yōu)化了燃燒器的配置方式。2006年,Pitsch H對(duì)湍流燃燒大渦模擬（LES）進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析了非預(yù)混和預(yù)混湍流燃燒模型中雷諾平均Navier-Stokes（RANS）模型和LES燃燒模型的根本區(qū)別,確定LES的開放式問(wèn)題和建模問(wèn)題,并就未來(lái)研究發(fā)展方向提出建議[6]。2008年,Abbassi A等對(duì)玻璃熔窯的氣相空間的湍流與燃燒反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并就仿真計(jì)算得出的溫度與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)最大相對(duì)誤差小于7.6%；在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)爐子操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,以減少其燃油消耗[7]。2010年,中南大學(xué)李剛等對(duì)反射爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,其以熱工測(cè)試數(shù)據(jù)作為仿真計(jì)算邊界條件,并將仿真計(jì)算溫度與反射爐內(nèi)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)溫度誤差小于7%；并得出旋流燃燒器的燃燒性能優(yōu)于直流燃燒器[8]。但有關(guān)陽(yáng)極爐氣相燃燒過(guò)程的數(shù)值仿真研究,國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文以裝配某型號(hào)天然氣燒嘴的陽(yáng)極爐燃燒過(guò)程為對(duì)象開展數(shù)值仿真研究,分析陽(yáng)極爐內(nèi)不同操作階段中其熔體上部空間內(nèi)的氣相速度、溫度分布以及燃燒過(guò)程的特點(diǎn),從而為陽(yáng)極爐精煉生產(chǎn)過(guò)程提供技術(shù)指導(dǎo)與支持。

2 陽(yáng)極爐內(nèi)燃燒過(guò)程數(shù)值仿真模型

2.1 數(shù)值仿真區(qū)域

本文中介紹的仿真研究主要針對(duì)陽(yáng)極爐熔體上部空間內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程,因此數(shù)值仿真區(qū)域僅包括了天然氣燒嘴、陽(yáng)極爐氣相燃燒空間、煙道等3部分。

陽(yáng)極爐為一個(gè)臥式圓柱形筒體,可作360°回轉(zhuǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐中通常取保溫期的爐體位置為基準(zhǔn)位置,其中心面與垂直位置為0°夾角。仿真計(jì)算中取陽(yáng)極爐的半徑（R）為基準(zhǔn)長(zhǎng)度,則陽(yáng)極爐長(zhǎng)為6.5R,高為1R,寬為2R；其中天然氣燒嘴距離底面高度為0.6R,與水平方向成一定的夾角。煙道中心線與燒嘴中心線均位于陽(yáng)極爐中心截面上。

陽(yáng)極爐處于氧化還原階段時(shí),陽(yáng)極爐內(nèi)的銅液液位深度取進(jìn)料結(jié)束時(shí)的液深,即1.1R（氣相空間高度則為0.9R）。因氧化還原期的工藝要求下方的銅液需浸沒(méi)氧化還原風(fēng)口,故該階段開始時(shí)需將爐子搖轉(zhuǎn)35°。此時(shí),陽(yáng)極爐仿真模型中的爐體長(zhǎng)為6.5R,高為0.9R,寬為1.99R；其中天然氣燒嘴距離底面高度為0.5R,與水平方向仍成一定的夾角；爐體偏轉(zhuǎn)35°,即煙道中心線與燒嘴中心線所在陽(yáng)極爐截面與垂直方向成35°夾角。

氧化期陽(yáng)極爐爐體模型以及本文分析中將引用的截面示意如圖1所示。

圖1 陽(yáng)極爐結(jié)構(gòu)示意

圖2為陽(yáng)極爐天然氣燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示,氧氣和天然氣分別經(jīng)燒嘴噴入陽(yáng)極爐內(nèi)氣相空間,其中天然氣自燒嘴中心通入,部分氧氣自天然氣外圍補(bǔ)入（此部分氧氣簡(jiǎn)稱環(huán)氧）,其余氧氣則由天然氣槍的周圍補(bǔ)給噴入爐內(nèi)（此部分氧氣簡(jiǎn)稱側(cè)氧）。天然氣、環(huán)氧與側(cè)氧的不同配比將直接影響著天然氣在爐膛內(nèi)部的燃燒過(guò)程和爐內(nèi)溫度分布狀況。

圖2 天然氣燒嘴結(jié)構(gòu)示意

2.2 數(shù)學(xué)模型

描述陽(yáng)極爐內(nèi)氣相流動(dòng)與燃燒過(guò)程的基本守恒方程包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和組分守恒方程[9-11]。

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量守恒方程

3）能量守恒方程

陽(yáng)極爐精煉氣相燃燒過(guò)程為大空間湍流燃燒問(wèn)題,因此本文選用k-ε湍流模型,其反應(yīng)由天然氣與氧氣發(fā)生非預(yù)混燃燒反應(yīng),故采用有限速率/渦耗散模型,采用兩步甲烷化學(xué)反應(yīng)。甲烷和空氣的兩步反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

2.3 邊界條件確定

陽(yáng)極爐仿真模型中包含3種邊界類型:

1）各氣流入口均設(shè)置為速度入口邊界類型,其速度根據(jù)各工況下的實(shí)際操作條件確定。陽(yáng)極爐燃料采用天然氣,天然氣的主要成分為CH4,其它成分的含量很少,因此將入口天然氣全部定義為甲烷。陽(yáng)極爐燃燒過(guò)程供氧采用體積分率為98%的高濃度氧氣,各氧氣氣流的速度可通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的氣體流量來(lái)進(jìn)行控制。

4）組分守恒方程

表1 陽(yáng)極爐操作參數(shù)

2）由于缺少陽(yáng)極爐壁面的具體冷卻條件,仿真研究中通過(guò)紅外測(cè)溫儀得到陽(yáng)極爐爐壁熱場(chǎng)圖片（如圖3所示）后,經(jīng)理論計(jì)算推得出爐內(nèi)壁溫度為1 440 K。仿真計(jì)算中忽略銅液流動(dòng)以及氧化還原反應(yīng)過(guò)程對(duì)上方氣相燃燒過(guò)程的影響,由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中銅液溫度約為1 473 K,由此取計(jì)算區(qū)域底面的溫度為1 473 K；天然氣、氧氣燒嘴入口壁面均取環(huán)境溫度300 K；其壁面條件均設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

圖3 陽(yáng)極爐正面紅外熱場(chǎng)

3）由于陽(yáng)極爐煙道出口處煙氣處于充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài),出口邊界上的變量均由內(nèi)部向外推得到,對(duì)上游的流動(dòng)影響可以忽略不計(jì),因此陽(yáng)極爐出口邊界設(shè)為質(zhì)量出口邊界條件。

3 陽(yáng)極爐氣相燃燒過(guò)程數(shù)值仿真結(jié)果分析

陽(yáng)極爐精煉過(guò)程要求爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定且溫度分布均勻,火焰應(yīng)具有低的火焰峰值溫度以及較長(zhǎng)的火焰長(zhǎng)度,無(wú)局部高溫?zé)狳c(diǎn)?；诖四繕?biāo),下面分別對(duì)陽(yáng)極精煉過(guò)程的保溫期與氧化期兩個(gè)階段內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程分析如下。

3.1 保溫期燃燒過(guò)程仿真結(jié)果分析

圖4為陽(yáng)極爐內(nèi)氣相流線圖。如圖所示,天然氣、氧氣組成的高速氣流進(jìn)入爐內(nèi)后形成下方的斜向左平行射流,并在爐內(nèi)左右兩側(cè)形成回流,此區(qū)域的氣流回流將有利于促進(jìn)爐內(nèi)的氣體混合均勻,但可能對(duì)左右爐壁形成沖刷；同時(shí)受高速氣流的影響,在射流的下方也形成了局部小的回流,其中接近銅液液面氣流回流有助于加快銅液表面的氣體運(yùn)動(dòng),從而增強(qiáng)氣體和銅液之間的對(duì)流換熱,但位于陽(yáng)極爐左端壁面的強(qiáng)烈回流則可能對(duì)爐壁產(chǎn)生沖刷蝕損。

圖4 工況1下陽(yáng)極爐內(nèi)流線

此外如圖5所示,天然氣和氧氣兩股高速射流入口截面的最高速度可達(dá)到100 m/s；噴入爐內(nèi)之后,兩股氣流運(yùn)動(dòng)到x/R=1截面時(shí)已合并成為一股射流,其射流中心速度降低至38 m/s,射流寬度發(fā)展為0.51R。此時(shí),由于回流的作用,在靠近陽(yáng)極爐壁面區(qū)域氣流速度有所偏高,并由此可能對(duì)壁面造成沖刷；此工況條件下,爐內(nèi)的氣流射流長(zhǎng)度約為3R。

圖5 工況1下截面中心線z/R=0速度曲線

圖6為保溫期陽(yáng)極爐內(nèi)氣相溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。可以看出,天然氣和環(huán)氧以同心射流的方式噴入爐內(nèi)后,兩者迅速混合并發(fā)生燃燒,故燒嘴出口附近區(qū)域的溫度迅速升高；此后氣體溫度沿氣流入射路徑而逐漸降低；爐內(nèi)最后溫度出現(xiàn)在x/R=l截面上,最高溫度值達(dá)到2 301 K。需要注意的是,在x/R=2處,由于高溫?zé)煔饣亓鞫斐山诿嫣帤怏w溫度偏高,可能加快該區(qū)域內(nèi)爐壁耐火材料的高溫?fù)p耗速度。

圖6 工況1下陽(yáng)極爐截面等溫線/K

3.2 氧化期燃燒過(guò)程仿真結(jié)果分析

圖7所示為陽(yáng)極爐內(nèi)氣相速度矢量分布圖。由圖中可以看出：氣流自燒嘴噴入陽(yáng)極爐內(nèi)空間后,在爐頂高速氣流上方形成了一半徑約為0.2 R的小范圍回流,并在燒嘴右側(cè)區(qū)域以及煙道出口附近有兩個(gè)較大的回流,其回流范圍半徑約為0.7～0.8R。

圖7 工況2下陽(yáng)極爐內(nèi)氣相速度矢量分布

圖8為氧化期陽(yáng)極爐內(nèi)氣相燃燒溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果。可以看出：在天然氣槍和氧槍的出口附近,當(dāng)天然氣與氧氣發(fā)生混合燃燒后,氣體溫度迅速升高,至x/R=l位置時(shí),氣相溫度達(dá)到最高值2 506 K,隨后,沿爐長(zhǎng)方向氣相溫度逐漸降低。與保溫期情況不同的是,氧化期由于爐體偏轉(zhuǎn),爐內(nèi)燃燒火焰自x/R=3處轉(zhuǎn)向陽(yáng)極爐右邊偏轉(zhuǎn),因而造成陽(yáng)極爐右側(cè)氣相溫度明顯偏高,因此在該操作階段應(yīng)該更為關(guān)注高溫?zé)煔鈱?duì)右側(cè)爐壁可能造成的高溫蝕損作用。

圖8 工況2陽(yáng)極爐截面等溫線/K

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)保溫期與氧化期時(shí)陽(yáng)極爐內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程進(jìn)行了研究,通過(guò)對(duì)陽(yáng)極爐內(nèi)氣相流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布的分析討論,得到主要結(jié)論如下：1)陽(yáng)極爐熔體上方空間內(nèi)的燒嘴區(qū)域以及煙道出口附近存在明顯的回流區(qū)域,其中燒嘴區(qū)域的煙氣回流將有助于增加爐內(nèi)燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性；2)陽(yáng)極爐保溫期時(shí),陽(yáng)極爐爐膛內(nèi)部燒嘴兩側(cè)區(qū)域均存在較大的回流,該區(qū)域內(nèi)的煙氣回流有效地加強(qiáng)了爐內(nèi)氣體的循環(huán)與混合,爐內(nèi)最高溫度為2 311 K,且溫度隨著射流方向逐漸降低；3)氧化期時(shí),陽(yáng)極爐中心氣相最高溫度為2 506 K；由于燒嘴右側(cè)形成回流,從而出現(xiàn)火焰向右偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,此時(shí)應(yīng)尤為關(guān)注爐體側(cè)壁可能發(fā)生的的高溫蝕損作用。

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Numerical Simulation of Gaseous Combustion in Anode Furnace

CHAI Manlin1,LONG Peng2,WANG Wanjun1
(1.JinGuan Copper,Tongling Non-ferrous Metal Co.Ltd.,Tongling Anhui,244000,China;2.Department of Building Environment and Energy Engineering,Guilin University of Aerospace Technology,Guilin Guangxi,541004,China)

A CFD computation was carried out for the combustion process in an anode furnace.The simulation results reveal that, during the heating period,strong gaseous recirculation was formed in both sides near the burner and the maximum temperature inside the furnace is 2 311 K,whilst in the oxidation period,as the recirculation lies in only one side of the furnace,the flame leans to the right thus causes high temperature near the refractory linings.The highest temperature found in this oxidation period is 2 506 K.

Anode furnace;gaseous combustion;numerical simulation;mathematical model;boundary conditions

TF811

A

1004-4345（2015）02-0018-04

2014-12-16

安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1301021018）。

柴滿林（1966—）,男,工程師,主要從事銅冶煉工藝研究工作,E-mail：chaiml@jgty.net.

龍鵬,男,桂林航天工業(yè)學(xué)院建筑環(huán)境與能源工程系,E-mail：longpeng@guat.edu.cn.