閃速熔煉精礦噴嘴預(yù)混結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與數(shù)值仿真

徐 鵬，吳玉月，劉 勐，張勁松，王守全

（1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031；2.金冠銅業(yè)公司，安徽銅陵 244100）

1 前言

精礦噴嘴作為銅閃速熔煉爐核心設(shè)備，設(shè)置在閃速爐反應(yīng)塔頂部，向爐內(nèi)噴入銅精礦粉、富氧氣以及工藝風(fēng)，并使各類物料在反應(yīng)塔頂部實(shí)現(xiàn)充分混合、燃燒，完成冶金反應(yīng)［1］。目前，隨著有色冶金技術(shù)的進(jìn)步及大型化發(fā)展趨勢，噴嘴精礦處理量不斷增大，單臺已經(jīng)達(dá)到300t/h左右。而噴嘴處理量的提高也更容易帶來銅精礦投入量波動范圍大，爐料、空氣及氧氣混合不佳，煙塵率高、熔煉效果差等問題［2］。因此針對精礦噴嘴的研究，特別是使礦料與工藝風(fēng)實(shí)現(xiàn)充分混合，在反應(yīng)塔頂部有限的空間內(nèi)進(jìn)行迅速、完全氧化反應(yīng)一直是相關(guān)研究熱點(diǎn)［3～6］。

目前國內(nèi)外關(guān)于精礦噴嘴相關(guān)閃速熔煉技術(shù)研究主要集中在兩方面：一是通過數(shù)值仿真方法開展氣?；旌涎芯?，尋求合理的工藝參數(shù)，如在投料量增加過程中，工藝風(fēng)、分散風(fēng)和中央氧的最佳配比工況以使氣?；旌铣浞?。其中有代表性的研究如陳卓等以FLUENT 6.3軟件為計(jì)算平臺，建立了銅閃速爐熔煉過程數(shù)值模型，并針對高投料量下反應(yīng)塔氣粒兩相變物理場信息分布變化特點(diǎn)展開仿真研究［7,8］。研究結(jié)果表明：分散風(fēng)－工藝風(fēng)的動量比對閃速爐內(nèi)顆粒的分散效果影響顯著；在適度分散精礦顆粒并有效控制其對反應(yīng)塔壁造成沖刷蝕損的前提下，使用大分散風(fēng)－工藝風(fēng)動量比更有利于爐內(nèi)氣、粒兩相混合與反應(yīng)過程的順利進(jìn)行；而在相同分散風(fēng)－工藝風(fēng)動量比下，采用小工藝風(fēng)風(fēng)速的操作條件時(shí)爐內(nèi)整體反應(yīng)效果較佳。周俊等采用正交設(shè)計(jì)的方法，就閃速爐生產(chǎn)操作的3個主要配風(fēng)參數(shù)（工藝風(fēng)、分散風(fēng)、中央氧）對爐內(nèi)氣、?；旌戏磻?yīng)過程的影響關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)仿真研究，得到基準(zhǔn)工況條件下的操作參數(shù)優(yōu)化配比方案［9］。仿真結(jié)果表明：分散風(fēng)速度對氣、?；旌戏磻?yīng)過程的影響占主導(dǎo)地位；在優(yōu)化工況條件下，爐內(nèi)熔煉過程效率進(jìn)一步提高，其煙塵發(fā)生率可控制在3.2%左右，爐內(nèi)氧氣基本消耗完全。這些研究為閃速爐噴嘴工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

另一方面研究則集中在噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)上。為解決富氧熔煉需要，芬蘭某公司于20世紀(jì)70年代開發(fā)了中央擴(kuò)散型精礦噴嘴，噴嘴中央設(shè)有氧氣管，增加了與精礦的接觸面積，使得反應(yīng)更加徹底，現(xiàn)已發(fā)展到第四代，為目前精礦噴嘴結(jié)構(gòu)型式的主流。此后研究者不斷在中央噴射擴(kuò)散型精礦噴嘴基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。如J·西皮萊等在進(jìn)口通道中設(shè)置了調(diào)節(jié)部件，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流的橫截面面積，調(diào)節(jié)從排放口排出的湍流速率，延長反應(yīng)塔中精礦混合物顆粒處理時(shí)間，避免過快地點(diǎn)燃過度有效火焰，導(dǎo)致反應(yīng)塔中部出現(xiàn)問題［10］。Jussi Sipili等為強(qiáng)化氣?；旌希趥鹘y(tǒng)中央擴(kuò)散式噴嘴閃速爐空氣腔倒圓錐筒內(nèi)壁上設(shè)置旋流導(dǎo)流片，另外將全部工藝風(fēng)切向進(jìn)入空氣腔中［11］。國內(nèi)周俊等公開了一種閃速熔煉爐的精礦噴嘴，在水冷外套的下部外周壁上套設(shè)有旋流套管，旋流套管的管壁上設(shè)置有用于導(dǎo)氣的旋流葉片，可使工藝風(fēng)因旋流葉片的導(dǎo)氣作用而以旋流的姿態(tài)排出與礦料進(jìn)行混合，從而使得工藝風(fēng)與礦料的混合更加充分、均勻，進(jìn)而提高礦料燃燒效果，強(qiáng)化了反應(yīng)塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱速率［12］。這些方法主要是改變噴嘴出口垂直向下的工藝風(fēng)環(huán)狀氣流方向及速度，促使氣粒兩相在反應(yīng)塔內(nèi)混合充分。

無論是配風(fēng)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)還是噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，目的都是提高氣?；旌铣潭?，但是工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)效果會受到噴嘴結(jié)構(gòu)的限制和影響，噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)也不能脫離工藝參數(shù)研究，兩者之間存在密切聯(lián)系，有必要結(jié)合起來分析研究。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文針對某銅冶煉企業(yè)使用的第四代精礦噴嘴進(jìn)行了分析，提出了結(jié)構(gòu)簡單的新型預(yù)混結(jié)構(gòu)，包括工藝風(fēng)旋流、環(huán)氧風(fēng)偏斜和吹散風(fēng)、可調(diào)節(jié)分配進(jìn)料口等優(yōu)化方案；并采用CFD軟件中多相流模型進(jìn)行氣粒兩項(xiàng)流動過程仿真分析，調(diào)節(jié)相關(guān)工藝配風(fēng)參數(shù)。研究分析氣粒兩相運(yùn)動特性，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料均分、提高工藝風(fēng)旋流及精礦粉流化效果，促進(jìn)流動及混合。

優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。其工作原理是精礦粉通過精礦噴嘴進(jìn)料箱進(jìn)行均勻分料，并通過環(huán)狀吹風(fēng)結(jié)構(gòu)8進(jìn)行初步分散；然后精礦粉下行通過切向環(huán)氧風(fēng)偏斜風(fēng)口6、吹散環(huán)風(fēng)口4攪拌預(yù)混，由分散錐滑道滑行進(jìn)行分料發(fā)散；最后在噴嘴出口再通過分散風(fēng)3、中央氧1以及旋流工藝風(fēng)7的進(jìn)一步分散預(yù)混，使得氣流以一定角度與精礦粉射流交叉，或以“旋轉(zhuǎn)”氣流攪拌，或以壁面孔的射流穿透精礦粉等方式強(qiáng)化混合［13］，不斷提高氣?；旌铣潭?。

圖1 精礦噴嘴結(jié)構(gòu)示意

2.1 工藝風(fēng)旋向

工藝風(fēng)是實(shí)現(xiàn)精礦與氣體混合的重要介質(zhì)，為獲得更好的氣?；旌闲Ч诠に囷L(fēng)入口加裝工藝風(fēng)偏角管（見圖2），強(qiáng)制工藝風(fēng)旋流，使精礦粉在反應(yīng)塔內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下落，延長其在反應(yīng)塔中的懸空停留時(shí)間，促進(jìn)精礦粉分布，提升氣?；旌闲Ч瑫r(shí)減輕礦料對反應(yīng)塔壁的沖刷。

圖2 工藝風(fēng)偏角管

2.2 環(huán)氧風(fēng)偏斜和吹散風(fēng)

增加吹散風(fēng)使風(fēng)向向下，修改環(huán)氧風(fēng)風(fēng)口并與垂直方向呈40°角度傾斜。通過吹散風(fēng)沿分散錐的曲線噴吹方向，與環(huán)氧風(fēng)和精礦粉顆粒進(jìn)行進(jìn)一步攪拌預(yù)混（見圖3）。

圖3 環(huán)氧風(fēng)與吹散風(fēng)

3 數(shù)值分析

為研究上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化對精礦粉分布效果的影響，建立如下分析模型，包括工藝風(fēng)室、中央噴嘴、調(diào)風(fēng)錐及反應(yīng)塔（見圖4）。工藝風(fēng)室為工藝風(fēng)進(jìn)入反應(yīng)塔的通道，頂部為工藝風(fēng)入口，入口直徑703.2 mm，風(fēng)量37000 Nm3/h。中央噴嘴貫穿于工藝風(fēng)室中心，提供分散風(fēng)及中央氧，分散風(fēng)風(fēng)量3450 Nm3/h，風(fēng)壓45 kPa，中央氧風(fēng)量2000 Nm3/h，風(fēng)壓22 kPa。反應(yīng)塔直徑7 m，高8 m，為精礦粉與各股配風(fēng)混合、反應(yīng)場所。精礦粉投料量為2.2×105kg/h，粒徑采用 rosin－rammler函數(shù)分布于1～5 mm 間。

圖4 分析模型

3.1 仿真計(jì)算模型

氣流和精礦粉顆粒進(jìn)入反應(yīng)塔后形成典型的氣粒兩相混合流動。本文采用壓力基穩(wěn)態(tài)雙精度算法，研究冷態(tài)下不同結(jié)構(gòu)及配風(fēng)條件對精礦粉分布效果的影響，并通過如下控制方程組客觀描述氣、粒兩相間傳遞過程的特征［14，15］。

（1）質(zhì)量守恒方程：

式中 ρ——流體密度

Sm——從分散相進(jìn)入連續(xù)相的質(zhì)量

對于2D軸對稱模型，質(zhì)量守恒方程表達(dá)為：

式中x，r——軸向坐標(biāo)、徑向坐標(biāo)

vx，vr——軸向速度、徑向速度分量

（2）動量守恒方程：

式中p——靜壓

ρ→——重力體積力

——外界體積力

μ——分子黏度

I——單位張量

對于旋流模型，軸向動量守恒方程、徑向動量守恒方程、切向動量守恒方程分別表達(dá)為：

式中x，r——軸向坐標(biāo)、徑向坐標(biāo)

Fx——外界體積力軸向分量

u——切向坐標(biāo)

vw，w——切向速度、旋轉(zhuǎn)速度

Fr——外界體積力徑向分量

（3）組分傳輸方程

（4）離散相模型

式中up——顆粒相速度

uc——連續(xù)相速度

FD（uc－up）—— 單位質(zhì)量顆粒所受的拖曳力

gx——重力加速度

ρp——顆粒相密度

ρc——連續(xù)相的密度

μc——連續(xù)相的黏度

dp——顆粒的平均直徑

CD——常數(shù)

Re——?dú)饬髁鬟^顆粒時(shí)的繞流雷諾數(shù)

3.2 分析與討論

3.2.1 工藝風(fēng)偏角管

工藝風(fēng)偏角管的內(nèi)旋角度直接決定了工藝風(fēng)進(jìn)入風(fēng)室的初始速度、旋流角度，進(jìn)而影響工藝風(fēng)通過調(diào)風(fēng)錐截面進(jìn)入反應(yīng)塔的速度、旋流角度（見表1），使工藝風(fēng)與精礦粉的混合效果發(fā)生變化。

表1 工藝風(fēng)偏角管內(nèi)旋角度對工藝風(fēng)風(fēng)速及旋流角度的影響

表1中，隨著工藝風(fēng)偏角管內(nèi)旋角度從0°逐漸增大至45°，工藝風(fēng)的軸向速度、切向速度、徑向速度及旋流角度逐漸增大，但當(dāng)內(nèi)旋角度增大至60°，軸向速度明顯下降。從風(fēng)室內(nèi)工藝風(fēng)風(fēng)向變化分析其原因（見圖5），無偏角管時(shí)，左右兩側(cè)進(jìn)入的工藝風(fēng)在中間平面相互沖擊，工藝風(fēng)基本上無旋流角度，壓力損失大；當(dāng)裝置內(nèi)旋45°偏角管時(shí)，兩側(cè)進(jìn)入的工藝風(fēng)形成良好的旋流效果，同時(shí)壓力損失較少，出口風(fēng)速增大；當(dāng)內(nèi)旋角度增大至60°時(shí)，入口處的工藝風(fēng)旋流過大，壓力損失增加，導(dǎo)致出口處的軸向速度下降。

圖5 工藝風(fēng)偏角管內(nèi)旋角度對工藝風(fēng)風(fēng)向的影響

從圖6中可看出，隨著偏角管內(nèi)旋角度逐漸增大，工藝風(fēng)旋流角度也逐漸增大，精礦粉分布軌跡曲線更加柔和。偏角管內(nèi)旋45°時(shí)，精礦粉分布效果最為理想，而當(dāng)偏角管內(nèi)旋超過45°時(shí)，精礦粉分布效果明顯惡化，這與工藝風(fēng)速度變化的規(guī)律一致。因此通過設(shè)置內(nèi)旋45°的工藝風(fēng)偏角管，促進(jìn)工藝風(fēng)旋流，可以有效提升精礦粉分布效果。

圖6 工藝風(fēng)偏角管內(nèi)旋角度對精礦粉分布效果的影響

3.2.2 環(huán)氧風(fēng)和吹散風(fēng)

環(huán)氧風(fēng)和吹散風(fēng)作為流化風(fēng)，合適的風(fēng)量大小是實(shí)現(xiàn)合理配風(fēng)的關(guān)鍵，也是研究重點(diǎn)。為適應(yīng)對環(huán)氧風(fēng)和吹散風(fēng)出口細(xì)節(jié)的模擬，采用Axisymmetry Swirl邊界條件將三維模型簡化為二維軸旋轉(zhuǎn)模型。環(huán)氧風(fēng)作為一次流化風(fēng)，以5 mm壁面孔射流吹向精礦粉，吹入方向與垂直方向呈40°；吹散風(fēng)作為二次流化風(fēng)，以5 mm壁面孔射流吹向精礦粉，方向與垂直方向一致。通過調(diào)節(jié)環(huán)氧風(fēng)及吹散風(fēng)風(fēng)量，使不同粒徑精礦顆粒適當(dāng)分離并合理分布，實(shí)現(xiàn)合理配風(fēng)、形成有利的空氣動力場，使氣?；旌暇鶆?。

（1）環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量對精礦粉分散效果的影響

在不通入吹散風(fēng)的前提下，通入環(huán)氧風(fēng)并逐步調(diào)節(jié)其風(fēng)量，得出不同風(fēng)量環(huán)氧風(fēng)對精礦粉分布直徑的影響。

如圖7，8所示，在0～2000 Nm3/h風(fēng)量區(qū)間內(nèi)，精礦粉分布直徑與環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量正相關(guān)，當(dāng)風(fēng)量超過2000 Nm3/h，精礦粉分布直徑減??；但是隨著環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量超過1500 Nm3/h，較大粒徑的精礦粉開始向外側(cè)擴(kuò)散，使中心位置發(fā)生缺料，不利于精礦粉的均布。

圖7 環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量對精礦粉分布效果的影響

圖8 環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量對精礦粉分布直徑的影響

而且當(dāng)環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量為1500 Nm3/h時(shí)，可有效促進(jìn)氣粒均勻混合，此時(shí)精礦粉較好地充盈于礦料下行通道內(nèi)；風(fēng)量增大至2000 Nm3/h，射流壓力增加，精礦粉產(chǎn)生向內(nèi)環(huán)處偏聚的趨勢；風(fēng)量繼續(xù)增大至2500 Nm3/h，射流壓力進(jìn)一步增加，精礦粉幾乎完全被吹向內(nèi)環(huán)，無法與氣體充分混合，不能起到促進(jìn)精礦粉分布的作用（見圖9）。因此環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量應(yīng)控制在1500 Nm3/h，既保證良好的精礦粉分布直徑，又避免中心發(fā)生缺料。

圖9 環(huán)氧風(fēng)風(fēng)量對精礦粉吹散效果的影響

（2）吹散風(fēng)風(fēng)量對精礦粉分散效果的影響

在通入1500 Nm3/h環(huán)氧風(fēng)的前提下，通入吹散風(fēng)使精礦粉加速下落至分散錐表面，并通過分散錐噴出至反應(yīng)塔內(nèi)（見圖10）。

圖10 吹散風(fēng)風(fēng)量對精礦粉吹散效果的影響

如圖10所示，在通入250 Nm3/h吹散風(fēng)后，精礦粉的分布直徑明顯增大，提升了礦粉的分布效果。當(dāng)吹散風(fēng)風(fēng)量繼續(xù)增大至500 Nm3/h后，較大粒徑的精礦粉也開始向外側(cè)發(fā)生擴(kuò)散，使中心位置發(fā)生缺料，不利于精礦粉的反應(yīng)。故吹散風(fēng)風(fēng)量應(yīng)控制在250～500 Nm3/h間。

4 結(jié)論

（1）通過工藝風(fēng)旋流、環(huán)氧風(fēng)偏斜和吹散風(fēng)、可調(diào)節(jié)分配進(jìn)料口等預(yù)混結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并調(diào)節(jié)相關(guān)工藝配風(fēng)參數(shù)，可有效改善氣粒混合不均勻、不充分的問題，進(jìn)而提高礦料燃燒效果。

（2）工藝風(fēng)偏角管能夠獲得良好的旋流效果，減少工藝風(fēng)在風(fēng)室內(nèi)的壓力損失，并增大工藝風(fēng)的出口速度，促進(jìn)精礦粉與工藝風(fēng)的混合效果。吹散風(fēng)－環(huán)氧風(fēng)對精礦粉顆粒的分散效果影響顯著，合理的配風(fēng)風(fēng)量可獲得理想的精礦粉分布效果，更有利于氣粒兩相混合過程。

（3）本文主要研究冷態(tài)下不同結(jié)構(gòu)及配風(fēng)條件對精礦粉分布效果的影響，未考慮相互之間疊加效果，也未涉及氣粒兩相在反應(yīng)塔內(nèi)復(fù)雜反應(yīng)過程，需在后續(xù)工作中予以關(guān)注及研究。

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