澳斯麥特爐煙道流體有限元仿真探究及煙道優(yōu)化

劉 磊 柳俊杰 丁 博

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司冶煉廠,湖北 黃石 435005)

0 前言

澳斯麥特爐(以下簡(jiǎn)稱“澳爐”)熔煉技術(shù)的主要特點(diǎn)是富氧頂吹熔煉。由于這個(gè)工藝特點(diǎn),精礦進(jìn)料量和進(jìn)風(fēng)量較大,同時(shí)為了減少噴濺熔體進(jìn)入煙道,設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)34.9 m 的垂直煙道。建爐至今,澳爐煙道結(jié)焦一直是生產(chǎn)工藝中比較突出的問(wèn)題,影響較大,如降低熱交換效率,影響收塵效果。結(jié)焦只能由人工清理,存在難度大、環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。

如對(duì)澳爐煙道進(jìn)行優(yōu)化,需花費(fèi)較大改造成本和較長(zhǎng)的時(shí)間,因此難以在實(shí)際中進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。有限元仿真成本低,周期短,十分契合澳爐煙道改進(jìn)需要。首先,對(duì)煙道內(nèi)的煙氣進(jìn)行有限元仿真,有助于提高冶化生產(chǎn)水平;仿真模型可以令冶金技術(shù)人員更直觀地掌握煙道內(nèi)的實(shí)際狀態(tài),在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道內(nèi)煙氣的定量和定性分析,對(duì)前后工藝的優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用。然后,通過(guò)對(duì)煙道優(yōu)化方案進(jìn)行初步驗(yàn)證,嘗試尋找主要煙道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向。

綜上所述,對(duì)澳爐煙道進(jìn)行有限元仿真非常有必要,是掌握煙氣變化過(guò)程、預(yù)測(cè)工藝參數(shù),乃至優(yōu)化、創(chuàng)新煙道所需的基礎(chǔ)研究工作之一。

1 澳爐煙道主要結(jié)構(gòu)及煙氣特性

1.1 煙道的主要結(jié)構(gòu)

澳爐煙道的主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。冶煉產(chǎn)生的煙氣從入口進(jìn)入煙道,往上是長(zhǎng)達(dá)34.9 m 的上升煙道(相應(yīng)部分標(biāo)高如圖1 所示,從入口29.1 m 標(biāo)高到爐頂64.0 m 標(biāo)高),再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)約10 m 的水平段后,接著經(jīng)過(guò)40.0 m 長(zhǎng)的下降煙道,最后從出口進(jìn)入電收塵器中。垂直煙道的正下方是清灰、排灰的煙斗,煙斗在正常生產(chǎn)時(shí)為關(guān)閉狀態(tài),故煙道的煙氣流動(dòng)為一進(jìn)一出形式。澳爐煙道全程的寬度基本一致。

煙道內(nèi)壁為澳爐余熱鍋爐水冷壁,循環(huán)水通過(guò)高溫?zé)煔鈸Q熱產(chǎn)生飽和蒸汽,設(shè)定溫度不超過(guò)35 ℃。

1.2 冶煉煙氣特性

煙道內(nèi)煙氣包括澳爐冶煉產(chǎn)生的大量煙氣和內(nèi)含多種物質(zhì)的混合固體小顆粒[1]。煙氣的主要成分是SO2、N2、CO2、H2O;固體小顆粒的主要成分包括礦料中低熔點(diǎn)的物質(zhì)(如S、Pb、Zn、As 等)與氧氣反應(yīng)形成的氧化物,以及精礦的小顆粒、鐵的氧化物等。由于上述顆粒成分復(fù)雜且熔點(diǎn)、沸點(diǎn)差異較大,且煙氣溫度隨煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)逐步下降,不斷有熔融態(tài)物質(zhì)顆粒凝固粘接到煙道內(nèi)壁上,日積月累,導(dǎo)致了煙道結(jié)焦現(xiàn)象[2-3]。

圖1 澳爐煙道的主要結(jié)構(gòu)

2 澳爐煙道建模及有限元仿真

2.1 澳爐煙道三維建模

根據(jù)煙道特性,理想化內(nèi)壁為平面,煙道近似為寬度不變的長(zhǎng)方體管道,對(duì)煙道內(nèi)煙氣流體進(jìn)行三維仿真,并與煙道實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

利用ANSYS17.0 對(duì)煙道整體進(jìn)行三維建模,模型如圖2 所示。

圖2 澳爐煙道三維模型

2.2 工況與邊界條件

工況為澳爐正常生產(chǎn)時(shí)狀態(tài),根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果,煙道入口的氣體流量約為70 000 m3/h,煙氣溫度約為1 200 ℃[4]。

根據(jù)前人的研究[5-6],澳爐水冷壁的傳熱系數(shù)預(yù)計(jì)為0～200 W/m2·℃。經(jīng)比較分析,認(rèn)為175 W/m2·℃較為合適。

為了盡量保證仿真的準(zhǔn)確性,并簡(jiǎn)化、理想化煙氣模型,仿真時(shí)認(rèn)為:1)煙氣為不可壓縮的粘性流體;2)固體小顆粒均勻,體積較小,相互作用可忽略;3)煙氣中固相與流體相相互交融、滲透,具有相同的整體速度(相當(dāng)于煙氣帶著小顆粒一齊運(yùn)動(dòng)),故忽略固體小顆粒的運(yùn)動(dòng),只考慮煙氣的運(yùn)動(dòng);4)煙道內(nèi)壁(水冷壁)與煙氣的傳熱是均勻的,且流動(dòng)與傳熱都是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。煙氣的主要參數(shù)見表1。

表1 煙氣特性參數(shù)

2.3 有限元仿真計(jì)算及分析

2.3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)煙道的結(jié)構(gòu)和載荷特性,對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

將SolidWorks 建好的模型導(dǎo)入ANSYS 中,并對(duì)煙道進(jìn)行Fill 操作,提取出煙道模型,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為50 mm。最終網(wǎng)格數(shù)為1 865 950,節(jié)點(diǎn)數(shù)為334 952,網(wǎng)格劃分局部效果如圖3 所示。

圖3 三維模型網(wǎng)格劃分局部效果

2.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

煙氣的速度矢量云圖與溫度云圖如圖4、圖5所示。

進(jìn)口煙氣速度和出口煙氣速度分別為1.29 m/s 和0.51 m/s,煙氣流速下降了60.5%,最大流速為2.06 m/s,出現(xiàn)在煙道頂部;進(jìn)口煙氣溫度和出口煙氣溫度分別為1 200 ℃和273.54 ℃。

圖4 速度矢量云圖

為更直觀地掌握煙氣流動(dòng)和三維煙道模型內(nèi)部的溫度變化情況,抽取了三維煙氣流動(dòng)線路圖和溫度云圖,如圖6 和圖7 所示。

煙氣在上升煙道、下降煙道內(nèi)基本為層流,在斜坡段與靠近出口底部灰斗附近沒(méi)有產(chǎn)生明顯渦流。

圖5 溫度云圖

圖6 煙氣流動(dòng)線路圖

由圖7 可知,上升煙道前24 m 流體中心的煙氣溫度較高,為1 140 ℃;煙道內(nèi)從入口至水平段靠近水冷壁區(qū)域,煙氣溫度穩(wěn)步下降;經(jīng)過(guò)斜面后,中心煙氣溫度會(huì)降至768 ℃左右;在下降煙道段,煙氣溫度下降放緩;到出口附近,平均溫度才下降至273 ℃左右。

圖7 截面溫度云圖

3 澳爐煙道模型驗(yàn)證

通過(guò)在系統(tǒng)檢修期間觀察煙道內(nèi)的結(jié)焦情況分析煙氣流體的流動(dòng)并驗(yàn)證仿真模型。

2018 年澳爐停爐大修期間,從61.9 m 標(biāo)高的人孔往下和斜坡段底部、頂部的煙道照片如圖8所示,這三個(gè)部位對(duì)應(yīng)三維模型的位置如圖9所示。

圖8 煙道照片

由圖8 和圖9 可知,煙道打開部分已經(jīng)完成清焦,再往下部分還未清焦,很明顯煙道水冷壁直角區(qū)域較容易生成結(jié)焦塊,且左上和右下直角區(qū)域(圖8(a)圓圈部位,對(duì)應(yīng)圖9 煙道左部上升段直角部位)結(jié)焦塊較大,水冷壁中部結(jié)焦層薄且小,這符合煙道流體中心流速快、溫度高,四角流體流速慢、溫度低的特點(diǎn)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)清焦工人的反饋,煙道西南角(圖9左上標(biāo)注)出現(xiàn)大塊的結(jié)焦塊,說(shuō)明上升煙道頂部煙氣溫度較低,流速慢。從斜坡段頂部狀態(tài)看(圖8(c)、圖9 右上標(biāo)注),斜坡頂端與兩側(cè)煙道連接面出現(xiàn)較大焦塊,說(shuō)明煙氣溫度較低,且流速相對(duì)較慢。

綜合所述,三維仿真模型比較符合實(shí)際,可靠性得到驗(yàn)證。

4 仿真模型流體狀態(tài)應(yīng)用淺析

仿真模型在工藝方面的重要應(yīng)用就是對(duì)煙氣狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),本文從煙氣溫度和壓力兩個(gè)方面進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

圖9 對(duì)應(yīng)三維模型部位

為了更直觀了解煙氣溫度的變化,由三維仿真模型得到煙氣等溫面,如圖10 所示。在圖10中,從左至右分別是1 200 ℃到300 ℃的等溫面。從圖10 可看出,煙氣“翻越”水平段后,煙氣中心溫度為800～900 ℃,斜坡段旋渦處煙氣溫度為300～400 ℃。由圖10 最右側(cè)300 ℃等溫面可以看出,從上煙道升段10 m 處到出口靠近水冷壁區(qū)域,大部分煙氣溫度為300 ℃左右,這說(shuō)明水冷壁整體換熱效率較好。

圖10 等溫面展示圖

煙道壓力云圖如圖11 所示。由圖11 可知,出口負(fù)壓為200 Pa,左側(cè)整個(gè)上升煙道的壓力損失約為10%,右側(cè)下降煙道負(fù)壓為199.9 Pa,壓力損失可忽略,斜坡段中心旋渦的負(fù)壓有所增加,雖然增加量很少,卻有利于煙氣在水平段的過(guò)渡。壓力損失較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)樗蕉蝺蓚€(gè)直角區(qū)域,對(duì)應(yīng)實(shí)際煙道的南、北角,這兩個(gè)區(qū)域的壓力損失分別達(dá)到14%和12%。壓力損失大,不利于煙氣順暢流動(dòng)。結(jié)合圖4,發(fā)現(xiàn)流體速率下降嚴(yán)重,為結(jié)焦塊的生成提供了便利條件。這種情況與實(shí)際結(jié)果相符,間接驗(yàn)證了仿真模型。

圖11 壓力云圖

5 煙道優(yōu)化模型及仿真

5.1 煙道優(yōu)化

根據(jù)上述澳爐煙道的分析結(jié)果,在盡量不作大范圍改動(dòng)情況下,從煙氣流動(dòng)情況及水冷壁的換熱效率兩個(gè)方面將煙道主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。改進(jìn)包括以下三個(gè)地方,如圖12 中圓圈所示:1)左側(cè)上升煙道增加1%開口度;2)煙道頂部南北即水平段前后端增加兩個(gè)45°傾角,側(cè)邊長(zhǎng)度為1 950 mm;3)將下灰斗整體上移4 000 mm。

圖12 煙道優(yōu)化部位示意圖

5.2 優(yōu)化后煙道模擬仿真

經(jīng)過(guò)SolidWorks 建模和ANSYS 軟件仿真后,優(yōu)化后煙道的煙氣速度矢量云圖、溫度云圖及壓力云圖如圖13 所示。

圖13 優(yōu)化后煙道的煙氣流動(dòng)線路圖、溫度云圖及壓力云圖

將圖13 與圖6、圖7、圖11 進(jìn)行對(duì)比,可以看出:

1)煙氣流速有較大變化。優(yōu)化后煙氣最大流速?gòu)?.06 m/s 提高到2.795 m/s,增幅達(dá)35.7%;煙道優(yōu)化后出口煙氣平均流速?gòu)?.51 m/s 增至1.1 m/s,增幅達(dá)115.7%。整個(gè)煙道內(nèi)基本為層流。

2)煙氣總體溫度變化大。煙道優(yōu)化后出口煙氣溫度最高可以達(dá)到1 100 ℃,平均溫度為700～800 ℃,為優(yōu)化前273.54 ℃的2.56～2.92 倍。

3)煙氣壓力總體情況類似。最大負(fù)壓點(diǎn)仍然在煙道頂部南側(cè),從197.2 Pa 增加到198 Pa,增幅不到1 Pa,最低壓力仍為202 Pa。煙道水平段的南角、北角改為45°傾角后,規(guī)避了壓力損失。

從煙道入口至出口,煙氣中心溫度仍超過(guò)1 000 ℃,沒(méi)有明顯下降,與圖7 的煙氣中心溫度從1 200 ℃逐步下降到273.54 ℃的情況相比,有明顯區(qū)別,這說(shuō)明煙氣流速過(guò)快,換熱時(shí)間不夠長(zhǎng)。煙氣溫度高將會(huì)對(duì)后續(xù)電收塵系統(tǒng)造成巨大影響,極大縮短電場(chǎng)內(nèi)部原件的壽命,因而后期電收塵系統(tǒng)故障會(huì)較多;但煙氣流速快可大幅減少結(jié)焦的產(chǎn)生。最后,關(guān)于提高換熱效率,可通過(guò)增加煙道總體長(zhǎng)度來(lái)增加換熱時(shí)間,這需要的改造費(fèi)用巨大。因此,可以通過(guò)降低電收塵對(duì)煙道的負(fù)壓來(lái)降低煙氣的流速。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用SolidWorks 建模和ANSYS 有限元仿真分析對(duì)澳爐煙道正常工況下的煙氣流動(dòng)進(jìn)行仿真,得到煙道內(nèi)流體的三維仿真模型,同時(shí)將其與煙道實(shí)際結(jié)焦情況進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證該模型的可靠性。結(jié)果表明仿真模型可在一定程度上對(duì)澳爐煙道煙氣流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬和計(jì)算分析。根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化煙道主要結(jié)構(gòu),并通過(guò)仿真預(yù)測(cè)改造后煙道流體流速、壓力、溫度三個(gè)方面的變化,為澳爐煙道改進(jìn)提供一定理論基礎(chǔ)。

澳爐煙道的三維有限元仿真結(jié)果不僅有助于判斷和預(yù)測(cè)煙道流體的工藝參數(shù)、狀態(tài),對(duì)煙道本體的優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)也具有積極意義。然而,仿真模型的不斷優(yōu)化仍需要更多的經(jīng)驗(yàn)積累和特征條件數(shù)據(jù),這就要求不斷地觀測(cè)和更精確地測(cè)量,目前現(xiàn)場(chǎng)很多條件還不具備,有待未來(lái)解決。