基于CFD的高海拔地區(qū)氧化槽溫場(chǎng)數(shù)值仿真研究

張永興，高丙朋

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

目前，生物氧化法是從難處理金礦石中提取金的最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ?，具有操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定性高、投資少、成本低、金回收率高等優(yōu)點(diǎn)。生物氧化預(yù)處理所用的氧化槽在高海拔地區(qū)易受極端氣候影響，槽內(nèi)溫度分布不均，影響浸出效果[1]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)生物氧化槽內(nèi)溫度控制已有一些研究。氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均，軸向溫度變化對(duì)生物氧化預(yù)處理進(jìn)程干擾顯著[2]。根據(jù)槽內(nèi)熱量供給與流失之間的熱平衡關(guān)系，構(gòu)建出溫度控制模型，可以實(shí)現(xiàn)氧化槽溫度的穩(wěn)定控制[3]。采用小范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度檢測(cè)實(shí)時(shí)加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法，通過(guò)控制多級(jí)氧化槽整體溫度，可以大大提高多級(jí)氧化槽的浸出效率[4]。通過(guò)建立聚類(lèi)層次傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度序列，結(jié)合所有溫度狀態(tài)估計(jì)，可減少外界因素的干擾，提高全局溫度狀態(tài)估計(jì)精度[5]。

高海拔地區(qū)，冬季最低氣溫達(dá)-39.0 ℃，夏季最高氣溫達(dá)40.3 ℃，年平均僅6.1 ℃；極端天氣下，還常伴有大風(fēng)或風(fēng)吹雪。置于室外的生物氧化槽外部熱量損失嚴(yán)重，從而影響內(nèi)部溫度。真實(shí)吹風(fēng)條件包含許多變量和不確定性因素，因此幾乎不可能在模擬和全尺寸試驗(yàn)之間實(shí)現(xiàn)真正驗(yàn)證，只能積累不同條件下的定性驗(yàn)證結(jié)果[6]。氧化槽內(nèi)的溫度受氣候影響較大，對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制較難，因此，為使細(xì)菌保持較好活性、提高細(xì)菌繁殖率，有必要對(duì)氧化槽外壁的熱量損失進(jìn)行研究。

上述研究?jī)?nèi)容均是分析氧化槽內(nèi)溫場(chǎng)，而較少考慮環(huán)境溫度對(duì)氧化槽溫場(chǎng)影響的數(shù)值仿真。試驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合氧化槽結(jié)構(gòu)，利用CFD技術(shù)(Computational Fluid Dynamics，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))，研究了采用不同環(huán)境溫度對(duì)槽內(nèi)溫場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，并考察了不同厚度巖棉板對(duì)槽內(nèi)溫場(chǎng)的影響。以期為生物氧化預(yù)處理溫場(chǎng)方面的研究提供合適的保溫材料及材料厚度，為實(shí)際生產(chǎn)節(jié)約成本并提供依據(jù)。

1 氧化槽工作原理

生物浸出效果受多種條件制約，主要包括適合細(xì)菌生長(zhǎng)的體系：pH、礦漿濃度、進(jìn)氣量、溫度等[7]。生物氧化預(yù)處理工藝(圖1)為：礦石磨細(xì)，調(diào)漿加入到生物氧化槽內(nèi)，加入生物培養(yǎng)液進(jìn)行初級(jí)氧化。礦漿由分配器輸送給3臺(tái)并聯(lián)的氧化槽。反應(yīng)一段時(shí)間后，氧化槽內(nèi)礦漿輸送給另3臺(tái)串聯(lián)的氧化槽進(jìn)行次級(jí)氧化。各個(gè)氧化槽中設(shè)有pH、氧化還原電位及溫度測(cè)定裝置。在保證各個(gè)氧化槽內(nèi)進(jìn)氣量充分條件下反應(yīng)6 d，然后將礦漿輸送至洗滌系統(tǒng)[8]。

圖1 金礦石的生物氧化預(yù)處理工藝流程

2 氧化槽內(nèi)的熱傳遞

氧化槽的熱量損失和熱量供給達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡是保證生產(chǎn)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。氧化槽內(nèi)的熱量來(lái)源于氧化槽內(nèi)細(xì)菌氧化還原反應(yīng)釋放的熱量Q1和換熱器帶來(lái)的熱量Q2。氧化槽單位時(shí)間內(nèi)的熱量流失Q3由熱傳導(dǎo)散熱量Q3a、對(duì)流傳熱量Q3b、輻射換熱量Q3c和攪拌槳旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的熱量損失Q3d組成。

由此，可得系統(tǒng)的熱平衡方程：

Q3=Q1+Q2；

Q3=Q3a+Q3b+Q3c+Q3d。

(2)

2.1 生物氧化反應(yīng)釋放的熱量Q1

生物氧化反應(yīng)主要包括微生物的酶解和中間產(chǎn)物氧化反應(yīng)：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)漿液反應(yīng)前后物質(zhì)的量變，求得氧化還原反應(yīng)所釋放的熱量Q1：

Q1=k1Δn(FeS2)+k2Δn(FeS)+k3Δn(FeAsS)。

(6)

式中：Δn—各組分物質(zhì)的量，mol；k1、k2、k3—FeS2、FeS和FeAsS的轉(zhuǎn)換系數(shù)，kJ。理論上，F(xiàn)eS2、FeS、FeAsS反應(yīng)釋放的熱量分別為1 464 kJ/mol，605.6 kJ/mol，905.3 kJ/mol[9]。

2.2 換熱管給礦漿傳導(dǎo)的熱量Q2

受高寒高海拔地區(qū)天氣的影響，氧化槽內(nèi)溫度極易發(fā)生變化，因此，主要采用換熱器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)礦漿溫度。當(dāng)漿液溫度低于生物氧化最佳溫度時(shí)，向換熱器中通入100 ℃熱水；當(dāng)漿液溫度高于生物氧化最佳溫度時(shí)，向換熱器中通入常溫水。試驗(yàn)用換熱器管道為內(nèi)徑d=100 mm、壁厚=5 mm、長(zhǎng)度L=8 000 mm的不銹鋼管。管內(nèi)流體對(duì)流換熱的熱量通過(guò)管壁傳遞給礦漿。礦漿與換熱器以導(dǎo)熱方式進(jìn)行熱量傳遞，則單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)熱量為：

(7)

式中：K—冷熱水管線(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；A—冷熱水管線(xiàn)表面積，m；Te—礦漿溫度，K；Tr—管線(xiàn)中水的溫度，K；Δt—導(dǎo)熱所需時(shí)間，s；δ—冷熱水管線(xiàn)厚度，mm；L—調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，(°)。

根據(jù)能量平衡方程，可得氧化槽系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)溫度變化數(shù)學(xué)公式：

(8)

式中：c—礦漿比熱容，J/(kg·℃)；m—礦漿質(zhì)量，kg。

2.3 氧化槽熱交換流失熱量Q3

1)熱傳導(dǎo)散熱Q3a

反應(yīng)槽與周?chē)h(huán)境換熱以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，其熱傳導(dǎo)公式為：

(9)

式中：Q3a—熱傳導(dǎo)換熱量，kJ；K1—反應(yīng)槽導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T1—礦漿溫度，K；T2—周?chē)h(huán)境溫度，K；A1—反應(yīng)槽表面積，m；δ1—槽壁厚度，mm。

2)對(duì)流傳熱量Q3b

Q3b=hA1(T3-T4)。

(10)

式中：h—對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；T3—槽壁溫度，K；T4—環(huán)境溫度，K。影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素較多，試驗(yàn)主要考慮反應(yīng)槽外壁溫度對(duì)熱量損失的影響。

3)輻射換熱Q3c

當(dāng)環(huán)境溫度與物體表面溫度差異較大時(shí)，罐體自身與周?chē)h(huán)境的輻射換熱量與對(duì)流換熱基本處于同一數(shù)量級(jí)，因此，輻射換熱對(duì)氧化槽溫度的影響同樣明顯。氧化槽罐體與周?chē)h(huán)境輻射換熱方程式為

Q3c=ε1A1σ(T5-T6)4。

(11)

式中：ε1—物體發(fā)射率，其值總是小于1，表面光滑的不銹鋼發(fā)射率為0.9；σ—斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；T5—罐體表面溫度，K；T6—環(huán)境溫度，K。

4)攪拌損失的熱量Q3d

攪拌加快槽內(nèi)熱量流失，也影響反應(yīng)槽熱平衡。漿液熱量損失Q3d公式：

Q3d=c(Tt-Tt-1)m。

(12)

式中：c—礦漿比熱容，4.5 kJ/(kg·℃)；Tt—攪拌時(shí)間t時(shí)的礦漿溫度，K；Tt-1—攪拌時(shí)間t-1時(shí)的礦漿溫度，K；m—漿液的質(zhì)量，kg。

3 數(shù)學(xué)建模與分析

3.1 控制方程

生物氧化預(yù)處理過(guò)程中，礦漿的熱量交換遵循能量守恒定律，控制方程如下：

(13)

式中：ρ—材料密度，kg/m3；c—材料比熱容，kJ/(kg·℃)；T—溫度，K；τ—時(shí)間，s；λ—傳熱系數(shù)，W/(m·K)；φ—單位體積內(nèi)熱源的生成熱，W/m3。x、y、z—x、y、z坐標(biāo)軸方向的分熱量，W。

3.2 仿真模型

氧化槽內(nèi)部是多參數(shù)復(fù)雜流場(chǎng)，目前處理這類(lèi)流場(chǎng)主要采用k-ε湍流模型數(shù)值計(jì)算方法。k-ε湍流模型分為標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-ε和可實(shí)現(xiàn)化k-ε模型。其中，可實(shí)現(xiàn)化k-ε模型主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、邊界流、循環(huán)流、自由流等，應(yīng)用范圍廣泛，精度高，能更準(zhǔn)確描述氧化槽內(nèi)的實(shí)際情況。

利用Fluent軟件仿真模擬，基于有限元法對(duì)生物氧化槽的熱量傳遞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。首先設(shè)置動(dòng)、靜區(qū)域交界面，打開(kāi)能量方程，流動(dòng)模型為可實(shí)現(xiàn)化k-ε模型，采用強(qiáng)化壁面函數(shù)，輻射模型為P1模型，計(jì)算方法為COUPLE算法，差分格式為二階迎風(fēng)格式(二階迎風(fēng)格式是對(duì)一階差分格式的修正，是一種離散化的方法，通過(guò)之前兩網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果而得到下一網(wǎng)格的值，收斂精度為二階)[10-12]，其他相關(guān)參數(shù)均采用默認(rèn)參數(shù)。其中：中心軸直徑0.1 m，反應(yīng)槽直徑9.5 m，高10 m，礦漿工作液面高8 m；攪拌器為雙層斜葉式，攪拌槳直徑5 m，厚0.08 m，寬0.8 m，距槽底2 m，兩攪拌槳相距3.5 m。材料物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物性參數(shù)

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)反應(yīng)槽模型做如下分析：

1)氧化槽內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，攪拌導(dǎo)致各種物質(zhì)的流動(dòng)方向和流速不同，攪拌槳周?chē)桩a(chǎn)生渦流及旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。攪拌一段時(shí)間后，內(nèi)部流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，流動(dòng)狀態(tài)基本不再變化，為穩(wěn)態(tài)。

2)氧化槽內(nèi)微生物發(fā)生氧化還原反應(yīng)所釋放熱量及換熱管中通入水所傳遞的熱量都是改變反應(yīng)槽內(nèi)溫度的主要因素。為簡(jiǎn)化模型，將其設(shè)置為等效內(nèi)熱源。此內(nèi)熱源采用與換熱管等面積的長(zhǎng)方體等效。

3)對(duì)氧化槽罐體進(jìn)行局部區(qū)域細(xì)化處理。罐體工作液面高度為8 m，將罐體頂面設(shè)置為自由面，與空氣相接觸，可有效反映生物氧化過(guò)程的實(shí)際狀況。

4)氧化槽外部風(fēng)場(chǎng)環(huán)境變化多端，多為不可控因素。將氧化槽外壁面設(shè)置為對(duì)流換熱面，通過(guò)改變換熱系數(shù)和環(huán)境溫度，同時(shí)調(diào)節(jié)內(nèi)熱源熱量，使外部對(duì)流換熱和輻射換熱所帶走的熱量與內(nèi)熱源所供給的熱量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，維持槽內(nèi)溫度。氧化槽外壁通過(guò)系統(tǒng)耦合計(jì)算，不改變其他參數(shù)，最終達(dá)到槽內(nèi)外熱量動(dòng)態(tài)平衡。

通過(guò)分析生物氧化預(yù)處理過(guò)程、假設(shè)及模型簡(jiǎn)化，用GAMBIT軟件建立三維仿真模型，分別對(duì)攪拌槳、反應(yīng)槽等進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為使仿真模擬具有高精度，對(duì)動(dòng)。靜區(qū)域交界面、近壁面處及攪拌槳進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真計(jì)算，當(dāng)三維模型網(wǎng)格劃分總數(shù)為739 847個(gè)時(shí)，仿真結(jié)果不再發(fā)生變化(采用有限元法分析時(shí)，若網(wǎng)格劃分太少，則模型太粗糙，仿真結(jié)果偏差較大；若網(wǎng)格劃分精細(xì)，則計(jì)算結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，占用計(jì)算機(jī)資源：所以，數(shù)值仿真時(shí)，需要不斷實(shí)驗(yàn)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果不再發(fā)生較大變化時(shí)，選擇此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量較為合理)。經(jīng)檢查，此時(shí)網(wǎng)格畸變度較小，網(wǎng)格質(zhì)量較佳[13-14]，其模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分狀況

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

為保證氧化槽內(nèi)反應(yīng)充分，還需要保證適宜的攪拌速度。攪拌速度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致礦漿溢出，并造成氧化槽熱量損失加??；攪拌速度過(guò)低，則各反應(yīng)物混合可能不充分，不能完全反應(yīng)[15]。參考文獻(xiàn)[16]，確定攪拌速度為290 r/min，并在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行仿真分析。不同環(huán)境溫度下的氧化槽縱截面(YZ平面，x=0)礦漿溫度分布如圖3所示?？梢钥闯觯翰煌h(huán)境溫度下槽內(nèi)溫度分布差異較小，且呈現(xiàn)出徑向溫度分布相對(duì)均勻，軸向溫度分布存在溫差，整體溫差2～4 ℃。因?yàn)椴捎玫氖请p層攪拌槳，且安裝位置合適，所以攪拌效果較好，溫度分布較均勻。

對(duì)比不同環(huán)境溫度云圖可知，不改變換熱器的生熱量，則隨環(huán)境溫度降低，槽內(nèi)溫度也不斷降低，且呈現(xiàn)出中心軸處的溫度略高于槽邊緣處。環(huán)境溫度為273.15 K時(shí)，槽內(nèi)溫度能較穩(wěn)定地保持在315.15 K左右，生產(chǎn)可正常運(yùn)行；環(huán)境溫度為268.15 K及以下時(shí)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)生影響。而增達(dá)換熱器的換熱量，可以較好地改善槽內(nèi)溫場(chǎng)，但會(huì)造成換熱器近壁面處局部溫度過(guò)高，同樣也會(huì)影響工業(yè)生產(chǎn)。

a—273.15 K；b—268.15 K；c—263.15 K；

為了說(shuō)明不同環(huán)境溫度對(duì)槽內(nèi)礦漿溫度的影響，取距底部3 m處的橫截面，沿中心向徑向分布，并分析槽內(nèi)溫度分布狀況，結(jié)果如圖4、5所示。因各環(huán)境溫度下槽內(nèi)溫度分布情況相似，此處僅考察環(huán)境溫度263.15 K條件下的槽內(nèi)溫度分布情況。

圖4 環(huán)境溫度為263.15 K條件下，橫截面3 m處槽內(nèi)溫度分布

由圖4看出：槽內(nèi)溫度分布相對(duì)均勻，四周溫度略低于中心溫度，但整體上溫差不大，這主要是由四周壁面與周?chē)h(huán)境發(fā)生對(duì)流換熱和輻射換熱造成。由圖5看出：環(huán)境溫度對(duì)槽內(nèi)溫度影響顯著，隨溫差增大，熱損失呈線(xiàn)性增加。

圖5 不同環(huán)境溫度條件下，橫截面3 m處槽內(nèi)溫度分布對(duì)比

為了改善周?chē)h(huán)境對(duì)槽內(nèi)溫場(chǎng)的影響，對(duì)氧化槽壁面加裝保溫材料，在Fluent中選取氧化槽外壁面并設(shè)置為殼傳導(dǎo)。保溫材料為巖棉板，其具有阻燃性，導(dǎo)熱系數(shù)較低且透氣性好，具有保溫和防火雙重作用，為氧化槽提供良好的節(jié)能保溫系統(tǒng)[17-20]。其材料參數(shù)為：密度150 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.040 W/(m·K)，比熱容0.75 kJ/(kg·℃)。以環(huán)境溫度263.15 K為例，不改變其他參數(shù)，分別對(duì)25、50、75、100 mm保溫層進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析[18]，不同厚度保溫層氧化槽縱截面(YZ平面，x=0)礦漿溫度分布如圖6所示。

a—25 mm；b—50 mm；c—75 mm；d—100 mm。

為了說(shuō)明無(wú)保溫層和不同厚度保溫層對(duì)槽內(nèi)溫度的影響，取距底部3 m處的橫截面，沿中心向徑向分布，結(jié)果如圖7所示。可以看出：25 mm厚度的保溫層比無(wú)保溫層時(shí)槽內(nèi)溫度升高2 ℃左右，主要是巖棉板的導(dǎo)熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不銹鋼材質(zhì)的氧化槽，也降低了對(duì)流傳熱速率；每增加25 mm厚度保溫層，氧化槽內(nèi)溫度升高約0.5 ℃，保溫層越厚保溫效果越好，但需要結(jié)合實(shí)際情況，選取合適厚度的保溫層。

圖7 橫截面3 m處不同厚度保溫層對(duì)槽內(nèi)溫度的影響

4 結(jié)論

極端天氣下的環(huán)境溫度對(duì)生物氧化槽內(nèi)的溫度場(chǎng)有明顯影響。通過(guò)建立三維模型，可明確不同環(huán)境溫度下槽內(nèi)溫度場(chǎng)狀況；在氧化槽外壁增設(shè)保溫層，改造氧化槽結(jié)構(gòu)，增大換熱量，可以改善槽內(nèi)溫度場(chǎng)環(huán)境；內(nèi)熱源生熱量太大會(huì)導(dǎo)致局部溫度過(guò)高，應(yīng)合理增設(shè)換熱器，通過(guò)增加換熱面積改善槽內(nèi)溫場(chǎng)。

環(huán)境溫度對(duì)槽內(nèi)溫場(chǎng)的影響呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)，外壁增設(shè)保溫層，能較好改善槽內(nèi)溫場(chǎng)，保溫層厚度需要結(jié)合實(shí)際情況確定。