冶煉煙氣混氣室的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉嬌洋，陳文江

（1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031；2.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院，廣東 深圳 518046）

某公司計(jì)劃擴(kuò)大粗銅生產(chǎn)規(guī)模，導(dǎo)致待處理的煙氣量加大，原有的硫酸裝置無(wú)法滿(mǎn)足增加產(chǎn)能后的煙氣條件，因此需要建設(shè)新硫酸裝置，并與老硫酸裝置同時(shí)運(yùn)行，以充分回收利用所有煙氣。冶煉煙氣來(lái)自?shī)W斯麥特爐和轉(zhuǎn)爐，隨著冶煉生產(chǎn)周期和投料量等因素的變化而波動(dòng)，原混氣室無(wú)法使現(xiàn)氣量下的兩股煙氣達(dá)到充分混合，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)壓力的沖擊增大，導(dǎo)致整個(gè)工藝系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)考慮新建一座混氣室，使奧斯麥特爐煙氣與轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室內(nèi)達(dá)到充分混合后進(jìn)入新老硫酸系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)混氣室的腔體緩沖制酸工藝系統(tǒng)壓力的波動(dòng)。

單純的理論分析和計(jì)算能確定達(dá)到系統(tǒng)煙氣混合和緩解壓力波動(dòng)所需要的最小緩沖空間，從而確定滿(mǎn)足工藝條件的最小混氣室規(guī)格。為了直觀地了解和有針對(duì)性地優(yōu)化混氣室的運(yùn)行效果，該項(xiàng)目首先在滿(mǎn)足工藝配置及工廠(chǎng)投入允許的條件下確定混氣室的規(guī)格。筆者通過(guò)數(shù)值模擬分析對(duì)新建混氣室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，使煙氣混合效果更佳，混氣室運(yùn)行阻力更小，達(dá)到更優(yōu)的運(yùn)行效果。

1 模型的建立與求解

原制酸工藝系統(tǒng)混氣室結(jié)構(gòu)較小，新建混氣室要求設(shè)置在原有位置，整個(gè)制酸工藝系統(tǒng)管線(xiàn)保持不變，混氣室進(jìn)出口煙氣管道的方位僅能進(jìn)行局部微調(diào)，考慮到切向旋流能增加煙氣在混氣室的流動(dòng)時(shí)間、煙氣成角度進(jìn)入形成碰撞能對(duì)兩股煙氣進(jìn)行強(qiáng)制混合，在現(xiàn)場(chǎng)管道配置允許的條件下，建立了模型一（兩股煙氣入口切向進(jìn)入）和模型二（兩股煙氣60°夾角進(jìn)入），分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 模型一（兩股煙氣入口切向進(jìn)入）

圖2 模型二 （兩股煙氣入口60°夾角進(jìn)入）

采用Ansys軟件中的Fluent模塊對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，入口選用速度入口，出口選用壓力出口?；鞖馐抑械墓ぷ鹘橘|(zhì)為混合煙氣，只需了解混合氣體的流動(dòng)情況且不考慮化學(xué)反應(yīng)，依據(jù)軟件計(jì)算原理[1]及適用推薦[2]，采用多相流混合模型，故分別定義來(lái)自?shī)W斯麥特爐和轉(zhuǎn)爐混合煙氣作為兩相工作介質(zhì)，計(jì)算流體均定義為不可壓縮流體，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用分離式求解器。由于兩股煙氣混合時(shí)產(chǎn)生碰撞，流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，流體處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用工程中最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型進(jìn)行計(jì)算。

以系統(tǒng)常規(guī)工況作為邊界條件輸入依據(jù)，奧斯麥特爐煙氣流量125 000 m3/h，轉(zhuǎn)爐煙氣流量180 000 m3/h，工作溫度250 ℃。由于混氣室工作壓力波動(dòng)范圍不大，對(duì)正常工況流速影響較小，此處選取工作壓力1 kPa作為工況換算壓力，物性參數(shù)參照工藝條件提供的混合煙氣取值計(jì)算。由上述取值計(jì)算定義邊界條件，速度入口輸入工況速度和設(shè)備幾何參數(shù)，壓力出口輸入設(shè)備幾何參數(shù)，其余參數(shù)為預(yù)測(cè)結(jié)果參數(shù)，此處采用模型默認(rèn)設(shè)置，不影響模型計(jì)算，具體定義邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 定義邊界條件設(shè)置

2 煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)分析

分別截取了模型一和模型二的煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)圖進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖3和圖4。為便于準(zhǔn)確觀察煙氣進(jìn)入混氣室的狀態(tài)，圖3和圖4中，左視圖隱藏了轉(zhuǎn)爐煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)，僅顯示奧斯麥特爐煙氣在混氣室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)；右視圖隱藏了奧斯麥特爐煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)，僅顯示轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)；中間視圖同時(shí)顯示兩股煙氣在混氣室混合的流動(dòng)狀態(tài)。

圖3 模型一的煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)

圖4 模型二的煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)

從圖3的左視圖可以看出，奧斯麥特爐煙氣進(jìn)入混氣室后，大部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動(dòng)，少部分向下旋流；向上流動(dòng)的奧斯麥特爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動(dòng)力波洗滌器2個(gè)入口流出，且大部分去1#硫酸裝置入口Ⅱ，一部分繼續(xù)向上流動(dòng)與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，極少一部分煙氣向下旋流。由右視圖可以看出，轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)入混氣室后，大部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動(dòng)，少部分向下旋流；向上流動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動(dòng)力波洗滌器2個(gè)入口流出，且大部分去1#硫酸裝置入口Ⅰ，一部分繼續(xù)向上流動(dòng)與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，極少一部分煙氣向下旋流。由中間視圖可以看出，兩股煙氣在其進(jìn)口側(cè)流動(dòng)，相互之間影響較小。

由圖4的左視圖可以看出，奧斯麥特爐煙氣進(jìn)入混氣室與轉(zhuǎn)爐煙氣碰撞后，大部分煙氣沿就近筒壁螺旋向上流動(dòng)，少部分向下旋流；向上流動(dòng)的奧斯麥特爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動(dòng)力波洗滌器2個(gè)入口流出，且大部分去1#硫酸裝置入口Ⅱ，一部分繼續(xù)向上流動(dòng)與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置。由右視圖可以看出，轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)入混氣室與奧斯麥特爐煙氣碰撞后，大部分煙氣沖向就近筒壁向上和沿筒體圓周方向旋流向上，少部分向下旋流；向上流動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動(dòng)力波洗滌器2個(gè)入口流出，去1#硫酸裝置入口Ⅰ的氣量略大于去1#硫酸裝置入口Ⅱ的氣量，一部分繼續(xù)向上流動(dòng)與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置。由中間視圖可以看出，兩股煙氣進(jìn)入混氣室后發(fā)生碰撞，兩股氣流在混氣室內(nèi)都呈現(xiàn)螺旋流動(dòng)的狀態(tài)，流體流程延長(zhǎng)，相互之間混合效果較兩股煙氣入口切向進(jìn)入略有加強(qiáng)。

3 模型的優(yōu)化

為了能使去1#、2#硫酸裝置的煙氣性能接近，需要兩股煙氣有一定的混合效果。通過(guò)對(duì)上述2種模型流動(dòng)跡線(xiàn)的分析可知，由于兩股煙氣量相差較大，煙氣相互之間沒(méi)有太多的混合，更多地在各自側(cè)的空間內(nèi)流動(dòng)。通過(guò)折流延長(zhǎng)煙氣在混氣室內(nèi)的流動(dòng)是增加混合效果的最好方式，但折流造成的煙氣阻力將成倍增加，鑒于系統(tǒng)為改造工程，風(fēng)機(jī)裕量有限，考慮在煙氣入口處加1塊擋板對(duì)兩股煙氣進(jìn)行強(qiáng)制混合，同時(shí)為避免阻力急劇增加，此擋板結(jié)構(gòu)只圍擋兩煙氣入口面積的50%，迫使兩股氣流的50%氣量在擋板圍擋下進(jìn)行強(qiáng)制混合，另50%氣量自由流動(dòng)，由此建立模型三（兩股煙氣入口切向進(jìn)入+入口加擋板），見(jiàn)圖5。

圖5 模型三（兩股煙氣入口切向進(jìn)入+入口加擋板）

截取模型三的煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 模型三的煙氣流動(dòng)跡線(xiàn)

由圖6的左視圖可以看出，奧斯麥特爐煙氣進(jìn)入混氣室后，一部分與擋板碰撞向上流動(dòng)，一部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動(dòng)，少部分向下旋流；向上流動(dòng)的奧斯麥特爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動(dòng)力波洗滌器2個(gè)入口流出，一部分繼續(xù)向上流動(dòng)與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，沒(méi)有向下旋流，且去3個(gè)出口的煙氣量相差不大。由右視圖可以看出，轉(zhuǎn)爐煙氣進(jìn)入混氣室后，一部分與擋板碰撞向上流動(dòng)，一部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動(dòng)，少部分向下旋流；向上流動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動(dòng)力波洗滌器2個(gè)入口流出，一部分繼續(xù)向上流動(dòng)與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，極少一部分煙氣向下旋流，且去三個(gè)出口的煙氣量相差不大。由中間視圖可以看出，相對(duì)模型一、模型二而言，兩股煙氣相互影響的效果加強(qiáng)，混合效果較明顯。

4 模型出口云圖及數(shù)據(jù)分析

流體在混氣室的流動(dòng)狀態(tài)決定了兩股煙氣的混合狀態(tài)，截取混氣室3個(gè)出口處轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖以對(duì)3種模型的混氣效果進(jìn)行分析。

截取模型一、模型二、模型三的出口轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖，分別見(jiàn)圖7、圖8和圖9。體積分?jǐn)?shù)分布云圖中，顏色越紅表示轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)越接近1，此時(shí)奧斯麥特爐煙氣體積分?jǐn)?shù)則越接近0；顏色越藍(lán)表示轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)越接近0，此時(shí)奧斯麥特爐煙氣體積分?jǐn)?shù)則越接近1。轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室3個(gè)出口處組分比例越接近表明兩股煙氣混合越均勻。

圖7 模型一出口轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖8 模型二出口轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖9 模型三出口轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

上左側(cè)視圖為去1#硫酸裝置入口Ⅰ，上右側(cè)視圖為去1#硫酸裝置入口Ⅱ，下中視圖為去2#硫酸裝置入口。

由圖7可以看出：去1#硫酸裝置入口Ⅰ的煙氣組分分布云圖以紅色為主，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占80%；去1#硫酸裝置入口Ⅱ的煙氣組分分布云圖各種顏色占據(jù)面積相差不大，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占50%；去2#硫酸裝置入口的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉(zhuǎn)爐煙氣，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占75%以上，轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室3個(gè)出口的組分比例相差較大。

由圖8可以看出：去1#硫酸裝置入口Ⅰ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉(zhuǎn)爐煙氣，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占75%以上；去1#硫酸裝置入口Ⅱ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，其中綠色相對(duì)較多，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占60%以上；去2#硫酸裝置入口的煙氣組分分布云圖顏色由藍(lán)到紅，紅色相對(duì)較少，以藍(lán)黃綠色為主，轉(zhuǎn)爐煙氣約占50%。轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室3個(gè)出口的組分比例相差仍較大。

由圖9可以看出：去1#硫酸裝置入口Ⅰ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉(zhuǎn)爐煙氣，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占65%以上；去1#硫酸裝置入口Ⅱ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉(zhuǎn)爐煙氣量約占60%以上；去2#硫酸裝置入口的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，紅色相對(duì)較少，以黃綠色為主，轉(zhuǎn)爐煙氣量約占60%以上。轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室3個(gè)出口的組分比例非常接近。

跡線(xiàn)和云圖能定性地了解各種煙氣的流動(dòng)和分布狀況。為了更準(zhǔn)確了解3種模型煙氣的均布效果，此處讀取每種模型轉(zhuǎn)爐煙氣在混氣室出氣口的體積分?jǐn)?shù)，并對(duì)3個(gè)出口的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算。氣體體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)算術(shù)平均值的偏離，其值的大小反映了流體分布的均勻程度，數(shù)值越小表示氣體分布越均勻。3種模型混氣室出口的轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)和進(jìn)出口的壓差值見(jiàn)表2，并計(jì)算出口氣體體積分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

由表2可以看出：模型三混氣室出口的轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.62%，遠(yuǎn)小于其余兩種模型，說(shuō)明煙氣混合最為均勻。對(duì)比混氣室進(jìn)出口的壓力損失，模型三的煙氣阻力為231.1 Pa，較其余兩種模型略有減小。

表2 混氣室出口轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差和進(jìn)出口壓差值

通過(guò)上述分析對(duì)比，通過(guò)在混氣室入口增加擋板，使得3個(gè)出口的轉(zhuǎn)爐煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差大大減小，同時(shí)混氣室的阻力還略有下降。由此可以看出，模型三的混氣室結(jié)構(gòu)是一種更為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，改造項(xiàng)目采用該優(yōu)化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)更為可行。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模擬分析能直觀地反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，通過(guò)數(shù)值模擬分析可以發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)不足之處，為工程設(shè)計(jì)者提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方向。采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，節(jié)省了人力、物力成本，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，對(duì)工程而言具有很好的利用價(jià)值。