高溫銅渣顆粒流換熱CFD模擬研究

閻新志 楊國(guó)強(qiáng) 武海軍 朱曉磊 劉 艷 李燕江

(1.赤峰白音華物流有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；3.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，北京 100190；4.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

銅渣是銅冶煉過(guò)程產(chǎn)生的廢渣，每生產(chǎn) 1 t銅大約產(chǎn)生2.2 t銅渣[1]，我國(guó)銅渣年產(chǎn)生量有2 000～3 000萬(wàn)t[2]。銅渣出爐溫度為1 200～1 300 ℃，每噸銅渣大約含1.3 GJ熱量，是一種很好的二次資源。但是，目前大部分企業(yè)采取渣包緩冷的方式冷卻高溫銅渣，沒(méi)有進(jìn)行高溫余熱的回收利用[3]。高溫銅渣余熱的回收利用不但能降低企業(yè)生產(chǎn)的能耗，還可以減少環(huán)境污染，對(duì)企業(yè)節(jié)能減排具有至關(guān)重要的作用。因此，高溫銅渣余熱回收利用技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，科研人員也進(jìn)行了一些相關(guān)技術(shù)研究[4-9]。我們?cè)谇捌谘芯恐刑岢隽宿D(zhuǎn)杯粒化耦合顆粒流換熱技術(shù)回收高溫銅渣余熱，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景[10]。該技術(shù)中，顆粒塔作為粒化銅渣顆粒流顯熱回收的有效裝置，塔內(nèi)冷卻段的氣固傳熱性能和料層阻力特性是決定銅渣顆粒流余熱回收技術(shù)可行性與回收效益的關(guān)鍵因素，直接影響顆粒塔下端出口銅渣顆粒溫度和上端出口氣體顯熱品質(zhì)，進(jìn)而影響銅渣顆粒流余熱回收顆粒塔工藝的熱回收效率以及后續(xù)余熱利用的合理匹配。雖然涉及物料流動(dòng)與耦合換熱的冷卻過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和仿真模擬工作已有報(bào)道[11-13]，但是關(guān)于高溫銅渣轉(zhuǎn)杯?；詈蠐Q熱的冷卻過(guò)程還未有研究，因此，本文采用CFD模擬技術(shù)進(jìn)行了銅渣顆粒流余熱回收顆粒塔工藝中冷卻段氣固傳熱性能和料層阻力特性的研究，為銅渣顆粒流余熱回收顆粒塔工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 顆粒塔冷卻段氣固換熱模型

顆粒塔內(nèi)銅渣顆粒顯熱回收的本質(zhì)是冷卻空氣與高溫銅渣顆粒進(jìn)行氣固逆流式強(qiáng)制對(duì)流換熱，以空氣為載體帶走銅渣顆粒的熱量，以達(dá)到余熱回收的目的。將銅渣顆粒填充床結(jié)構(gòu)視為多孔介質(zhì)，其中銅渣顆?？梢暈楣腆w骨架，在顆粒之間的縫隙中流通的冷卻空氣為氣相介質(zhì)。顆粒塔內(nèi)銅渣顆粒填充床層結(jié)構(gòu)接近均質(zhì)、各向同性多孔介質(zhì)。假設(shè)顆粒塔壁面絕熱，忽略?xún)?nèi)壁面的換熱效應(yīng)，因此可只分析顆粒塔內(nèi)冷卻空氣和銅渣顆粒的傳熱過(guò)程。在冷卻段同一位置，高溫銅渣顆粒與冷卻空氣有明顯的溫差，處于局部熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，因此可采用局部熱力學(xué)非平衡雙能量方程進(jìn)行求解。

流體項(xiàng)：

ε?(λf?Tf)+hv(Ts-Tf)

(1)

固體項(xiàng)：

(1-ε)?(λs?Ts)-hv(Ts-Tf)

(2)

式中，f為流體項(xiàng)對(duì)應(yīng)參數(shù)，s為固體項(xiàng)對(duì)應(yīng)參數(shù)，hv為氣固單位體積對(duì)流傳熱系數(shù)(W/(m3·K))。兩式中等號(hào)左邊第一項(xiàng)為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，表示溫度隨時(shí)間的變化，第二項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)；等號(hào)右邊第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，第二項(xiàng)為源相，代表固體和流體的對(duì)流換熱量。

將顆粒塔冷卻段簡(jiǎn)化為一圓柱體，控制銅渣顆粒及冷卻空氣在各自區(qū)域均勻分布，簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖1所示，其中冷卻段高度H為2 m，顆粒塔內(nèi)徑D為3 m。采用Anasys-Fluent對(duì)顆粒塔內(nèi)銅渣顆粒與冷卻空氣的強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，求解器采用壓力基，時(shí)間格式為瞬態(tài)，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。銅渣顆粒塔換熱工藝主要參數(shù)和材料物性參數(shù)如表1所示。假設(shè)顆粒塔下端出口處銅渣顆粒溫度為300 ℃時(shí)進(jìn)行出料。根據(jù)不同顆粒直徑對(duì)應(yīng)的界面密度、換熱系數(shù)以及氣體流速，將顆粒塔內(nèi)銅渣顆粒與冷卻空氣的換熱過(guò)程分為四種工況進(jìn)行計(jì)算，具體參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算工況

圖1 顆粒塔及冷卻段示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 顆粒塔溫度及壓降分析

四種工況下的流體、多孔介質(zhì)的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布如圖2所示，顆粒塔內(nèi)的系統(tǒng)壓降如圖3所示。由圖2可知，顆粒塔內(nèi)流體、多孔介質(zhì)的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)在豎直方向呈梯度分布。塔內(nèi)溫度最高為銅渣初始溫度1 050 ℃，最低為空氣初始溫度260 ℃；銅渣顆粒床層高度為2 m，當(dāng)出口處銅渣顆粒溫度為300 ℃時(shí)，氣體出口溫度為1 050 ℃。對(duì)比四種工況可以發(fā)現(xiàn)，銅渣顆粒床層發(fā)揮有效換熱作用的銅渣顆粒約占全部高溫顆粒的三分之一，表明260 ℃的空氣進(jìn)入顆粒塔穿過(guò)1.5～3 mm的球形銅渣時(shí)發(fā)生快速?gòu)?qiáng)制對(duì)流換熱，在很短的時(shí)間內(nèi)完成熱量交換，直到氣體溫度接近甚至與進(jìn)料顆粒溫度相同，進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡。這主要是歸因于小粒徑的銅渣顆粒與空氣換熱過(guò)程中較高的界面密度和換熱系數(shù)。此外，由于銅渣粒徑較小，孔隙率僅為40%，氣體穿過(guò)銅渣顆粒床層的黏性阻力和慣性阻力相對(duì)較大，導(dǎo)致顆粒塔內(nèi)壓降梯度變化大于溫度梯度變化，不同流速氣體在出口處的壓強(qiáng)接近甚至為0。由圖3可知，當(dāng)氣流速度為4 m/s時(shí)，顆粒塔內(nèi)壓降約為0.3 MPa；且壓降隨氣流速度增大而近似指數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)氣流速度為10 m/s時(shí)，顆粒塔內(nèi)壓降約為2.1 MPa。

圖3 四種工況顆粒塔內(nèi)系統(tǒng)壓降

2.2 空氣流速對(duì)溫度場(chǎng)的影響

不同空氣流速導(dǎo)致顆粒塔內(nèi)氣固換熱速率不同，進(jìn)而出口處銅渣顆粒溫度降低至300 ℃的時(shí)間也有差異。模擬發(fā)現(xiàn)氣流速度為10 m/s時(shí)，經(jīng)過(guò)30 s，出口處銅渣顆粒溫度就可以達(dá)到排料要求，因此以30 s為基準(zhǔn)，比較四種工況條件下顆粒塔內(nèi)溫度場(chǎng)的變化，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，同一時(shí)刻下，顆粒塔內(nèi)下部銅渣顆粒冷卻快，上部顆粒冷卻緩慢，即銅渣顆粒床層由下至上逐漸冷卻；隨著冷卻時(shí)間的推移，冷卻前沿分界面逐漸上移，且氣流速度越大，前沿分界面上移越快。

圖4 顆粒塔內(nèi)不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖

2.3 顆粒塔換熱區(qū)間分析

由上述分析可知，260 ℃的冷卻空氣以4～10 m/s的速度進(jìn)入銅渣顆粒床層后，二者發(fā)生快速熱交換。當(dāng)進(jìn)行排料操作時(shí)，顆粒塔內(nèi)發(fā)揮換熱作用的銅渣顆粒高度約為床層總高度的三分之一。因此有必要具體分析銅渣顆粒有效換熱高度。圖5為排料口顆粒溫度為300 ℃時(shí)顆粒塔內(nèi)溫度隨顆粒床層高度和模型總高度的變化趨勢(shì)，由圖5可知，四種工況條件下?lián)Q熱區(qū)內(nèi)銅渣顆粒與空氣溫度處于動(dòng)態(tài)平衡，不同位置點(diǎn)上二者溫度基本一致。此外氣流速度越大，換熱區(qū)高度越小，10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)的換熱區(qū)高度僅為0.85 m；4 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)的換熱區(qū)高度為1.4 m。

圖5 溫度隨顆粒床層高度和模型總高度變化圖

2.4 顆粒塔換熱時(shí)間分析

圖6為排料口顆粒溫度為300 ℃時(shí)，四種工況條件下顆粒塔內(nèi)換熱運(yùn)行時(shí)間。由圖6可知，換熱運(yùn)行時(shí)間隨氣流速度增大而減小，10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)的換熱運(yùn)行時(shí)間最短僅為30 s，4 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)的換熱運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)為135 s，是10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)換熱運(yùn)行時(shí)間的4.5倍。此外，由運(yùn)行時(shí)間曲線(xiàn)的斜率變化可以看出，四種工況條件下均表現(xiàn)出運(yùn)行前期換熱速率快，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，后期換熱速率越來(lái)越慢，這主要是由于氣流速度高且前期氣固溫差大，促使換熱系數(shù)大，換熱速率快；后期氣固溫差逐漸變小，換熱系數(shù)也隨之減小，導(dǎo)致?lián)Q熱速率減慢。

圖6 四種工況的換熱時(shí)間

2.5 顆粒塔換熱量分析

圖7為排料口顆粒溫度為300 ℃時(shí)，四種工況條件下顆粒塔內(nèi)總的換熱量。由圖7可知，氣體帶入熱量、氣體帶走熱量和總的換熱量均隨著氣速增大而線(xiàn)性增加，但是氣體帶入熱量、氣體帶走熱量和總的換熱量曲線(xiàn)斜率依次遞減，說(shuō)明增大氣速有利于強(qiáng)化顆粒塔內(nèi)氣固的換熱效果，提高換熱量。10 m/s氣速對(duì)應(yīng)的換量最大為7.0×107W；4 m/s氣速對(duì)應(yīng)的換熱量最小為2.6×107W。

圖7 四種工況的換熱量

3 結(jié)論

1)260 ℃的空氣進(jìn)入顆粒塔穿過(guò)1.5～3 mm的球形銅渣發(fā)生快速?gòu)?qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程中，顆粒塔內(nèi)壓降梯度變化大于溫度梯度變化，氣流速度為4 m/s時(shí)，顆粒塔內(nèi)壓降最小約為0.3 MPa；氣流速度為10 m/s時(shí)，顆粒塔內(nèi)壓降最大約為2.1 MPa。

2)氣流速度越大，換熱區(qū)高度越小，10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)換熱區(qū)高度僅為0.85 m，4 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)換熱區(qū)高度為1.4 m；換熱運(yùn)行時(shí)間隨氣流速度增大而減小，10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)換熱運(yùn)行時(shí)間最短僅為30 s，4 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)換熱運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)為135 s，是10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)換熱運(yùn)行時(shí)間的4.5倍；增大氣流速度有利于強(qiáng)化顆粒塔內(nèi)氣固的換熱效果，提高換熱量，10 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)的換熱量最大為7.0×107W，4 m/s氣流速度對(duì)應(yīng)的換熱量最小為2.6×107W。

3)研究結(jié)果可為轉(zhuǎn)杯粒化耦合顆粒流換熱回收高溫銅渣余熱技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。