數(shù)值模擬在反應塔冷卻系統(tǒng)設計中的應用

熊宗維

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031）

數(shù)值模擬在反應塔冷卻系統(tǒng)設計中的應用

熊宗維

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031）

通過對閃速爐反應塔冷卻系統(tǒng)的冷卻單元建立三維模型,并利用計算流體動力學軟件FLUENT進行了數(shù)值模擬研究得出:冷卻單元的冷卻效果良好,產(chǎn)生的低溫區(qū)域容易促進反應塔內(nèi)壁掛渣的形成;冷卻系統(tǒng)主要的散熱損失由冷卻水帶走,且冷卻單元的冷卻強度與冷卻水的進水溫度及進水量關系不大;冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量及溫升可以通過分別計算各不同冷卻單元的冷卻水量和溫升得到等結論。

閃速爐；反應塔；冷卻系統(tǒng)；三維建模；數(shù)值模擬；散熱損失

1 研究背景

閃速爐是處理粉狀硫化礦物的一種強化冶煉設備,一般由精礦噴嘴、反應塔、沉淀池及上升煙道4個主要部分組成。反應塔位于沉淀池上方,熔煉過程主要化學反應在反應塔內(nèi)進行[1]。反應塔爐體由于長期經(jīng)受高溫煙氣和高溫熔體的沖刷,腐蝕嚴重。為了提高爐體壽命,目前國內(nèi)外的反應塔冷卻系統(tǒng)一般都是采用內(nèi)置冷卻銅管的銅水套作為冷卻元件對反應塔爐體進行立體冷卻[2-3]。

在反應塔冷卻系統(tǒng)的設計中,主要有3個方面需要考慮：1）冷卻元件的冷卻強度以及反應塔爐體熱損失的計算；2）冷卻系統(tǒng)的溫度場分布,分析該溫度場是否利于內(nèi)壁掛渣的形成；3）冷卻元件冷卻水水量以及冷卻水溫升,以及整個爐體循環(huán)水量和溫升的計算。但由于反應塔爐體是立體冷卻系統(tǒng)，結構以及換熱機理比較復雜,冷卻系統(tǒng)一般依據(jù)經(jīng)驗設計,對上述問題難以得到很好地解決。鑒于整個反應塔冷卻系統(tǒng)由多個包括單個冷卻元件及其作用區(qū)域的單位冷卻系統(tǒng)(以下簡稱冷卻單元)組成,本研究擬通過數(shù)值模擬的方法對冷卻單元建模研究，以指導反應塔冷卻系統(tǒng)的設計。

2 數(shù)值模型的建立

反應塔內(nèi)高溫煙氣、反應塔爐體以及爐外空氣之間的熱傳遞過程較為復雜,主要包括：高溫煙氣與爐體內(nèi)壁的對流、輻射換熱,爐體內(nèi)部的換熱,爐體與爐外空氣的對流、輻射換熱。而爐體內(nèi)部的換熱又包括爐體內(nèi)部各材料自身內(nèi)部的導熱以及各材料之間的導熱,以及冷卻水與冷卻元件之間的對流換熱。由于結構以及傳熱機理方面的對稱性,一般認為冷卻單元之間沒有熱量交換。

通過對爐體冷卻單元進行三維建模,并采用FLUENT軟件進行計算。本研究采用的主要模型包括標準的k-ε模型和熱傳導模型,采用控制容積法進行計算。

本模型的研究對象如圖1(a)反應塔爐體所示,考慮對稱性,選取1/2冷卻單元作為研究對象,得到需求解的幾何模型如圖1(b)所示，對該幾何模型網(wǎng)格劃分得到如圖1(c)所示的網(wǎng)格。

本模型中涉及的物理機理主要有冷卻水的流動和前述各種傳熱方式,其所需求解主要變量(速度及溫度等)的控制方程可以表示成以下的通用形式[4]：

式中：φ為通用變量,可以代表u、v、w、T等求解變量；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

冷卻單元三維模型中各邊界條件如表1所示。

表1 冷卻單元三維模型邊界條件

選取反應塔內(nèi)煙氣的溫度為1 450℃,爐體外空氣溫度30℃。求解煙氣與內(nèi)壁表面強制對流換熱系數(shù)及輻射換熱,進而得到煙氣與內(nèi)壁表面的復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);同樣,求解空氣與外壁表面自然對流換熱系數(shù)及輻射換熱系數(shù),進而得到空氣與外壁表面的復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[5]。

本模型中選用各介質(zhì)的物性參數(shù)如表2所示，“-”表示該數(shù)值不存在或本模型中不需要。

表2 各介質(zhì)的物性參數(shù)

3 計算結果與分析

選取實際生產(chǎn)中常用的工藝參數(shù)冷卻水量2.4 t/h (對應進水速度1.5 m/s),進水溫度25℃的情況進行計算分析。根據(jù)以上建立的冷卻單元三維數(shù)值模型,求解得到了Z=0面的溫度場分布,如圖2所示。從計算結果看,冷卻單元的冷卻效果良好,冷卻元件的設置不僅使得冷卻元件本身區(qū)域的局部低溫,同時有效地降低了冷卻元件周圍耐火材料區(qū)域的溫度。特別是冷卻元件和煙氣接觸面的平均溫度達到244℃,該低溫區(qū)極易促成內(nèi)壁掛渣的形成,掛渣在冷卻元件工作表面首先發(fā)生。實踐中低溫區(qū)域不僅能夠使耐火材料的壽命得到延長,同時還有利于反應塔內(nèi)壁掛渣的形成,使得反應塔爐體得到更好的保護。

圖2 Z=0面的溫度場分布

通過數(shù)值計算還可以得到,冷卻水的出水溫度為31.4℃,溫升為6.4℃。冷卻水帶出的熱量為8 856 W,而冷卻單元的熱損失量為8 900 W,冷卻水帶出熱量占總的熱損失量的99.5%。由此,冷卻單元的熱損失大部分由冷卻水帶走,而通過外壁面到空氣的散熱量很小,因此冷卻系統(tǒng)的設計中,冷卻水帶出熱量的計算極為關鍵。同時,鋼板的最高溫度為79.7℃,能夠保持較好的性能。

針對反應塔的不同區(qū)域,冷卻單位的設計不完全相同。通過對反應塔各個不同冷卻單元分別進行建模計算,分別得到各冷卻單元的用水量及冷卻水的溫升，最終根據(jù)熱量守恒原理能夠得到整個反應塔冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量及溫升。

本研究中冷卻水進口的尺寸保持不變,所以冷卻水量與冷卻水進水速度成正比。圖3為冷卻水帶出熱量與冷卻水進水速度的關系。由計算結果可知,冷卻水帶出熱量隨著冷卻水進水速度的增大而增大,但是增大的幅度非常小,幾乎保持不變。特別是冷卻水進水速度在0.5～2.5 m/s的情況下,冷卻水帶出熱量幾乎恒定,即冷卻單元的冷卻強度隨著冷卻水量的變化幾乎保持不變。

圖3 冷卻水帶出熱量與冷卻水進水速度的關系

圖4為冷卻水出水進水溫差與冷卻水進水速度的關系,由計算結果可知,隨著冷卻水進水速度的增大,冷卻水進水出水溫差減小。由上述的冷卻強度隨冷卻水量的變化保持不變的結果,并根據(jù)Q=cmΔt可知,冷卻水出水進水溫差與冷卻水進水量成反比,圖4的結果曲線符合該反比關系。另外,冷卻水進水速度在＜0.5 m/s的情況下,冷卻水出水進水溫差太大,導致出水溫度過高,因此,冷卻系統(tǒng)的設計中冷卻水量不能設計得太小。

圖4 冷卻水出水進水溫差與冷卻水進水速度的關系

圖5為冷卻水帶出熱量與冷卻水進水溫度的關系,由計算結果可知,隨著冷卻水進水溫度的增大,冷卻水帶出熱量減小,但是減小的幅度非常小,幾乎沒有變化,即冷卻單元的冷卻強度隨著冷卻水進水溫度的變化幾乎保持不變。

圖5 冷卻水帶出熱流量與冷卻水進水溫度的關系

4 結論

通過對反應塔冷卻單元進行建模計算,來對反應塔冷卻系統(tǒng)進行研究,得到以下主要結論：1)冷卻單元的冷卻效果良好,產(chǎn)生的低溫區(qū)域容易促進反應塔內(nèi)壁掛渣的形成。2)冷卻系統(tǒng)主要的散熱損失由冷卻水帶走,冷卻單元冷卻水溫升帶出熱量的計算對整個冷卻系統(tǒng)的設計極為關鍵。3)冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量及溫升可以通過分別計算各不同冷卻單元的冷卻水量和溫升得到。4)冷卻單元的冷卻強度與冷卻水的進水溫度及進水量關系不大,通過降低進水溫度或加大進水量達到提高冷卻強度的方式效果不明顯。5)本研究模型忽略了反應塔內(nèi)壁掛渣的影響,掛渣的形成機理以及掛渣對反應塔冷卻系統(tǒng)的影響,是研究反應塔冷卻系統(tǒng)下一步工作的重要方向。

[1]《有色冶金爐設計手冊》編委會.有色冶金爐設計手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[2]趙榮升.閃速爐設計優(yōu)化和改造[J].有色冶金設計與研究,2010,31 (6):17-20.

[3]黃文華.大型閃速爐的結構設計及探討[J].有色冶金設計與研究, 2010,31(6):33-34.

[4]陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].2版.西安:西安交通大學出版社,2001.

[5]楊世民,陶文銓.傳熱學[M].3版.北京:高等教育出版社,1998.

App lication of Num erical Sim ulation in the Design of Cooling System of Reaction Shaft

XIONG Zong-wei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

3D model is established on cooling unit of cooling system of flash furnace reaction shaft,fluid dynamics software FLUENT is used for study of numerical simulation,it shows that cooling effect of cooling unit is good,low temperature area helps to form slag coating on inner wall of reaction shaft;main heat loss of cooling system is taken away by cooling water;cooling intensity of cooling unit and inlet temperature of cooling water have little to do with water inflow;total circulation water and temperature rise of cooling system can be obtained by calculation of cooling water amount and temperature rise of the different cooling units.

flash furnace;reaction shaft;cooling system;3D modeling;numerical simulation;heat loss

TF806

B

1004－4345（2014）02-0015-03

2013-10-21

國家高技術研究發(fā)展計劃863計劃課題(2013AA064001)。

熊宗維(1984—),男,工程師,主要從事于有色冶金爐的設計與數(shù)值仿真工作。