轉化器套環(huán)管混氣裝置數(shù)值模擬研究

劉嬌洋，李冬梅

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031）

轉化器套環(huán)管混氣裝置數(shù)值模擬研究

劉嬌洋，李冬梅

(中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031）

闡述了采用CFD軟件對轉化器流場進行數(shù)值計算的建模、計算過程和方法。為研究套環(huán)管混氣裝置對轉化器氣流分布的作用，對其入口煙道及其中一段轉化層進行建模，分析不同套環(huán)管設置對轉化器氣流分布的影響。

轉化器；套環(huán)管混氣裝置；氣流分布；數(shù)值模擬

隨著有色冶金富氧冶煉技術的發(fā)展，利用冶煉煙氣的制酸工程越來越向著高濃度和大型化方向發(fā)展，同時高濃度轉化技術的采用大大地節(jié)省了煙氣凈化和制酸設備的投資，在防止大氣污染的同時又降低了運行成本并實現(xiàn)資源的回收利用。然而，高濃度轉化技術帶來的不僅僅是轉化溫度的升高、設備規(guī)模的增大，由于生產工藝的原因，常常需要將不同溫度、不同濃度或不同組分的氣體進行混合，而高濃度轉化技術進一步提高了溫度差和濃度差。在硫酸轉化工序中，不同工況下的氣體能否均勻混合是影響氣體轉化率的重要因素，不均勻的氣體混合必定會引起轉化率的下降，從而導致硫酸尾氣的排放超標。氣體混合需要消耗一定的動能。理論上混合效率越高，消耗的動能越大；但是消耗的動能越大，不一定混合效率就越高。

由于技術水平及人力物力等方面的局限性，單純通過理論計算或實驗研究的方法來設計開發(fā)出高效低阻的混氣裝置是難以想象的，且往往事與愿違。本文即是針對這一問題，采用CFD計算流體動力學仿真技術進行氣體混合運動的數(shù)值模擬研究，從而更加合理地確定混氣裝置結構，完成混氣裝置的優(yōu)化設計。將CFD技術應用于硫酸工業(yè)裝置的開發(fā)研究，不僅可以避免采用傳統(tǒng)研發(fā)途徑的局限性，還可以節(jié)約研發(fā)資金、縮短研發(fā)周期，對于我國硫酸行業(yè)的發(fā)展具有很好的實用價值。

1 模型的建立與求解

混氣裝置要求混合效率高、阻力損失小、結構簡單、制作方便，同時占地面積小、操作簡單且可用于不同組分、不同溫度的氣體混合，尤其適合高濃度冶煉煙氣的冶煉系統(tǒng)配套制酸工藝的氣體混合。

本文提出的轉化工序混氣裝置主要由主管、旁管、套環(huán)管等部件組成，在套環(huán)管內的主管周圍均勻開設小孔。旁路煙氣進入套環(huán)管后，穿過小孔與主煙氣實現(xiàn)初步混合。如何設計套環(huán)管內主管上的開孔，是保證裝置真正實現(xiàn)高效低阻的關鍵所在。為便于對比分析混氣裝置的效果，此處建立不設混氣裝置的原始模型和設混氣裝置的套環(huán)管兩種幾何模型，具體根據(jù)硫酸轉化工序的典型結構建立原始模型和套環(huán)管模型如圖1所示，其中檢測面一和檢測面二為模擬結果檢測面。

圖1 幾何模型

為了便于提取模型及數(shù)值計算，對流場假設如下：流體流動為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流；流體為均質氣體，流動過程不發(fā)生相變和化學變化；主旁路進氣來自各自的風機系統(tǒng)，入口氣流均勻分布。主路、旁路煙氣氣體狀態(tài)及各自的物性參數(shù)如表1所示。

表1 主路、旁路煙氣狀態(tài)及物性參數(shù)

本文研究的是兩股氣流的混合效果，依據(jù)軟件計算原理[1]及適用推薦[2]，采用歐拉混合模型(mixture model)，將兩股氣流分別假定為單相介質，其中主路為主相，旁路為次相，采用分離式求解器、Realizable計算模型、SIMPLEC算法和二階精度格式對模型的兩相氣體運動進行數(shù)值模擬計算，其余采用默認設置。

轉化器觸媒層設置為多孔介質模型。由于瓷球和觸媒顆粒亂堆填充，故假定多孔介質區(qū)域各向同性，具體參數(shù)依據(jù)瓷球和觸媒的顆粒形狀計算，以保證該區(qū)域的動量損失與實際相符。入口邊界設定為速度入口，出口設定為壓力出口。

本文所建套環(huán)管模型采用Φ150規(guī)格的開孔，依據(jù)模擬實驗的過程，分別建立了開孔數(shù)目為144、112、72的3種套環(huán)管模型，模型開孔設置規(guī)律如表2所示。

表2 套環(huán)管模型

2 模擬結果分析

2.1 可視化圖像分析

為了解流體的流動狀態(tài)且便于分析對比，本文提取原始模型及套環(huán)管開孔8×18×Φ150模型主視圖及入口所在平面俯視圖的旁路煙氣體積分數(shù)云圖如圖2所示，圖中顏色由淺到深即表示物理量由大到小逐漸降低。

圖2 整體煙氣旁路體積分數(shù)云圖

由圖2主視可以看出，在進入轉化器之前的煙道內，原始模型旁路體積分數(shù)在整個煙道中心截面處大面積呈現(xiàn)淺色；進入轉化器之后，也大面積呈現(xiàn)淺色略有加深，體積分數(shù)大部分＞0.65。套環(huán)管模型旁路體積分數(shù)在整個煙道中心截面處呈現(xiàn)細長的淺色；進入轉化器之后，整個轉化器處顏色較煙道內略有加深，體積分數(shù)大部分為0.5左右，兩股氣流各占一半的分布狀態(tài)，流體明顯混合更均勻。圖2俯視可以明顯觀測到原始模型旁路進口側氣流存在嚴重的分層現(xiàn)象，旁路氣流未與主路氣流混合即沿煙道近管壁流入轉化器；當增設套環(huán)管時，旁路煙氣沿套管繞流至主管背面，再從主管上開設的分布孔流入主管，與主管煙氣混合。

圖3為檢測面旁路體積分數(shù)云圖。

圖3 檢測面旁路體積分數(shù)云圖

檢測面一選取的是主旁路氣流混合之初的界面，體現(xiàn)的是混氣的直接效果。由圖3可以看出，原始模型旁路進口方向的煙道管壁邊呈現(xiàn)淺色，是旁路煙氣的主要通道；而與旁路進口方向相對的煙道管壁處呈現(xiàn)深色，是主路煙氣的主要通道；中間由淺至深的顏色變化區(qū)即為兩相氣流的混合區(qū)域：主旁路氣流明顯分層。套環(huán)管模型顏色分布沒有嚴重分層現(xiàn)象，與原始模型相反，與旁路進氣側相對的煙道管壁附近區(qū)域反而呈現(xiàn)一定的淺色，旁路進氣一側管壁附近呈現(xiàn)一定的深色，主旁路氣流的流動明顯出現(xiàn)大量混合。

檢測面二選取的是流體通過導流板進入轉化器后的界面，體現(xiàn)的是影響轉化效率的最終混氣效果。由圖3可以看出，原始模型主旁路兩股氣流沿主管進入轉化器后各自沿筒壁繞流，旋至中心后混合，總體仍存在分邊的趨勢；套環(huán)管模型中，氣流在檢測面二處已混合得非常均勻，旁路體積分數(shù)總體分布在0.5左右。

2.2 數(shù)值結果分析

標準偏差是衡量一組數(shù)據(jù)對平均值的偏離，其值的大小反應了流體分布的均勻程度，數(shù)值越小表示這組數(shù)據(jù)分布越均勻。為比較不同模型的混合程度，此處在檢測面一位置處讀取旁路煙氣體積分數(shù)標準偏差以便于分析混合效果，同時讀取主路入口至檢測面一壓降ΔP主、旁路入口至檢測面一壓降ΔP旁，以了解套環(huán)管造成的阻力損失，具體如表3所示。

表3 檢測面一模擬結果

由表3可以看出，套環(huán)管的設置，使得旁路煙氣體積分數(shù)標準偏差有所減小，即對主旁路氣流的混合具有很好的促進作用；且開孔數(shù)目越少，旁路煙氣體積分數(shù)標準偏差越小，氣流混合效果越好。從阻力損失看，套環(huán)管的設置，使得ΔP旁增加，ΔP主變化不大。由此可見，套環(huán)管的設置對旁路阻力損失影響較大，對主路阻力損失沒有太大影響。

檢測面一體現(xiàn)的是套環(huán)管的直接影響；對轉化器結構而言，進入轉化器之后氣流混合的效果才最終決定轉化器的轉化效率，表4讀取了檢測面二的旁路煙氣體積分數(shù)標準偏差。

表4 檢測面二模擬結果

由表4可以看出，設置有套環(huán)管的轉化器中旁路煙氣體積分數(shù)標準偏差遠小于原始模型，氣流混合效果十分理想，且開孔數(shù)目越少，氣流混合效果越好。

3 結論

轉化器內氣流混合的效果受套環(huán)管和整個氣流通道的影響，計算結果顯示，套環(huán)管開孔8×18× Φ150、8×14×Φ150、8×9×Φ150模型較原始模型旁路煙氣體積分數(shù)標準偏差分別減小了78.3%、78.3%、84.6%，由此可見，套環(huán)管作為一種混氣裝置，當開孔規(guī)格相同時，其開孔面積越小，氣流混合越均勻，氣流均布效果更好，開孔面積最少的套環(huán)管開孔8×9× Φ150模型體現(xiàn)出最好的混氣效果。由此得出結論，提高套環(huán)管氣體的進入速度可有效提高混合效果。

就工程應用而言，套環(huán)管模型是一種有效的氣流混合裝置，本文僅對這一結構做了初步的研究。除開孔數(shù)目外，關于開孔的直徑、排布也是應該進一步探討的問題。實際應用中應根據(jù)實際工況，對開孔規(guī)格及開孔分布進行優(yōu)化設計比較，在制造及工藝條件允許的條件下，尋求最優(yōu)的氣流混合效果。

[1]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:1-158．

[2]王瑞金,張凱,王剛.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京:清華大學出版社,2007:151-164．

Research on Numerical Simulation of Gas Mixture Device of Lantern Ring Pipe in Converter

LIU Jiaoyang,LI Dongmei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper presents numerical calculation modeling,calculating process and methods of converter flow field by using CFD software.In order to investigate the effect of gas mixture device of lantern ring pipe on gas distribution of converter,the modeling is carried out for the inlet gas duct and one pass of converting layer and the paper analyzes the effects of different lantern ring pipes on converter gas flow distribution.

converter;gas mixture device of lantern ring pipe;air flow distribution;numerical simulation

TQ111.16

B

1004-4345(2015)06-0026-03

2015-01-04

劉嬌洋（1985—），女，工程師，主要從事化工設備非標設計工作。