富氧側(cè)吹爐氣相空間的數(shù)值仿真研究

張 嶺，陳 卓

(1.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙，410011；2.中南大學(xué)，湖南 長沙，410083；3.湖南省再生金屬循環(huán)利用工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙，410011)

富氧側(cè)吹技術(shù)在我國已較大規(guī)模的用在銅冶煉、鉛冶煉、固廢處理行業(yè)，是熔池熔煉的典型代表。富氧側(cè)吹爐在氣相空間設(shè)置了二次風(fēng)，其目的是為了將爐氣中的可燃物在氣相空間繼續(xù)燃燒，以提高爐子整體的熱效率[1]。在二次風(fēng)的使用過程中，由于風(fēng)速以及位置的設(shè)計不合理，氣相空間經(jīng)常出現(xiàn)爐結(jié)。爐結(jié)由二次風(fēng)入口慢慢長大，直到兩側(cè)的爐結(jié)相連搭橋，直接影響爐子投料和爐內(nèi)熱平衡，為生產(chǎn)帶來極大的安全隱患和不利因素。大塊的爐結(jié)難以清理，必須停爐操作，影響了富氧側(cè)吹爐的處理能力并增加了其生產(chǎn)運維人員操作的危險系數(shù)。所以，研究二次風(fēng)對富氧側(cè)吹爐的氣相空間的影響，具有非常重要的現(xiàn)實意義[2]。

1 CSF技術(shù)建模

仿真模型總長9754mm，高5577mm；氣相空間和熔池交界處寬度為2200mm；二次風(fēng)口直徑為80mm，基于中心面呈對稱分布，共計16個。選取的典型噴吹角度分布為0°、18°、30°。氣相空間上部和下部主要采用六面體網(wǎng)格填充，且在二次風(fēng)口位置處同樣采用六面體網(wǎng)格；在保證網(wǎng)格平滑過渡的同時，為降低網(wǎng)格扭曲度，在中部區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進行填充，網(wǎng)格總數(shù)共計1417440個。

圖1 富氧側(cè)吹爐二次風(fēng)設(shè)計示意圖

2 仿真結(jié)果

2.1 基準(zhǔn)煙氣速度分布

當(dāng)二次風(fēng)口處于對吹狀態(tài)時，兩側(cè)氣流離開風(fēng)口后能夠?qū)_至爐子中部區(qū)域，風(fēng)口處最大氣流速度能夠達到13.27m/s，沖抵至爐子中部時仍具有較高的速度。風(fēng)口下部區(qū)域的兩個渦流較大，可能會對風(fēng)口下部區(qū)域的爐壁造成沖刷。

2.2 基準(zhǔn)煙氣溫度分布

在間隔開放二次風(fēng)口對吹的形式下，二次風(fēng)口能夠影響的橫向范圍相對較?。粡臏囟茸兓内厔輥砜?，位于下料口區(qū)域的7、8兩個位置的二次風(fēng)口對于氣相空間的溫度影響有限，煙氣溫度有回升的趨勢，但在煙道位置的二次風(fēng)口能夠相對有效的降低煙氣溫度。

2.3 不同噴吹角度分析

二次風(fēng)口向下傾斜的角度越大時，對二次風(fēng)口下部的側(cè)墻沖刷會越嚴(yán)重。二次風(fēng)口傾角越大，對其下部區(qū)域的溫度影響也就越大，該位置處溫度相對較低，但傾角為18°和30°時則無明顯差別。三種工況下速度變化趨勢基本相似，均是在二次風(fēng)口開放的位置較大，其他位置處速度相對較小。溫度變化趨勢的規(guī)律不同，當(dāng)二次風(fēng)口處于水平對吹狀態(tài)時，Z3位置處的面平均溫度與相鄰位置基本相同，且Z2和Z3位置溫度遠高于其他兩種工況。

2.4 不同噴吹方式分析

即使截面上是單個風(fēng)口噴吹，在其下方靠近爐墻區(qū)域位置處仍出現(xiàn)了兩個渦。錯吹和對吹時氣流下部區(qū)域的溫度差別明顯，但兩噴吹方式下上部區(qū)域溫度分布則無較大差別，說明噴吹方式對爐子氣相空間高度方向上的溫度分布影響不大。采用錯吹的方式后截面平均流速延爐長方向波動明顯減小，基本穩(wěn)定在0.55m/s左右；錯吹時，溫度分布仍存在較大波動，在靠近下料口區(qū)域處截面平均溫度相對較高，基本在1300K左右；而在上升煙道區(qū)域截面平均溫度相對較低，維持在1150K左右，僅在端墻位置處有所升高。

圖2 基準(zhǔn)工況下的速度分布

圖3 基準(zhǔn)工況下的溫度分布

圖4 不同噴吹角度下的速度場和溫度場

圖5 不同噴吹角度下的速度場和溫度場

3 結(jié)論

通過對CSF爐上部氣相空間內(nèi)煙氣的流動過程開展仿真計算，在考慮底部上升氣流對上部煙氣流動可能產(chǎn)生影響的同時，研究了二次風(fēng)口以不同的角度噴吹對爐內(nèi)流動狀態(tài)和壁面沖刷的所產(chǎn)生的影響，具體結(jié)論如下：

（1）基準(zhǔn)工況條件下，在風(fēng)口下部區(qū)域形成兩個較大渦流，會對風(fēng)口下部區(qū)域的爐前造成嚴(yán)重的沖刷；

（2）在二次風(fēng)口不同噴吹角度條件下，二次風(fēng)口向下傾斜的角度越大時，對二次風(fēng)口下部的側(cè)墻沖刷會越嚴(yán)重，且煙氣流速和溫度在爐長方向上波動較大；

（3）在二次風(fēng)口不同噴吹方式研究中，采用錯吹的方式時，風(fēng)口下部仍會形成兩個渦流對兩側(cè)墻造成沖刷；但采用錯吹的方式時，能夠使?fàn)t內(nèi)氣相空間內(nèi)煙氣流動速度波動較小。