礦熱爐煙道中顆粒沉積特性的數(shù)值研究

孫超 劉鵬 尹彬 宋宇洋 朱文月 戰(zhàn)洪仁

摘????? 要： 為了精確揭示煙道中顆粒沉積特性，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和JKR理論，結(jié)合多物理場(chǎng)耦合多相流條件下，建立了煙道中爐氣-顆粒氣固兩相的多尺度的顆粒沉積模型，用于精確預(yù)測(cè)煙道中顆粒的沉積位置和沉積質(zhì)量，并探究煙道內(nèi)的顆粒沉積率與煙氣溫度和煙氣流速的關(guān)系。

關(guān)? 鍵? 詞：煙道；氣固兩相；顆粒沉積；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TF806.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0859-03

鎳因其良好的性能，被廣泛應(yīng)用于電子、不銹鋼、航天、核電等行業(yè)。盡管我國(guó)的不銹鋼生產(chǎn)制造工藝已十分成熟，但依然面臨著鎳礦原料儲(chǔ)備不足的情況。目前仍需向印尼等原料儲(chǔ)備大國(guó)進(jìn)口大量原礦，但是印尼對(duì)紅土鎳礦出口的封鎖使我國(guó)鎳鐵產(chǎn)量被迫減少?[1]，迫使我國(guó)盡快找到新資源代替鎳礦并優(yōu)化鎳鐵礦冶煉工藝減少冶煉過(guò)程中的資源浪費(fèi)?；剞D(zhuǎn)窯-礦熱爐冶煉工藝因具有鎳基合金品位高、有害元素少和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于鎳基合金的冶煉。RKEF工藝因要求采用大型封閉式礦熱爐，在其高溫熔煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量攜帶顆粒的高溫爐氣，這些顆粒在經(jīng)煙道排出的過(guò)程中會(huì)對(duì)煙道產(chǎn)生一定程度的沖蝕，部分顆粒還會(huì)沉積在煙道中，導(dǎo)致煙道的使用壽命和換熱效果降低，因此數(shù)值研究顆粒沖蝕和沉積的相關(guān)因素有利于優(yōu)化工藝流程以達(dá)到節(jié)能的目的。

TABAKOFF?[2]等進(jìn)行了小粒徑飛灰（62%粒徑小于5 μm）撞擊不銹鋼表面的實(shí)驗(yàn)，并采用激光多普勒測(cè)速技術(shù)測(cè)得撞擊前后小顆粒的速度比與入射角、反彈角之比。HADAVI?[3]等采用SHP方法研究了固體顆粒撞擊材料表面時(shí)的顆粒嵌入現(xiàn)象，給出了固體顆粒嵌入材料時(shí)的臨界撞擊速度。DU?[4]等利用彈射裝置研究了單個(gè)金字塔型粒子在不同撞擊角和初始取向角下的反彈行為及撞擊后的動(dòng)作。LEE?[5]等認(rèn)為顆粒與沉積表面多次撞擊中，撞擊顆粒的附著概率是由顆粒黏度、表面張力、撞擊速度和角度以及黏附層厚度等參數(shù)表示，并對(duì)沖擊速度、沖擊角和顆粒濃度3個(gè)重要參數(shù)做了深入研究。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煙道中氣體流動(dòng)和管道顆粒沉積進(jìn)行了大量的研究。煙道結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響煙道內(nèi)部煙氣的流動(dòng)狀態(tài)，使煙氣流動(dòng)狀態(tài)向湍流轉(zhuǎn)變，并在局部位置形成渦流。當(dāng)氣體中含有固體顆粒時(shí)，在煙道結(jié)構(gòu)、渦旋和流速等因素的共同作用下，顆粒會(huì)與煙道壁碰撞，在煙道轉(zhuǎn)彎處造成壁面磨損和積灰等現(xiàn)象。

1? RKEF工藝流程簡(jiǎn)介

RKEF工藝主要由3個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：干燥窯系統(tǒng)干燥濕礦、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)焙燒預(yù)還原、礦熱爐系統(tǒng)還原熔煉。其中，干燥窯和回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)所需的煤粉是由磨煤機(jī)直接提供。被粉碎后的紅土礦經(jīng)干燥窯干燥后在配料站與原煤和石灰石混合并送入回轉(zhuǎn)窯徹底干燥。經(jīng)無(wú)煙煤選擇性預(yù)還原的金屬被輸送到礦熱爐后在高溫下熔化成金屬液滴并在重力的作用下聚集在爐底，形成液態(tài)金屬層與渣層分離。冶煉時(shí)產(chǎn)生的含有CO可燃成分的爐氣由煙道除塵后輸送到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)再次燃燒。此過(guò)程中爐氣中的顆粒會(huì)與煙道碰撞而發(fā)生沉積，如圖1所示。

2? 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1? 控制方程

為了研究煙道氣固兩相流動(dòng)特性，在模擬氣相流動(dòng)的過(guò)程中需要對(duì)質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程進(jìn)行求解。氣相在煙道內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可用于精確計(jì)算湍流的流場(chǎng)，且在計(jì)算管道內(nèi)不同截面處流體流速時(shí)誤差較小，因此選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型結(jié)合增強(qiáng)壁面函數(shù)描述爐氣流動(dòng)? 狀態(tài)。

當(dāng)粒子撞擊到表面時(shí)，有必要確定粒子是否會(huì)沉積。BRACH和DUNN等人根據(jù)JKR理論來(lái)建立顆粒沉積模型，其中臨界沉積速度vcr是比較粒子正常撞擊速度與臨界沉積速度的判據(jù)。當(dāng)粒子的撞擊速度大于臨界沉積速度時(shí)，粒子會(huì)從壁面反彈，否則，顆粒就會(huì)沉積在墻上。此外，使用用戶定義內(nèi)存（UDM）來(lái)存儲(chǔ)沉積在墻上的粒子數(shù)量。計(jì)算最開(kāi)始UDM的值為零，隨著粒子沉積，沉積的粒子被存儲(chǔ)在UDM中。

2.2? 邊界條件

在進(jìn)口邊界設(shè)置中，選擇速度入口邊界條件，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口。離散相邊界條件中，入口、出口均設(shè)定為逃逸邊界，壁面邊界條件設(shè)定為反彈邊界。采用SIMPLE算法耦合速度與壓力，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式。假設(shè)顆粒在煙道中做無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，顆粒之間不發(fā)生碰撞作用。本文取爐氣進(jìn)口速度范圍為3.6～18 m·s-1，并對(duì)5組不同溫度進(jìn)行研究，爐氣參數(shù)如表1所示。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 煙氣溫度對(duì)沖蝕的影響

溫度影響下的沉積速率如圖2所示，隨著爐氣溫度升高，顆粒沉積速率也隨之增大。爐氣溫度的升高，使得楊氏模量減小，造成臨界捕捉速度增大，使得壁面捕捉到顆粒數(shù)量增加，導(dǎo)致沉積質(zhì)量增大。200 ℃和800 ℃下沖蝕沉積示意圖如圖3所示。高溫爐氣改變了顆粒和氣體的物理性質(zhì)。隨著爐氣溫度升高，顆粒的沉積速率明顯增大。當(dāng)爐氣溫度較低時(shí)，爐氣的拖曳效果較弱，此時(shí)慣性占主導(dǎo)作用，因此顆粒在進(jìn)入出口段后受爐氣流動(dòng)方向改變的影響較小，這使得與壁面撞擊的顆粒數(shù)量減小而導(dǎo)致顆粒沉積量較??；當(dāng)爐氣溫度較高時(shí)，Stokes 數(shù)減小，即溫度升高導(dǎo)致?tīng)t氣的拖曳效果更加明顯，此時(shí)慣性仍占主導(dǎo)作用，但在進(jìn)入出口段后，爐氣流動(dòng)方向的改變對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響更顯著，顆粒會(huì)隨爐氣進(jìn)入盲管段增加顆粒沉積量。因此當(dāng)爐氣溫度較低時(shí)，爐氣對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響不明顯，更多的顆粒在進(jìn)入三通管后會(huì)直接流入出口段，導(dǎo)致沉積速率較小。相反當(dāng)爐氣溫度較高時(shí)，三通管的顆粒能更好地跟隨爐氣流動(dòng)，隨爐氣進(jìn)入盲管段與壁面的碰撞，增加顆粒沉積速率。

對(duì)于大型高溫礦熱爐來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)礦渣和余熱回收有著重要影響。根據(jù)數(shù)值模擬來(lái)說(shuō)，溫度越高，顆粒的沉積速率越快，煙道污垢堵塞速度也就越快。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以盡量降低爐氣溫度來(lái)減少顆粒的沉積。這樣既提高了余熱的回收，也減少了工人去除煙道污垢次數(shù)，節(jié)約成本。

3.2? 煙氣流速對(duì)沖蝕沉積的影響

不同流速下沉積區(qū)域如圖4所示，隨著流速的增加顆粒在盲管段和三段煙道的沉積量在逐漸減少。這主要是由于隨著爐氣流速的增加，顆粒撞擊壁面的速度增大，小于臨界捕捉速度的顆粒數(shù)量減少，沉積量也就減少。隨著爐氣流速的增大，顆粒速度隨之提高，使得顆粒的運(yùn)動(dòng)受曳力的影響大于重力的作用，導(dǎo)致大量顆粒跟隨爐氣流動(dòng)而減少與壁面的碰撞次數(shù)。速度影響下的沉積速率如圖5所示，爐氣流速為3.6～ 8 m·s-1時(shí)，顆粒沉積速率迅速降低；但當(dāng)爐氣流速為8 ～ 13.2 m·s-1時(shí)，顆粒沉積速率緩慢減小，最后趨于平緩。

煙道速度是影響顆粒沉積的最重要因素，也是實(shí)際工廠中最為關(guān)注的因素。在實(shí)際工廠調(diào)研中，管道進(jìn)口煙道速度在3.6～20 m·s-1之間，在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，速度越大沉積速率越小?？梢栽跅l件允許的情況下適當(dāng)減小爐氣的流速，進(jìn)而減小污垢的沉積速率，提高煙道的使用壽命，節(jié)約成本。

4? 結(jié) 論

1）爐氣溫度升高會(huì)使顆粒的沉積速率增加，這是由于爐氣溫度的升高，使得楊氏模量減小，造成臨界捕捉速度增大，使得壁面捕捉到顆粒數(shù)量增加，導(dǎo)致沉積質(zhì)量增大。

2）隨著流速的增加顆粒在盲管段和三段煙道 的沉積量在逐漸減少。隨著爐氣流速的增大，顆粒速度隨之提高，使得顆粒的運(yùn)動(dòng)受曳力的影響大于重力的作用，導(dǎo)致大量顆粒跟隨爐氣流動(dòng)而減少與壁面的碰撞次數(shù)，因此沉積量減少。

參考文獻(xiàn)：

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Numerical Study on Particle Deposition Characteristics

in Submerged Arc Furnace Flue

SUN Chao， LIU Peng， YIN Bin， SONG Yuyang， ZHU Wenyue， ZHAN Hongren

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Liaoning Shenyang 113142， China）

Abstract： In order to accurately reveal the characteristics of particle deposition in flue， based on computational fluid dynamics （CFD） and Johnson-Kendall-Roberts （JKR） theory， a multi-scale particle deposition model of furnace gas-particle gas-solid two-phase in flue was established under the condition of multi-physical field coupling， and it was used to accurately predict the deposition position and quality of particles in flue， and the relationship between the deposition rate in the flue and the flue gas temperature and the flue gas velocity was investigated by numerical simulation.

Key words：? Flue; Gas-solid two-phase; Particle deposition; Numerical simulation