底吹熔炼炉余热锅炉流动与传热数值模拟及结构优化.pdf

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1、2015年8月第4期乔雷等：底吹熔炼炉余热锅炉流动与传热数值模拟及结构优化·43·底吹熔炼炉余热锅炉流动与传热数值模拟及结构优化乔雷，袁艳平，张冬洁，曹晓玲，邓志辉(1．西南交通大学机械工程学院，四川成都610031；2．中国恩菲工程技术有限公司，北京100038)[摘要]采用Realizablek～湍流模型和D0辐射模型对底吹熔炼炉余热锅炉流场与温度场进行数值模拟，得到余热锅炉内部烟气流场和温度场的分布，据此对余热锅炉内部结构进行优化。通过优化余热锅炉内烟气流场和温度场指导炉体结构设计，对底吹

2、熔炼炉余热锅炉的发展有着重要的指导意义。[关键词]底吹熔炼炉；余热锅炉；流动；传热；数值模拟；结构优化[中图分类号]TK229．929[文献标志码]B[文章编号]1672—6103(2015)O4—0043一O6热锅炉性能可以减少受热面，降低投资。而在文献0引言可知范围内，尚未有通过底吹熔炼炉余热锅炉流场随着经济的发展，各国更加重视余热的回收，余及温度场的数值模拟对其性能的研究。热锅炉的研究对解决能源短缺的问题有着较大的意本文通过合理的数学模型，利用CFD对底吹熔义。有色冶金过程中有丰富的余热资

3、源，如铜、镍、炼炉余热锅炉进行三维数值模拟，采用设计参数，得锌等熔炼炉的排烟温度达1200～1400℃，通过到余热锅炉内部烟气流场、温度场的等值线图及矢余热锅炉能有效回收烟气热量，而余热锅炉回收烟量图，进而发现锅炉内部烟气流动及传热特性规律，气热量的效率是其重要的性能参数。通过对辐射室加装挡板、倒角、灰斗挡板，改善烟气近年来，国内外很多学者对余热锅炉入口、辐射流动特性及换热特性。室等部位进行了研究。杨震等对入口烟道的第一段仰角及长度、入口烟道的总长度的改变以及加1数理模型、求解方程和验证装导流板

4、等情况进行了速度场的数值模拟，结果表1．1物理模型明，以上各因素之间存在优化组合，而加装导流板可某底吹熔炼炉余热锅炉基本参数：烟气量明显改善人口烟道内及其出口截面的速度分布均匀54000m／h，入口温度850℃，烟气成分(％)：二氧性。杨卫宏等对余热锅炉辐射室内的三维流动化硫17．9、三氧化硫0．18、二氧化碳2．41、水及传热分布进行了数值模拟。宋冬根等利用nu．18．05、氧气9．55、氮气51．90，烟尘含量22．36ent对余热锅炉内部流场和温度场的分布进行了数g／m。锅炉的结构见图1。

5、值模拟，对挡板位置及大小进行了优化。周樟华等发现烟道90。拐角对余热锅炉尾部受热部件处烟气均匀性影响很小。在能源日益紧张的今天，底吹熔炼炉余热锅炉的应用越来越多。底吹熔炼炉余热锅炉的性能成为其余热回收经济性的关键因素，提高底吹熔炼炉余[作者简介]乔雷(1989一)，男，山东莱芜人，在读研究生，主要从事余热锅炉数值计算方面的研究工作。[收稿日期]2014—08—13[修订日期]2015—04—02[基金项目]四川省科技支撑计划项目(2013GZ0034)。图1底吹熔炼炉余热锅炉结构图·44·中国有

6、色冶金A生产实践篇·设备及自动化底吹熔炼炉余热锅炉由上升烟道、辐射室等组(r)；T为当地温度；为相位函数；为空问立体成，采用CFD模拟时，对其进行简化：角；(。+or)s为介质的光学深度(光学模糊度)。对烟气主要流动区域的建模，忽略锅炉人孔门、1．2．2边界条件流量计等较小流动区域的建模；(1)入口边界条件忽略余热锅炉的检查孔等小部件；入口采用Dirichlet条件，采用速度边界条件，设将对流管束的蛇形管简化成厚度与蛇形管直径定入口速度、人口湍动能和动能耗散系数。相等的平板，对锅炉入口简化。(2

7、)出口边界条件1．2数学模型出口采用压力边界条件。1．2．1控制方程(3)壁面条件余热锅炉内的流动是三维湍流流动，由于烟气①余热锅炉内部壁面都有积灰，水冷壁和炉壁中含有的三原子气体参与辐射换热，故选择Do辐的黑度实际上是积灰的灰度，管壁的灰度取0．8；射模型，将烟气的辐射换热量以源项的形式耦合到②近壁面用标准壁面方程处理；能量方程中。同时三原子气体的辐射换热不满足灰③水冷壁管内介质为汽水混合物，采用定温边体辐射换热定律，但烟气中含量较少，故假设烟气换界条件，根据不同情况，设定温度值。热满足灰体定

8、律。对屏式受热面、对流过热器、再热器及包墙管过计算的控制方程如下：热器：(1)连续性方程和动量方程T+(、+1／—3600xH+273(5)+d如(pU)=0(1)式中：Q为受热面总传热量，kJ／h；H为对流传热面坐积，in；t为管内平均温度，℃；为污染系数，Ot+V(pU~U)一V(Vu)=ITltK／kW。一VP+V((VU))+B(2)余热烟气上游工艺燃用固体燃料，取=4．3；式中：p为流体的平均温度；U=(U，V，W)为流体的上游工艺燃用液体燃料，取=2．6。对于凝渣管，平均速度；P为压