礦熱爐煙道氣固兩相流沖蝕機理研究

劉偉，劉鵬，馬梓艦，龔可新，孫昊

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

回轉窯-礦熱爐冶煉工藝采用大型封閉式礦熱爐，礦熱爐燃燒過程中會產生大量的高溫煙氣，其煙氣中混有大量礦料顆粒[1]。煙道作為煙氣排放和運輸的重要設備，其結構對氣固兩相流、氣固的傳質機理以及顆粒對煙道壁面沖蝕磨損都有著十分重要的影響[2-3]。

顆粒沖蝕現象其過程復雜，難以僅僅依靠實驗來研究沖蝕機理，因此大部分針對大型工業設備內部流動特性的研究都是通過數值模擬實現的。FORDER[4]等提出了一種沖蝕模型預測管內的沖蝕速率并計算了顆粒的軌跡。鞏啟濤[5]等采用Realizablek-ε模型模擬了400 mm T型三通管道的流場，研究了雷諾數、管徑比和管間夾角對三通區域局部流動阻力的影響。GRANT[6]等通過大量實驗數據總結出了不同的顆粒不同入射角度碰撞壁面的反彈恢復系數。PENG[7]等通過E/CRC沖蝕模型和顆粒壁反彈模型來研究管徑、入射速度、管道彎曲角度和粒徑等影響因素規律。VERITAS[8]等研究了由于砂粒對材料表面的沖擊而造成的侵蝕磨損和沖蝕，已知顆粒撞擊目標表面的沖擊速度和角度，則可以根據方程關系來估計沖蝕磨損的材料損失。WANG[9]通過測定氣固兩相流的介質物理性質，研究了多晶硅還原爐顆粒對壁面的沖蝕影響，發現顆粒的尺寸增大，進而導致動能增加，顆粒與壁面撞擊更劇烈，對顆粒材料的磨損更嚴重。何興建[10]等通過運用DPM離散模型來研究顆粒對T型彎管沖蝕影響，結果表明顆粒濃度越大，沖蝕效果越明顯。嚴淳鳀[11]采用DPM沖蝕模型對彎管不同顆粒體積分數對彎管的壁面沖蝕問題。王博[12]等研究了30°彎管的沖蝕數值模擬，通過改變入口流速、顆粒粒徑及質量流率，分析沖蝕速率的變動規律。

基于馬梓艦[13]等以鎳鐵冶煉工藝中 48 MW礦熱爐煙道為研究對象，建立了氣固兩相流傳質模型，研究了在實際工況下氣固兩相流傳質機理，采用DPM離散模型、Grant 和 Tabakoff 顆粒反彈模型以及DNV沖蝕模型機理來對煙氣管道的沖蝕機理經行了研究，分析了不同煙氣黏度、不同密度下顆粒對管壁的最大沖蝕速率及沖蝕區域的影響。

1 物理模型

煙道模型及網格如圖1所示。礦熱爐高溫煙氣從爐口段進入煙道，途經Ⅰ段煙道、Ⅱ段煙道、Ⅲ段煙道和盲管段，最后從出口段流出。由于煙道T型結構處顆粒運動情況復雜，又存在顆粒對壁面的沖蝕現象，故對煙道T型管處進行了網格加密。模型結構具體參數數值如表1所示。

圖1 煙道模型及網格示意圖

表1 煙道結構參數

2 數學模型

2.1 顆粒控制方程

采用DPM離散模型對顆粒進行數值模擬，采用拉格朗日方法對顆粒進行計算。由于顆粒粒徑較大，本研究只考慮重力和曳力的影響。其中顆粒的作用力平衡方程為：

式中：u—流體流速，m·s-1；

up—顆粒流速，m·s-1；

ρ—流體密度，kg·m-3；

ρp—顆粒密度，kg·m-3；

gy—y方向的重力加速度，m·s-2；

Fy—其他y方向作用力，包括虛擬質量力等；

FD(u-up)—單個顆粒所受曳力；

CD—曳力系數。

2.2 顆粒碰撞模型

顆粒與壁面碰撞后，顆粒會發生彈性和塑性變形，從而會損失一定量的能量，反射速度將會減小。本文中采用Grant和Tabakoff 提出的顆粒反彈模型，通過多次實驗來總結出法相和切向的恢復系數公式，進而來計算顆粒反彈后的速度，如式（3）所示：

式中：et—切向反彈系數；

en—法向反彈系數。

3 邊界條件

煙道進口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口為邊界條件。離散相邊界條件中，邊界類型用戶自定義函數（UDF）的宏（DEFINE_DPM_BC）對邊界面進行修改，在壁面選擇上是無滑移壁面。在離散模型中，顆粒粒徑遵循Rosen-Rammler 分布，假設顆粒在運動過程中沒有旋轉，顆粒之間不碰撞，不黏附。

4 結果分析

4.1 煙氣黏度對沖蝕的影響

煙氣的黏度對顆粒受到的曳力有著重要的影響，因此討論不同黏度下顆粒的沖蝕磨損情況有著重要的意義。

不同黏度出口段沖蝕情況如圖2所示。當煙氣黏度是2.6×10-5Pa·s時，出口段的沖蝕區域相對集中，沖蝕區域的面積較小，且顆粒的最大沖蝕速率最大。隨著黏度的增大，出口段的沖蝕區域慢慢變大，而顆粒的沖蝕位置逐漸發散，顆粒的最大沖蝕速率也逐漸減小。

圖 2 不同黏度出口段沖蝕情況

黏度對出口段最大沖蝕速率的影響如圖3所示。

圖3 黏度對出口段最大沖蝕速率的影響

由圖3可知，隨著煙氣黏度的增大，顆粒的最大沖蝕速率逐漸減小。相同情況下，煙氣的黏度越大，其顆粒受到的煙氣的影響也就越大，進入出口段時撞擊壁面的能量損失也就越小，從而對壁面的沖蝕效果也就越小，相反，沖蝕效果也就變得明顯。

4.2 煙氣密度對沖蝕的影響

對比不同煙氣密度下的最大沖蝕速率，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著煙氣密度的增大，顆粒的最大沖蝕速率逐漸減小。根據曳力計算公式（2）可知，相同情況下，煙氣的密度越大，其顆粒受到的曳力也就越小，受到的重力影響就增大，進入出口段時撞擊壁面的能量損失也就越小，從而對壁面的沖蝕效果也就越小。相反，煙氣的密度越小，顆粒受到的曳力也就越大，顆粒受到重力影響就減小，顆粒對壁面撞擊的能量損失也就變大，沖蝕效果也就變得明顯。

圖4 密度對出口段最大沖蝕速率的影響

5 結 論

1）在馬梓艦等研究成果的基礎上，采用用戶自定義（UDF）對壁面恢復系數進行編譯，研究了煙氣不同濃度、不同密度下顆粒對壁面的最大沖蝕速率。

2）隨著煙氣濃度的增大，顆粒對壁面的最大沖蝕速率減小。這個是由于煙氣濃度的增加，顆粒受到煙氣的影響增大，進而撞擊壁面的能量損失減小，沖蝕區域發散，沖蝕位置下向出口方向偏移。反之，沖蝕區域聚集，顆粒的最大沖蝕速率變大。

3）煙氣的密度增大，進而影響了顆粒受到的曳力減小，重力影響增大，顆粒撞擊壁面損失的能量減少，顆粒對壁面的最大沖擊速率減少。相反，煙氣的密度減小，顆粒對壁面的最大沖擊速率增大。