基于計算流體動力學的礦熱爐水冷型煙道模擬研究

摘 """""要： 為了研究鎳鐵冶煉礦熱爐水冷型煙道中的煙氣流動特性，利用FLUENT對礦熱爐水冷型煙道內(nèi)煙氣沉積行為進行模擬。采用RNG k-ε湍流模型計算了流場和傳熱。同時，采用DPM模型，并考慮了Grant和Tabakoff顆粒反彈模型及JKR理論，建立了顆粒沉積的判斷準則，分析了爐氣顆粒在碰撞過程中的受力情況及其運動軌跡。

關(guān) "鍵 "詞：礦熱爐；水冷型煙道；顆粒沉積；數(shù)值模擬

中圖分類號：TF806.7 """""文獻標志碼：A """"文章編號：1004-0935（2024）10-1564-03

回轉(zhuǎn)窯-礦熱爐工藝因其工藝成熟的特點廣泛應(yīng)用于鎳鐵的實際生產(chǎn)^[1]。礦熱爐在實際生產(chǎn)中會產(chǎn)生高溫爐氣，爐氣中含有的礦料顆粒會隨爐氣一同進入煙道，并在流動中與煙道壁面產(chǎn)生碰撞與摩擦，這易于造成煙道的沉積、磨蝕、腐蝕和堵塞等問題，進而影響煙道的使用壽命。為了確保高溫爐氣在煙道中的高效輸運，對礦熱爐水冷型煙道內(nèi)氣固兩相流中顆粒沉積行為和去除特性進行了模擬研究。

在目前的研究中，學者發(fā)現(xiàn)顆粒的沉積行為與氣體、顆粒及碰撞壁面的特性有較大的關(guān)系。CROSBY等^[2]研究發(fā)現(xiàn)顆粒的沉積受到氣體溫度影響較大，并且發(fā)現(xiàn)顆粒的沉積速率隨著氣體溫度的降低而降低。HAN等^[3]則利用改進的模型研究了流速和顆粒直徑對顆粒沉積速率的影響，研究發(fā)現(xiàn)流速越大顆粒沉積速率越小，粒徑越大顆粒的沉積速率越大。BRAVO等^[4]研究了粒徑分布和運動軌跡對顆粒沉積的影響，發(fā)現(xiàn)粒徑分布和顆粒的初始軌跡對預(yù)測顆粒沉積起著至關(guān)重要的作用。HONG等^[5]研究了顆粒尺寸、粗糙結(jié)構(gòu)及表面能等因素對顆粒沉積特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同粗糙結(jié)構(gòu)對顆粒沉積有較為顯著的影響，并且表面能的增大會導(dǎo)致顆粒沉積速率的增大。

以48 MW礦熱爐煙道為研究對象，用FLUENT對礦熱爐水冷型煙道內(nèi)煙氣沉積行為進行模擬，預(yù)測了煙道內(nèi)煙氣的流動特性。采用RNG k-ε湍流模型計算了水冷型煙道內(nèi)的流場和傳熱。同時，采用DPM模型考慮了Grant和Tabakoff顆粒反彈模型及JKR理論，建立了顆粒沉積的判斷準則，分析了爐氣顆粒在碰撞過程中的受力情況及其運動軌跡。

1 "模型建立與網(wǎng)格劃分

1.1 "模型建立

礦熱爐水冷型煙道模型示意圖如圖1所示。煙道除了爐口段為漸縮段，其余各管段的直徑均為1 000 mm，Ⅰ段煙道長為 5"300"mm、Ⅱ段煙道長為3"700"mm、Ⅲ段煙道長為10"000"mm，盲管段長為1"500"mm，出口段長為 8"000"mm，出口段與Ⅲ段煙道夾角為定值，且α=80°。水冷方向與煙氣流動方向相反，各段水冷管數(shù)均為10。

1.2 "網(wǎng)格無關(guān)性驗證

網(wǎng)格數(shù)量會影響沉積速率的大小，為了計算效率最大化，物理模型整體網(wǎng)格數(shù)量取1"429"133個。將模擬數(shù)據(jù)與HAN等的研究結(jié)果作對比，模型驗證結(jié)果如圖2所示。

2 "數(shù)學模型

為了研究礦熱爐煙道中煙氣的流動特性，利用歐拉-拉格朗日法來求解含有顆粒爐氣的流動問題。其中利用歐拉模型描述氣相流動，利用拉格朗日模型預(yù)測顆粒的運動。爐氣是含有顆粒、不可壓縮的三維湍流流體，冷卻水為常溫常壓、不可壓縮流體。在模擬爐氣流動的過程中，采用RNG k-ε湍流模型計算了流場和傳熱。由于連續(xù)相的質(zhì)量、動量和能量的控制方程以及RNG k-ε湍流模型方程在大量文獻中存在，因此不再贅述^[6-7]。

采用DPM模型求解固相顆粒的運動，基于顆粒粒徑分布特性，顆粒輸運過程中受力分析主要考慮布朗力、虛擬質(zhì)量力、Saffman力、重力、曳力和慣性力等，采用DEFINE_DPM_DRAG宏拓展曳力計算，準確模擬爐氣與顆粒發(fā)生相對運動時產(chǎn)生的相互作用力。

顆粒碰撞示意圖如圖3所示。

為了能準確預(yù)測顆粒的運動軌跡，提出了顆粒沉積模型。該模型考慮了顆粒與壁面和顆粒與顆粒之間的相互作用。此外還考慮了顆粒反彈模型，通過顆粒碰撞過程中能量的損耗來預(yù)測顆粒反彈速度^[8]。

3 "結(jié)果與討論

3.1 "煙氣流速對沉積的影響

煙氣的流速是影響顆粒沉積速率的一個主要因素。煙氣流速對沉積速率的影響如圖4所示。水冷型煙道隨著煙氣流速的增加，沉積速率逐漸減小^[9]。煙氣流速越低，顆粒的跟隨性就越差，顆粒的慣性力和擴散力都小于阻力。隨著煙氣流速的增加，顆粒的沉積會使煙氣的尾跡渦面積減小，使得煙道內(nèi)的流場發(fā)生變化，顆粒難以進一步發(fā)生沉積行為。

煙道沉積云圖如圖5所示。隨著煙氣速度的增加，煙道的入口段、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和出口段沉積速率逐漸減小。隨著煙氣流速的增加，顆粒受煙氣的夾帶作用，慣性作用更加明顯，進而減弱了顆粒的湍流渦和布朗擴散作用。

不同煙氣流速對各管段沉積情況的影響如圖6所示。顆粒在入口段、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和出口段不易產(chǎn)生沉積行為。隨著煙氣流速的增加，盲管段和三通段的沉積速率逐漸增大。當煙氣流速較大時，顆粒動能增大，使得顆粒所受慣性作用更大，因此顆粒不易跟隨煙氣流動。煙氣流速的增大會使顆粒在三通處流到盲管段的趨勢更加明顯，因此在較大的煙氣流速下顆粒在盲管和三通處更易產(chǎn)生沉積行為。

3.2 "顆粒粒徑對沉積速率的影響

顆粒粒徑是影響顆粒沉積速率的另一個主要因素。考慮了顆粒直徑為5～140 μm時對顆粒沉積速率的影響。不同顆粒粒徑對沉積速率的影響如圖7所示。

由圖7可知，隨著顆粒粒徑的增大，沉積速率逐漸增大。顆粒沉積主要受到渦流擴散碰撞、湍流擴散和慣性碰撞的影響，并且不同粒徑受到的影響各不相同。對于小粒徑顆粒，容易被煙道中的渦流夾帶，增加了顆粒與壁面碰撞的概率。大粒徑顆粒自身質(zhì)量較大，所以在煙氣中所具有的慣性力較大，因此大粒徑顆粒受慣性碰撞的影響產(chǎn)生沉積行為。

4 "結(jié) 論

本文利用FLUENT對礦熱爐煙道內(nèi)煙氣顆粒沉積行為進行模擬，預(yù)測了礦熱爐水冷型煙道煙氣流動特性。研究了不同煙氣流速和不同顆粒粒徑對水冷型煙道顆粒沉積速率的影響，研究結(jié)論如下：影響顆粒沉積速率的因素有煙氣流速和顆粒粒徑，顆粒沉積速率隨著煙氣流速的增加而減少。盲管段和三通段的顆粒沉積速率隨著煙氣流速的增加而增加，其余各管段的顆粒沉積速率隨著煙氣流速的增加而減少。顆粒的沉積速率隨著顆粒粒徑的增加而增加。隨著顆粒粒徑的增大，盲管段和三通段的沉積速率增大，其余各管段的顆粒沉積速率逐漸減少。

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Simulation Study on Water-Cooled Flue of Submerged Arc Furnace"Based on Computational Fluid Dynamics

GONG"Ke-xin¹， LIU"Wei¹， LIU Peng¹， WANG Cui-hua¹， GUAN Qing-chen¹， SUN Chao¹

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

Abstract：""In order to study the flow characteristics of flue gas in water-cooled flue in submerged arc furnace，"FLUENT was used to simulate the behavior of flue gas"particlenbsp;deposition in the water-cooled flue of submerged arc furnace."The RNG k-ε turbulence model was used to calculate the flow field and heat transfer."At the same time， using DPM model， considering Grant and Tabakoff particle rebound model and JKR theory， the judgment criterion of particle deposition was"established， and the stress and motion trajectory of furnace gas particles in the collision process were analyzed.

Key words：""Electric furnace; Water cooled flue; Particle deposition; Numerical simulation