数值模拟方法在余热锅炉结构优化中的应用

5 0 中固 有色冶 4 t - A 卷生产实践篇 设备及自动化 数值模拟方法在余热锅炉结构优化中的应用 张冬洁L ， 徐建炎 ， 蔡宁生 ， 王 岗 ( 1 清华大学， 北京1 0 0 0 8 4 ； 2 中国恩菲工程技术有限公司， 北京1 0 0 0 3 8 ) 摘要】 随着计算机技术和计算流体力学的快速发展 ， 数值模拟研究方法已成为工业设计中有效而经 济的手段之一 。余热锅 炉是 冶金 炉尾 气余热 回收设备 ， 为非标设计且运行 工况不稳定 ， 数值模 拟正是 实 现其优化 设计的有 力工具 。本文采用数值模拟方 法对 某铜 冶炼厂底吹炉余热锅 炉进行 结构优化 用以 指导 工程设计。 关键词】 数值模拟 ； 余 热锅 炉； 有 色冶炼； 结构优化 中图分类号】 T K 2 2 9 9 2 9 文献标识码 B 【 文章编号 1 6 7 2 6 1 0 3 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 5 0 0 5 0 前言 目前在有色金属冶炼行业 中， 余热 回收和利用 受到普遍重视 。工程中一般在冶金炉后安装余热锅 炉 回收冶炼烟气余热 ， 在提高能源利用的同时， 也沉 降一部分烟尘 ， 使烟气温度降低 ， 为后续除尘和制酸 _T艺创造条件 。因此 ， 在冶金系统 中， 余热锅炉是实 现节能减排的关键设备n 叫 。 数值模拟方法是在设备设计和生产前期常用的 方法 ， 它利用计算机平 台， 应用程序或软件建模 ， 进 行数值模拟 ， 对设备内部的流动和换热特性进行预 测 ， 为设备的设计和制造提供合理化建议 ， 这种方法 周期短 ， 节省资金。随着计算机技术的发展以及计 算流体力学学科 的飞速前进 ， 数值模拟 已经成为传 热学领域必不可少 的研究方法 。很多大型商用软 件 ， 如 F L U E N T ， G A MB I T， I C E MC F D， A N S Y S 等为研 究者提供 了良好的操作平 台， 在满足一些基本操作 的基础上 ， 可以加入 自编程序进行二次开发 ， 实现复 杂流动换热 问题和多场耦合问题 的求解 。近年来 ， 数值模拟方法被用于进行炉 内的换热及流场预测 ， 进行锅炉寿命 、 热效率及烟气排放成分预测 圳， 结 果表明数值模拟方法对于设备设计和效果预测而言 是一种行之有效的方法。 本文采用数值模拟方法对某冶炼厂余热锅炉初 作者 简介】 张冬洁 ( 1 9 7 2 一 ) ， 女 ， 河北遵化 人 ， 工学博士 ， 主要从事 热能动力工程设计及计算传热 的研究工作 。 收稿 日期】 2 0 1 2 1 1 - 1 4 修订 日期 2 0 1 2 一 l 1 2 3 基金项 目： 北京市博士后 工作经费资助项 目资助 步设计方案进行烟气侧模拟 ， 通过对其 内部烟气速 度场及温度场的分析 ， 找出辐射室结构的不足之处 ， 并进行改善 ， 优化后的结构经数值模拟方法验证 ， 换 热及流动效果均较好 ， 为工程设计提供了依据 。 1 工程概况 某铜冶炼厂规模为年产 1 0 万 t 铜 ， 采用底吹炼 铜技术 ， 进人熔炼炉余热锅炉的烟气性质如下： 烟气 量 5 4 0 0 0 m 。 h ； 烟气温度 8 5 0 C； 烟气含 S O ： 1 9 1 2 、 S O 0 3 9 、 H： O 1 8 8 、 N ： 5 1 1 、 C O ： 0 4 6 ， 烟 尘 含 量 3 0 g m 。 工程设计阶段 ， 先利用热力计算程序完成余热 锅炉的防腐蚀计算 ， 各个受热面基本 尺寸设计。余 热锅炉总图如图 1 所示 ， 采用含上升通道和水平段 的两通道锅炉 。受热面包括与底 吹炉相连的炉罩 、 上升烟道 、 辐射室和含 4 组对流管束 的对流段。 2 数值方法预测 结合锅炉烟气侧的传热过程对模型进行如下简 化 ： ( 1 ) 只进行烟气主要流动区域的建模 ， 忽略锅炉 人孔 门等较小流动区域的建模 ； ( 2 ) 忽略由于漏风造成的烟气流量的增加 ； ( 3 ) 将对流管束的蛇形管简化成厚度与蛇形管 直径相等的平板n 。 简化后模型如图2 所示 。 数值模拟时 ， 模型各个边界条件设置如下 ： ( 1 ) 入 口边界 ： 空气入 口温度 、 速度为定值 ； 给定 5 4 中固有色冶 金 A 卷生产实践篇 设备及自 动化 7 K S K a e r ，N u me r i c a l m o d e l i n g o f a s t r a w f i r e d g r a t e b o i l e r J ， F u e l ， 2 0 0 4， 8 3： 1 1 8 3 1 1 9 0 8 】 I J _I D i e z ， C C o r t e s ， A C a mp o ， Mo d e l i n g o f p u l v e r i z e d c o a l b o i l e r s ： r e v i e w a n d v a l i d a t i o n o f o n - l i n e s i mu l a t i o n t e c h n i q u e s J Ap p l i e d Th e r ma l En g i n e e r i n g ， 2 0 0 5， 2 5 ：1 5 1 6 1 5 3 5 9 】 M R a h i m i ， A K h o s h h a l ， S M S h a r i a t i C F D mo d e l i n g o f a b o i l e r S t u b e s r u p t u r e J A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ， 2 6 ：2 1 9 2 2 2 0 0 【 1 0 】 J J B e z u i d e n h o u t ，Y Y a n g ， J J E k s t e e n C o m p u t a t i o a l fl u i d d y n a m i c mo d e l l i n g o f a wa s t e h e a t b o i l e r a s s o c i a t e d wi fl a s h s me l t i n g o f b a s e me t a l s u l p h i,d e s J T h e J o u r n a l o f t h e S o u t h e r n A f r i c a n I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l ur g y 2 0 0 8， 1 0 8 ： 1 7 9 1 8 8 1 1 】 王学斌 ， 惠世 恩 ， 赵钦 新 余热锅 炉人 口均流装 置的优 化分析 1 4 1 5 1 6 中国工程热物理学会学 术会议 崔成 云 ， 孟 晓冬 ， 段跃非 余 热锅炉人 口烟道流场优 化 J 1 锅炉 制造 ， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 2 6 2 7 杨卫宏 ， 赖 亚欣 ， 萧泽强 余热锅炉流场温度场数值计算 f J 1 2 0 0 0， 1 0 ( 2 ) ： 2 7 8 2 8 1 宋冬根 ， 丁晟 ， 鞠霞 ， 钟崴 铜冶炼闪速炉余 热锅 炉辐射 室的仿真 与优化【 J J 有 色冶金设计与研究 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 3 ) ： 1 9 2 2 陶文铨 数值传 热学【 M 西安： 西安交通大学 出版社 ， 2 0 0 1 章熙 民， 任泽霈 ， 梅飞鸣 传热学( 第 四版) 【 M 北 京 ： 中国建筑 业 出版社 ， 2 0 0 4 App l i c a t i o n o f nu me r i c a l s i mu l a t i o n me t ho d i n s t r u c t ur a l o p t i mi z a t i o n o f wa s t e he a t b o i l e r Z HA N G D o n g - j i e ， XU J i a n - y a n ， C A I N i n g - s h e n g ， WA N G G a n g Abs t r a c t ：W i t h t h e r a pi d de v e l o p me nt o f c o mp ut e r t e c hn o l o g y a n d c o mp u t a t i o na l flui d d y na mi c s ，t h e r e s e a r c h me t h o ds o f n ume r i c a l s i mul a t i o n h a v e be c o me a n e ffe c t i v e a n d e c o n o mi c me t h o d i n t he i n d u s t r i a l d e s i g nTh e wa s t e he a t b o i l e r i s t h e wa s t e h e a t r e c o v e r y d e v i c e f o r g a s f r o m me t a l l u r g i c a l f u r n a c e ，i t s d e s i g n i s n o n -s t a n d a r d a n d i t s o p e r a t i o n c o nd i t i o n i s n o t s t e a d y ，t he r e f o r e ，t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n i s a p o we r t o o l for i t s o p t i mi z a t i o n d e s i g n I n t h i s pa p e r t h e s t r uc t u r e o f wa s t e h e a t b o i l e r o f b o t t o mb l o wi n g f ur n a c e i n a c o p p e r s me l t e r wa s o p t i mi z e d wi t h n ume r i c a l s i mul a t i o n me t h o d t o g u i d e t h e e n g i n e e r i n g d e s i g n Ke y wor ds ：n ume r i c a l s i mul a t i o n ；wa s t e h e a t b o i l e r ；n o n f e r r o us s me l t i n g ；s t ru c t u r a l o p t i mi z a t i o n ( 上接 第 3 O 页 ) Tr a n s f o r ma t i o n pr a c t i c e o f me l t i ng s ul f ur i nd us t r i a l p r o d uc t i o n o f o x y g e n p r e s s ur e l e a c hi ng r e s i due o f z i nc c o n c e n t r a t e LI U Xi n - y u a n ，HU Do n g f e n g Abs t r a c t ：Th e p r o c e s s a n d pr o d u c t i o n t e c hn o l o g y o f r e c o v e r i n g s u l f u r e l e me n t i n t h e l e a c hi n g r e s i d ue a f t e r o x y g e n p r e s s u r e l e a c hi ng o f z i n c c o n c e n t r a t e we r e i n t r o d uc e dT he s u l f u r i n t h e z i n c c o n c e n t r a t e e n t e r e d i n t o t he l e a c h i n g r e s i du e ma i n l y i n s u l f u r e l e me n t d u r i n g t he o x y g e n p r e s s u r e l e a c hi n g p r o c e s s ，t h e s u l f u r c o nc e r t r a t e t ha t me t t h e r e q u i r e me n t s o f me l t i