（热能工程专业论文）再生铜反射炉内多场耦合数值仿真与优化研究.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no i lc o u p l e dm u l t i - f i e l di n t h er e c l a i m e dc o p p e r r e v e r b e r a t o r yf u r n a c e a p p l i c a n t ： m a j o r ： s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h e r e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 0 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 63 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 斗 日期 业年月喜目 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：三量里3 广导师签名 日期：垄生年月上日 中南人学硕：卜学位论文摘要 摘要 反射炉是再生铜生产的关键设备，但由于存在热效率低、金属回 收率低、产品质量不稳定、炉子使用寿命低等问题，使其应用受到很 大限制。本文以湖南某铜业公司反射炉系统为研究对象，采用数值仿 真方法对炉内热工过程进行系统研究，为结构和操作参数的优化提供 理论指导。 本文以商业软件f l u e n t 6 3 为平台，建立了反射炉解析区域的 物理模型，通过网格无关性的研究，确立了合适的非结构化网格，以 热q - - n 试数据为边界条件，应用标准k s 模型、组分传输模型与p 。1 辐射模型，实现了反射炉内流场、温度场、浓度场和燃烧释热场的四 场耦合的数值模拟，其主要结果如下： ( 1 ) 当采用直流燃烧器时，反射炉炉膛内部燃烧器区域存在一 个比较大的回流区域，烟气的回流有效地加强了炉内气体的循环与混 合，增加了炉内燃烧的稳定性；炉内最高温度出现在距离燃烧器喷口 大约1 0 m 处，为2 2 7 9 k ，反射炉底部温度水平在1 4 0 0 k 左右，但过 剩空气系数偏大，炉内温度分布不均匀，热效率较低；在烟道出口处 仍存在少量未燃组分，表明炉内燃烧组织不够理想。 ( 2 ) 将仿真计算结果与现场测试数据进行了比较，两者基本一 致，相对误差小于7 ，表明上述模型用于反射炉内燃烧过程的数值 模拟是可靠的。 ( 3 ) 旋流燃烧器及其不同安装角度下的数值模拟结果表明：旋 流燃烧器的燃烧性能优于直流燃烧器，旋流燃烧器较优的安装角度为 4 5 。 ( 4 ) 不同过剩空气系数及其含氧浓度条件下的数值模拟结果表 明：当过剩空气系数为1 0 5 时，燃烧效果较好，温度分布较均匀且 高温区主要分布在靠近熔体区域；随着助燃空气中氧气浓度下降，火 焰面随之增大，最高温度随之下降，平均温度随之增高，温度分布随 之变的更加均匀，热效率更高，如氧气浓度为5 ，预热温度为1 0 7 3 k 时，可以节约燃料4 6 9 9 。 关键词：再生铜，反射炉，热平衡，数值仿真，优化 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t r e v e r b e r a t o r yf u r n a c ei sak e ye q u i p m e n tf o rp r o d u c t i o no fr e c l a i m e d c o p p e nb u ti t sa p p l i c a t i o ni sg r e a t l yl i m i t e dd u et ot h ep r o b l e m s ，s u c ha s l o wt h e r m a le f f i c i e n c y ，l o wr e c o v e r yr a t e ，u n s t a b l ep r o d u c tq u a l i t y ， s h o r tl i f eo ft h ef u m a c e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o d ，t h et h e r m a lp r o c e s so ft h ef u r n a c ei nar e c l a i m e dc o p p e rp l a n ti n h u n a nw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi no r d e rt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so f s t r u c t u r ea n do p e r a t i o n b a s e do nf l u e n t 6 3t h ep h y s i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i o nr e g i o nw a s b u i l ta n dt h ea p p r o p r i a t eu n s t r u c t u r e dg r i dw a se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h e g r i di n d e p e n d e n c es t u d y m e a n w h i l e ，t h eh e a tb a l a n c ed a t am e a s u r e d f r o mt h er u n n i n gf u r n a c ew e r eu s e da st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h e m o d e l t h es t a n d a r d k 一占m o d e l s p e c i e s t r a n s p o r tm o d e la n dp l r a d i a t i o nm o d e lw a sc h o s e dt oc a r r yo u tc o u p l en u m e r i c a lc o m p u t a t i o no f f l o wf i l e d ，t e m p e r a t u r ef i l e d ，c o n c e n t r a t i o nf i e l da n dh e a tr e l e a s ef i l e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a sf o rt h ef u r n a c ew i t had i r e c t c u r r e n t ( d c ) b u r n e rt h e r ei sa b a c kf l o wz o n e ，w h i c hc a ni n t e n s i f yt h ec i r c u l a t i o na n dt h em i x t u r e b e t w e e nt h ef u e la n da i ra n ds t a b i li z et h ec o m b u s t i o ni nt h ef u r n a c e e f f e c t i v e l y t h et e m p e r a t u r em a x i m u mi n t h ef u r n a c ei s2 2 7 9 ka n d a p p e a ra tt h er e g i o na b o u t1 0m e t e rf r o mt h eb u r n e r t h et e m p e r a t u r e l e v e la tt h eb o t t o mo ft h ef u r n a c ei sa b o u tl4 0 0 k a saw h o l e ，t h e p r o b l e m si nt h ef u r n a c ew i t hd cb u r n e ra r et h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ， l a r g e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，l o w e rt h e r m a le f f i c i e n c y as m a l la m o u n t o ff u e l c o m p o n e n t sa p p e a ra tt h ef l u ee x i t ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e o r g a n i z a t i o no fc o m b u s t i o ni sn o te n o u g hg o o d ( 2 ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ed a t a m e a s u r e df r o mt h er u n n i n gf u r n a c e ，w h e r et h er e l a t i v ee r r o ri sl e s st h a n 7 t h e s ei n d i c a t et h a tt h em o d e lf o rs i m u l a t i n gc o m b u s t i o np r o c e s si n t h er e v e r b e r a t o r yf u r n a c ei sr e l i a b l e ( 3 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fr o t a r yb u r n e ra n dd i f f e r e n t m o u n t i n ga n g l es h o wt h a tt h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo fr o t a r yb u r n e ri s e x a m p l e ，i tc a ns a v e4 6 9 9 f u e lw h e nt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o no f c o m b u s t i o na i ri s5 a n dt h ep r e h e a tt e m p e r a t u r ei s10 7 3 k k e yw o r d s ：r e c l a i m e dc o p p e r ， r e v e r b e r a t o r yf u r n a c e ，t h e r m a l e q u i l i b r i u m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m u m i l l 中南人硕， ：学位论文 目录 目录 摘j 要i a b s t r a c t i i 符号说明l 第一章绪论l 1 1 铜及再生铜工业概述1 1 1 1 世界铜及再生铜工业现状和发展1 1 1 2 中国铜及再生铜工业现状和发展3 1 2 再生铜生产工艺简述4 1 2 1 含铜废料的预处理4 1 2 2 铜的再生5 1 2 3 反射炉的再生铜直接利用法生产工艺6 1 2 4 反射炉运行中存在的问题9 1 3 工业炉窑研究方法概述9 1 3 1 研究方法的发展历程9 1 3 2 数值仿真技术在冶会炉窑研究中的应用一1 0 1 4 课题来源和研究内容1 1 第二章再生铜反射炉的热工测试与分析1 2 2 1 热平衡测试1 2 2 1 1 热平衡测试目的1 2 2 1 2 热平衡测试内容1 2 2 1 3 热平衡测试仪器和设备1 2 2 1 4 热平衡测试数据14 2 2 物料平衡与热平衡计算结果1 4 2 2 1 物料平衡计算结果1 5 2 2 2 热平衡计算结果1 6 2 3 系统热平衡分析17 2 4 本章小结l9 第三章反射炉内多场耦合数学模型及其求解方法2 0 3 1 基本守恒方程2 0 3 2 反射炉内多场耦合类型2 1 3 3 湍流模型2 2 人学硕士学位论文目录 3 4 组分传输模型2 4 3 5 辐射模型2 7 3 6 基本方程的离散化2 8 3 6 1 常用的离散化方法2 9 3 6 2 有限容积法中常用的离散化格式3 0 3 7 多场耦合离散方程的求解方法3 1 3 7 1 流场数值计算的主要方法3 l 3 7 2s i m p l e 算法3l 3 8 基于f l u e n t 软件的求解步骤。3 2 3 9 本章小结3 4 第四章反射炉内多场耦合仿真3 5 4 1 反射炉物理模型3 5 4 2 边界条件3 5 4 2 1 入口边界条件3 5 4 2 2 出口边界条件3 6 4 2 3 壁面边界条件3 6 4 3 网格及其无关性研究3 6 4 4 流场3 9 4 5 温度场4 0 4 6 浓度场4 l 4 7 仿真结果与测试结果的比较及其误差分析4 3 4 7 1 结果比较4 3 4 7 2 误差分析4 4 4 8 本章小结4 4 第五章反射炉的结构和操作参数优化研究4 6 5 1 燃烧器结构和安装角度对温度场的影响4 6 5 1 1 旋流式燃烧器4 6 5 1 2 安装角度51 5 2 过剩空气系数对炉内温度场的影响5 4 5 3 高温低氧燃烧技术对温度场的影响5 6 5 3 1 高温低氧燃烧仿真5 6 5 3 2 节能分析6 0 5 4 本章小结6 l 第六章结论与建议6 2 中南大学硕：t 学位论文目录 6 1 结论6 2 6 2 建议一一6 3 参考文献6 4 发表论文和参加科研情况6 8 致 射6 9 中南人学硕士学位论文 符号说明 符号说明 定压比热，j k g k 。1 k s 方程中的常数 k s 方程中的常数 k 一占方程中的常数 水力直径长，m m 湍流强度， 坐标维数 湍动能，m 2 s 之 燃烧用空气量，m 3 取值点到参照点弧长 参照点所在位置圆弧的周长 体积分数 空气带入物理热，l ( j 预热空气燃料节约率， 通用气体常数，8 3 1 4 j m o l 一k 一 物质消耗率 一次风雷诺数， 润湿周长，m 时间，s 参考温度，k 速度矢量，m s 。1 坐标 湍动粘度 k g 方程中的常数 k 一占方程中的常数 流体密度，k g m 。 粘性系数，n s m 。2 有效导热系数，w r n 一k _ 单位张量 湍能耗散率，m 2 s 刁 q q e e d，j露厶乞厶研品尺r如s f 铭x 以咚尸以磊g 中南大学硕士学位论文第章绪论 1 1 铜及再生铜工业概述 第一章绪论 铜是一种具有金属光泽、组织细密、磨光时呈红色、柔性和可锻性很好 的金属，其导电性仅次于银，是电和热的极佳导体之一。铜是人类最早发现 和应用的金属之一，据考证早在8 0 0 0 年前就有人类冶炼和使用铜的活动。在现 代社会中，铜已经成为一种不可或缺的会属，它被广泛应用于电气、国防、 机械制造、运输、化工、医疗等国民经济部门，我们的日常生活中也是常 常见到它的踪迹i l 弓j 。世界铜资源主要集中在智利、美国、赞比亚、俄罗斯 和秘鲁等国。其中智利是世界上铜资源最丰富的国家，其铜金属储量约占 世界总储量的l 3 。在产量方面，智利也是全球最大铜产国，2 0 0 6 年其产量 约占全球产量的3 7 。在消费方面，2 0 0 0 年前在铜消费市场唱主角的是西 方欧美国家，但在2 0 0 0 年后铜消费市场的主角换成了中国、俄罗斯、印度 和巴西。我国现在探明铜储量居世界第四位，但是储量分散、大型矿床少、含 铜品位低( 平均在1 以下) ，可利用高品位铜资源数量相对少。据2 0 0 2 年统计 数据显示，我国的精铜产量和消费量已经达到了世界第一位1 4 1 。 再生铜是指铜废料经过预处理、冶炼生产出的符合工业用途的铜。再 生金属原料品位高、杂质少、易于处理，其生产费用、基建投资、能源消 耗及环境保护费用等均低于原生金属的相应费用。有色金属废料的回收利 用是变废为宝、一举多得的事，对于国民经济的持续、健康发展具有重要 意义【4 1 。 1 1 1 世界铜及再生铜工业现状和发展 随着工业发达国家铜矿资源的逐步耗尽，从2 0 世纪5 0 年代到上世纪术铜的 生产格局已经发生了重大变化。铜的生产过去以北美为主，近年逐渐向南美、非 洲和独联体国家和地区转移。近几年世界主要铜生产和消费国家、地区概况列于 表1 1 【5 】。由表1 1 可以看出，全球对铜的需求呈上升趋势，因此铜的产量势必 会提高上去。 由于工业化和铜消费增长的带动，炼铜技术也在飞速发展。中世纪末期，德 国和瑞典发明了使用鼓风炉从硫化铜中熔炼铜技术，约在1 7 0 0 年英国创立了反 射炉熔炼技术，进入2 0 世纪，相继出现了大型鼓风炉和反射炉熔炼，随后又出 现了电炉炼铜。自1 9 5 0 年以来，相继又出现了生产率高，能耗低的新型工艺： 很有必要。 表1 1 各地区精铜产量与消费量表5 1单位：万吨 位次国家或地区 2 0 0 5 2 0 0 62 0 0 7 2 中南大学硕： 学位论文第一章绪论 1 1 2 中国铜及再生铜工业现状和发展 我国是世界上最早发现和使用铜的国家之一，湿法冶金技术就是由我们的先 人最先发明的。但是由于近代中国遭受侵略、连年的战争动乱，使我国的科技停 滞甚至倒退。新中国成立后，我国的有色金属工业才得到了发展。现在我国主要 形成了铜陵铜业、白银有色金属公司、洛阳铜加工厂等几大铜生产加工企业和江 西铜、铜陵、云南、大冶、白银、中条山六大炼铜基地，详见表1 3 【9 1 。 我国现有的铜冶炼厂中，贵溪冶炼厂、金隆铜业采用的是奥托昆普闪速熔炼 法，大冶冶炼厂采用引进的诺兰达熔池熔炼法，中条山冶炼厂引进奥斯麦特浸没 熔炼法，云南铜冶炼厂正在用奥斯麦特法，这些企业已经赶上了世界2 0 世纪9 0 年代先进技术水平。白银公司采用自创的白银法，除此之外冶炼厂基本上采用的 是密闭鼓风炉和反射炉熔炼，能耗高，劳动条件差，污染严重。湿法炼铜产量仅 占总铜产量的1 6 5 ，远低于国外2 0 - - 一, 2 5 水平【l l 】。 表1 - 3 中国主要炼铜企业及生产情况吲 随着国民经济的发展，尤其是电力、家用电器、电子电器、仪器仪表、汽 车和建筑等行业的快速发展，对铜加工型材的需求日益增长，中国铜加工行业也 得到了迅速崛起，实现了跨越式发展。自2 0 0 2 年起，中国已连续7 年居世界铜 材产量首位。2 0 0 8 年虽然受到金融危机的严重影响，但全国铜材产量仍然创出 了历史新高，达到7 4 8 5 9 力吨，同比增长1 9 0 5 ，进一步巩固了在世晃范围内 的铜加工大国地位，产量已占世界总产量的二分之一【5 】。铜的生产与加工业已经 是我国国民经济的支柱产业，列入2 0 0 9 年我国十大产业调整振兴规划支持领域。 虽然我国铜工业得到了飞速发展，但是我们还必须看清，我国铜业面临的 问题：首先，我国的经济飞速发展必然带动铜消耗的加剧，但是我国的铜储量人 均低于世界水平，而且富矿少，品位低；其次，我国的技术水平低，铜矿资源利 用率低。由上面表1 1 、1 2 可以明显的看出，我国铜已经不能达到自给自足， 需要进口来弥补缺口。基于上述原因，为了我国的长期持久战略发展，发展再生 铜工业显得尤为重要【1 2 - l6 1 。 绪论 加工利用地区，及湖南洲罗、山东临沂、河南民葛、辽宁大石桥等以回收国内废 杂铜为主的集散地。 近几年利用废杂铜原料生产精炼铜企业逐渐增多。江西铜业集团公司的贵 溪冶炼厂2 0 0 4 年生产的4 1 5 万吨电解铜中有。1 5 8 万吨再生铜。利用废杂铜生产 电解铜2 万吨以上企业还有6 家，依次是宁波金田铜业集团股份有限公司、上海 大昌铜业有限公司、天津大通铜业有限公司、广州有色金属集团有限公司、云南 铜业集团有限公司和山东金升有色集团公司。中小型再生铜冶炼厂也不少，约占 全国再生铜产量6 0 左右，但这些企业规模小，生产工艺、装备水平、产品质量 和金属回收率不高，环境污染比较严重【1 。m 0 1 。2 0 0 8 年我国再生铜使用比例提高 到2 8 ，但与世界发达国家相比，还存在较大差距，如美国再生铜的比率更是高 达6 0 。振兴规划明确指出：再生铜使用比例在2 0 1 1 年应提高到3 5 。 因此，扩大再生铜生产规模，提高再生铜生产技术水平，降低能耗，控制 污染是我国再生铜工业的发展方向【列彩】。 1 2 再生铜生产工艺简述 一般再生铜的生产可大致分为两步：含铜废料的预处理和铜的再生【2 4 1 。 1 2 1 含铜废料的预处理 废铜料的预处理包括废铜分拣、废件解体、电磁分选或重、浮选【2 5 1 。 废铜分选是关键工序之一，也是最重要的一步。除了手工分类以外，必要时 还要借助物理检测和化学分析手段，对于废料中的磁性物质采用磁选。分拣时可 以采用拣选台和传送带。分类时原则上按含铜量高低分选分堆，含铜之9 9 为特 紫铜，含铜 再 生 铜 反 射 。 炉 ： 耋 云 ，j 、 统 q 兑他o 1 5 q 逸1 7 9 7 q 气6 3 8 0 q 样1 5 4 7 q 疃2 0 3 q 就n o 3 7 q 承0 2 1 图2 - 1 再生铜反射炉系统能流图( 符号说明见表2 - 6 ) 炉门逸出热主要是由于再生铜反射炉属于正压运行的设备，运行时炉内气压 高于大气压，操作期间炉门的开启以及炉门密封不严都会导致高温烟气从炉门口 和炉门缝隙泄露出去，导致再生铜反射炉的大量热损失。现场调研发现，在再生 铜生产各个阶段均存在大量的炉门开启现象：炉门开启时，炉内高温烟气和火焰 1 7 南大学硕士学位论文 第二章再生铜反射炉的热：j ：测试与分析 速地由炉门口窜出炉外。即便在炉门关闭时，炉门与炉壁的接合处存在大量的 焰和高温烟气涌出现象。为了减少炉门逸出热损失，可以通过增强炉门密闭性， 高操作效率减少炉门开启次数和时间等措施来减少高温烟气的泄露，从而提高 子热效率。 炉门口既是冷热料的加入通道，又是氧化还原操作时风管的人口，炉门开启 繁，温度变化大。同时加料时的机械撞击及物料的冲刷磨损，使炉门的衬砖结 破坏，增大了炉门与炉壁之间的缝隙，使炉门逸出热增加。为尽量减少炉门逸 热，在操作以及炉门设计时应注意以下几点： ( 1 ) 定期检查炉门口孔隙，及时发现及时修补。 ( 2 ) 尽量提高工人的装料效率，减少炉门开合次数，降低炉门口逸出热。 ( 3 ) 有条件的话可以将原炉门口门坎的反拱结构改为异型砖与炉墙咬合结 。改进后的炉门口结构可以避免砌筑时加工砖造成的浪费，并且结构强度高， 止热量逸出效果好，砌砖工艺简化【4 7 铷】。其结构如下图2 - 2 4 7 】： 缀结掏改进耋舌杓 图2 - 2 改进前后的炉门口结构【4 7 】 2 ) 炉体表面散热相对较小。 经过测试计算发现，炉壁散热损失仅占热支出的2 0 3 ，这说明再生铜反射 炉的炉体保温措施相对较好。 测试期间发现，再生铜反射炉炉体的局部区域如炉顶燃烧器附近区域的温度 比较高，最高达到了2 0 0 以上，而炉体外围表面和烟道外表面的平均温度只有 5 0 - - 8 0 ，这些局部高温区的存在增加了表面散热。而且由于温度的分布不均匀 易造成炉体开裂，影响设备的使用寿命。因此，优化燃烧系统并加强对上述局部 高温区域的保温措施，将有利于提高再生铜反射炉的热效率，延长它的使用寿命。 再生铜反射炉炉体是由耐火砖砌成的，整体缺乏保温结构，炉门口、炉壁及其上 的缝隙、烟道与炉体结合处的缝隙都造成很大的热量损失，应该定期检查炉壁上 的孔隙，及时发现及时勾缝封严。 3 ) 过剩空气系数偏高，降低了反射炉的热效率。 测试数据表明，化料期烟气中0 2 含量为0 7 1 ，氧化期烟气中0 2 含量为 2 6 7 ，两者过剩空气系数分别为1 1 l 和1 2 6 ，都偏高。化料期需要确保铜料快 1 8 中南人学硕t 学位论文第二章再生铜反射炉的热1 ：测试与分析 速熔化，因此助燃空气流量较小，煤气流量较大，故燃烧后排出的烟气中0 2 含 量较低。氧化期则根据工艺需要提高了过剩空气系数同时使用风管向铜液内鼓风 以使得铜液中其它金属杂质氧化，故出炉烟气中0 2 含量较高。 过剩空气系数偏高，首先导致了风机电耗的增加，风管内压力损失的增大； 另一方面，过量的空气进入炉膛中，使得部分铜液氧化，影响了产品质量的稳定 性，且不参与化学反应的氧气随烟气直接排走，带走了大量的热量，使排烟损失 大大增加，降低了反射炉的热效率。 4 ) 出炉烟气中含有c o ，炉内燃烧组织较差。 测试及计算结果数据表明，出炉烟气中c o 的平均体积浓度为9 5 p p m 。c o 属易燃气体，在过剩空气系数偏高和炉内高温气氛的前提下没有完全燃烧，说明 炉内助燃空气和煤气的混合不充分，燃烧组织较差，炉内温度分布不均匀。 通过此次热平衡测试发现，再生铜反射炉在操作参数、结构参数等方面还有 待进一步完善和优化，尤其是过剩空气系数太高的问题更是相当明显，制约了再 生铜反射炉性能的进一步提高。所以有必要对再生铜反射炉进行深入研究，对炉 内的流动燃烧过程进行数值仿真，为优化操作参数和结构参数提供理论依据，并 为以后的智能控制提供参考依据。 2 4 本章小结 对湖南长江铜业有限公司再生铜反射炉系统进行了热工综合测试，并进行了 物质与能量衡算，其结果表明： 1 ) 主要热损失发生在出炉烟气带走热和炉门逸出热，两项总和占到了热支 出的8 1 7 7 ，其中烟气带走热量较大； 2 ) 炉体表面散热较小，减少了反射炉的热损失； 3 ) 过剩空气系数偏高，降低了反射炉的热效率； 4 ) 出炉烟气中含有c o ，炉内燃烧组织较差。 1 9 中南火学硕士学位论文第三章反射炉内多场耦合数学模型及其求解方法 第三章反射炉内多场耦合数学模型及其求解方法 再生铜反射炉内的热工过程是燃烧的湍流流动与传热过程，描述其过程的数 学模型主要包括基本守恒方程、湍流、辐射等，这些模型之间相互耦合。本章主 要介绍其模型与算法。 3 1 基本守恒方程 质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学组分守恒是反射炉内热工过程必须 遵循的基本规律，与之相对应的方程如下【5 l 】： 1 ) 连续性方程 任意控制体内质量的增加率等于从外界进入体系的净质量流率，是物质不灭 定律的体现。其张量形式为： 等+ 丢( 刚- o ( 3 1 ) 2 ) 动量守恒方程 单位体积流体某方向动量的增加率等于该方向动量的净流入率与作用于它 的该方向外力之和，是牛顿第二定律在流体力学中的应用。其张量形式为： 昙( 州+ 丢( 晔) = 毒弓+ g ：厂z ( 3 - 2 ) 式中毒弓= 苦( 辔 - 筹+ 毒( 等) - 詈毒( 考 其中为粘性系数，只是表面力矢量，包括静压力和流体粘性压力。岛是 作用于单位体积流体的i 方向的体积力，z 是作用于单位体积流体的反方向的阻 力。 动量方程中体现表面力作用的项弓分为三个部分：压力梯度项、扩散项 u x j 和其余部分。 3 ) 能量守恒方程 单位体积流体内总能量的增加率等于滞止焓净进入率与外界对体积的传热 率和做功率之和，是热力学第一定律在流体力学中的应用。其张量形式为： 昙c p 哪+ 毒c 罔2 毒卜考日j + 害+ 纰+ 绋 c 3 q 2 0 中南大学硕士学位论文 第三章反射炉内多场耦合数学模犁及其求解方法 式中日是包括动能的总热焓，它由静态热焓h 的表达式给出：。 日= h + 寻“2 = r q ( 丁) d r 一pq ( 丁) + 了1 舢( 3 - 4 ) 和g 分别为辐射与化学反应热源项，l 表示热交换系数，其定义为： r = 子 ( 3 - 5 ) 乙p 为参考温度，以为有效热导率，c 口为定压比热。 4 ) 化学组分守恒方程 单位体积内某种化学组分质量的增加率等于由对流和扩散引起的净增率与 其化学反应生成率之和。其张量形式为： 等- i - 若c p u ，他，2 苦卜专m s j + r c 3 石， 式中r 。为组分s 的交换系数，r 。为组分s 由于化学反应引起的产生或消耗率。 为使上述方程封闭，引入理想气体状态方程：p = 艘t 为了便于分析，对反射炉内的热工过程做以下简化： 1 ) 由于研究的是反射炉内加热过程，助燃空气和煤气的流量基本恒定，故 炉内热工过程视为稳态过程； 2 ) 炉底的散热相对较小，可忽略炉底的散热，认为炉底是绝热的； 3 ) 炉内混合气体的定压比热依赖于每种物质的比热和组分浓度。 因此，描述反射炉内热工过程的基本守恒方程表示下述通式： v ( 刎多) = v ( k v 西) + & ( 3 7 ) 式中，& 代表源项，当诹l 并且扩散系数与源项为0 时，方程就变成了连 续性方程；当q ) = - u 和时，方程就变成了动量和能量方程；当参后和甜，方 程相应转化为加双方程；当q ) = - m s 时，方程相应转化为化学组分守恒方程。 3 2 反射炉内多场耦合类型 反射炉内的热工过程是气相燃烧的湍流流动与传热过程，其中涉及了流场、 温度场、浓度场和燃烧释热场，这四场之间相互耦合，范围上属于相内耦合。 由式( 3 - 2 ) ( 3 - 6 ) 可以看出：烟气流速在能量方程中不仅直接影响烟气 中的温度分布也将影响湍流热扩散系数，也就是烟气流速将通过热扩散系数影响 烟气内热量传输与温度分布；烟气流速在化学组分方程中直接影响化学组分的净 增率进而影响化学反应速率，在耦合形式上属显性耦合。式( 3 - 2 ) 中的有效运 动粘度在烟气湍流流动中以湍动能的方式直接影响湍流热扩散系数，因此湍动 2 l 图3 - 1 四场耦合模式 根据耦合机理分类还可分为线性耦合和脉动耦合，这罩不再详细讨论。 3 3 湍流模型 目前的湍流数值模拟方法可以分为直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， 简称d n s ) 方法和非直接模拟方法【5 2 】。由于直接模拟对计算机内存空间和计算 速度要求较高，目前还没有在工程领域广泛应用。非直接模拟包括大涡模拟方法 ( l e s ) 、统计平均法和r e y n o l d s 平均法( r a n s ) 。统计平均法是基于湍流相关函数 的统计理论，用相关函数及谱分析的方法来研究湍流结构，主要涉及小尺度涡的 运动。在工程上应用不是很广泛。而大涡模拟方法( l e s ) 的基本思想是：用瞬时 的n s 方程直接模拟大尺度涡，小尺度涡通过亚网格尺度模型建立与大尺度涡 的关系对其模拟，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。该模型是目前 c f d 研究和应用的热点之一，但直接应用于工程研究还有一定距离。而r e y n o l d s 平均法的核心是不直接求解瞬时的n s 方程，而是想办法求解时均化的 r e y n o l d s 方程。该方法不仅避免了d n s 方法的计算量大的问题，而且对工程应 用可以取得很好的效果。因而r e y n o l d s 平均法是目前使用最广泛的湍流数值模 拟方法【5 2 】。 根据对r e y n o l d s 应力做出的假设或处理方法不同，目前常用的湍流模型有 两大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。所谓r e y n o l d s 应力模型，就是直接构 建表示r e y n o l d s 应力的方程，然后联立求解守恒方程和建立的r e y n o l d s 应力方 程。一般情况下，r e y n o l d s 应力方程是微分形式的，称为r e y n o l d s 应力方程模 型；将r e y n o l d s 应力方程的微分形式简化为代数方程形式的模型，称为代数应 力方程模型。在这几种模型中，涡粘模型应用更为广泛。 中南人学硕士学位论文第三章反射炉内多场耦合数学模型及其求解方法 在涡粘模型中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入湍流粘度，然后把 湍流应力表示成湍流粘度的函数，整个计算的关键在于确定这种湍流粘度。 b o s s i n e s q 受湍流涡团脉动分子热运动的启发，用均流场速度梯度与一个系 数的乘积模拟雷诺应力，即： 矿一砑氆针子h ，孙 p 8 ， 一可丐a ti 卜0 4 刊p 9 ， 式中鸬为湍动粘度，吩为时均速度，名是“k r o n e c k e rd e l t a ”符号( 当i = j 时，磊= 1 ；当i # j 时，磊= o ) 。其中= i ，h 。 依据确定湍流粘度，的微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型、 一方程模型和两方程模型【5 。 1 ) 零方程模型 所谓零方程模型是指不使用微分方程而是用代数关系式把湍流粘度和时均 值联系起来的模型。最著名的是p r a n d t l 提出的混合长度模型，其表达式为： 胪以2 协0 u j - + 剖 ( 3 - l o ) 其中混合长度l m 由经验公式或实验确定。 该模型的优点是直观简单，不需要附加湍流特性的微分方程，因而适用于简 单流动。但是该模型有一显著缺点，按照该模型在i a u 酬：0 处必然有湍流粘性 为零，或者剪力、热流、扩散流均为零，这不符合实际，而且对于复杂流动则很 难确定混合长度。 2 ) 一方程模型 湍流脉动是一种能量，是整体动能的一部分，因而服从一般输运守恒定理， 即对流、扩散、产生和耗散。为了解决零方程模型的局限性，k o l m o g o r o v 和p r a n d t l 提出了一方程模型。其表达式为： 以= p c a 4 k l ( 3 - 1 1 ) 湍动能k 的输运方程为： 掣+ 掣= 毒陋+ 箦 詈 + 鸬( 等- 0 豇u j ，a i u i 一心。孚。3 也， 其中o r ，c o ，c a 为经验常数，建议值分别是：c o = 0 0 8 0 3 8 ，吒= 1 ， c 。= 0 0 9 ；，为湍流脉动长度尺度，对于充分发展的管流l = 0 0 7 l ，l 为水力直径。 3 ) 两方程模型 南人学硕十学位论文 第三章反射炉内多场耦合数学模型及其求解方法 两方程模型是在一方程模型的基础上发展起来的，它将湍流长度尺度，也视 微分方程的因变量，目前两方程模型在工程中使用最为广泛、最基本的两方程 型是标准的k s 模型，此外还有改进的k 一占模型，比较著名的有r n g k s 模 和r e a l i z a b l e k 一占模型。 在关于湍动能后的方程的基础上，再引入一个关于湍动能耗散率s 的方程， 形成了七一占两方程模型，成为标准七一占模型( s t a n d a r d x 一占m o d e l ) 。该模型是 由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的。模型本身具有的稳定性、经济性和比 较高的计算精度使之成为湍流模型中应用范围最广、也最为人熟知的一个模型。 标准k 一占模型通过求解湍流动能( k ) 方程和湍流耗散率( s ) 方程，得到k 和 占的解，然后再用k 和占的值计算湍流粘度，最终通过b o u s s i n e s q 假设得到 雷诺应力的解。 本文研究在计算湍流时可以选用标准七一占模型，这样在保证计算精度的同 时可节省计算机资源，加快计算收敛速度。 3 4 组分传输模型 组分传输模型用于对化学组分的输运和燃烧等化学反应进行模拟。常用的组 分模型有s p e c i e st r a n s p o r tm o d e l ( 通用有限速率模型) 、n o n p r e m i x e dc o m b u s t i o n m o d e l ( 非预混燃烧模型) 、p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 预混燃烧模型) 、p a r t i a l l y p r e m i x e dc o m b u s t i o nm o d e l ( 部分预混燃烧模型) 和c o m p o s i t i o np d ft r a n s p o r t m o d e l ( 组分p d f 输运模型) 1 5 3 】。 反射炉内热工过程涉及化学反应、混合过程，所以采用s p e c i e st r a n s p o r t m o d e l ( 通用有限速率模型) ，它是建立在对组分输运方程的解的基础上，同时采 用了化学反应机制。该模型的关键是求解以源项的形式出现在组分输运方程中的 反应速率。 1 ) 化学反应 在本文数值模拟研究中，再生铜反射炉的燃料是由煤气发生炉产生的煤气， 其组分( 体积百分数) 如表2 。3 。 主要化学反应式如下： 2co+02-2c02(r3-1) 2h2+022h20(r3-2) ch4+202一c02+2h2