劉 磊 柳俊杰 丁 博

(大冶有色金屬集團控股有限公司冶煉廠,湖北 黃石 435005)

0 前言

澳斯麥特爐(以下簡稱“澳爐”)熔煉技術(shù)的主要特點是富氧頂吹熔煉。由于這個工藝特點,精礦進料量和進風(fēng)量較大,同時為了減少噴濺熔體進入煙道,設(shè)計了一個長達34.9 m 的垂直煙道。建爐至今,澳爐煙道結(jié)焦一直是生產(chǎn)工藝中比較突出的問題,影響較大,如降低熱交換效率,影響收塵效果。結(jié)焦只能由人工清理,存在難度大、環(huán)境惡劣、勞動強度大等問題。

如對澳爐煙道進行優(yōu)化,需花費較大改造成本和較長的時間,因此難以在實際中進行優(yōu)化試驗。有限元仿真成本低,周期短,十分契合澳爐煙道改進需要。首先,對煙道內(nèi)的煙氣進行有限元仿真,有助于提高冶化生產(chǎn)水平;仿真模型可以令冶金技術(shù)人員更直觀地掌握煙道內(nèi)的實際狀態(tài),在一定程度上實現(xiàn)對煙道內(nèi)煙氣的定量和定性分析,對前后工藝的優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用。然后,通過對煙道優(yōu)化方案進行初步驗證,嘗試尋找主要煙道結(jié)構(gòu)的改進方向。

綜上所述,對澳爐煙道進行有限元仿真非常有必要,是掌握煙氣變化過程、預(yù)測工藝參數(shù),乃至優(yōu)化、創(chuàng)新煙道所需的基礎(chǔ)研究工作之一。

1 澳爐煙道主要結(jié)構(gòu)及煙氣特性

1.1 煙道的主要結(jié)構(gòu)

澳爐煙道的主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。冶煉產(chǎn)生的煙氣從入口進入煙道,往上是長達34.9 m 的上升煙道(相應(yīng)部分標高如圖1 所示,從入口29.1 m 標高到爐頂64.0 m 標高),再經(jīng)過長約10 m 的水平段后,接著經(jīng)過40.0 m 長的下降煙道,最后從出口進入電收塵器中。垂直煙道的正下方是清灰、排灰的煙斗,煙斗在正常生產(chǎn)時為關(guān)閉狀態(tài),故煙道的煙氣流動為一進一出形式。澳爐煙道全程的寬度基本一致。

煙道內(nèi)壁為澳爐余熱鍋爐水冷壁,循環(huán)水通過高溫?zé)煔鈸Q熱產(chǎn)生飽和蒸汽,設(shè)定溫度不超過35 ℃。

1.2 冶煉煙氣特性

煙道內(nèi)煙氣包括澳爐冶煉產(chǎn)生的大量煙氣和內(nèi)含多種物質(zhì)的混合固體小顆粒[1]。煙氣的主要成分是SO2、N2、CO2、H2O;固體小顆粒的主要成分包括礦料中低熔點的物質(zhì)(如S、Pb、Zn、As 等)與氧氣反應(yīng)形成的氧化物,以及精礦的小顆粒、鐵的氧化物等。由于上述顆粒成分復(fù)雜且熔點、沸點差異較大,且煙氣溫度隨煙氣在煙道內(nèi)流動逐步下降,不斷有熔融態(tài)物質(zhì)顆粒凝固粘接到煙道內(nèi)壁上,日積月累,導(dǎo)致了煙道結(jié)焦現(xiàn)象[2-3]。

圖1 澳爐煙道的主要結(jié)構(gòu)

2 澳爐煙道建模及有限元仿真

2.1 澳爐煙道三維建模

根據(jù)煙道特性,理想化內(nèi)壁為平面,煙道近似為寬度不變的長方體管道,對煙道內(nèi)煙氣流體進行三維仿真,并與煙道實際狀態(tài)進行對比分析。

利用ANSYS17.0 對煙道整體進行三維建模,模型如圖2 所示。

圖2 澳爐煙道三維模型

2.2 工況與邊界條件

工況為澳爐正常生產(chǎn)時狀態(tài),根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)計算結(jié)果,煙道入口的氣體流量約為70 000 m3/h,煙氣溫度約為1 200 ℃[4]。

根據(jù)前人的研究[5-6],澳爐水冷壁的傳熱系數(shù)預(yù)計為0～200 W/m2·℃。經(jīng)比較分析,認為175 W/m2·℃較為合適。

為了盡量保證仿真的準確性,并簡化、理想化煙氣模型,仿真時認為:1)煙氣為不可壓縮的粘性流體;2)固體小顆粒均勻,體積較小,相互作用可忽略;3)煙氣中固相與流體相相互交融、滲透,具有相同的整體速度(相當于煙氣帶著小顆粒一齊運動),故忽略固體小顆粒的運動,只考慮煙氣的運動;4)煙道內(nèi)壁(水冷壁)與煙氣的傳熱是均勻的,且流動與傳熱都是一個穩(wěn)態(tài)過程。煙氣的主要參數(shù)見表1。

表1 煙氣特性參數(shù)

2.3 有限元仿真計算及分析

2.3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)煙道的結(jié)構(gòu)和載荷特性,對三維模型進行網(wǎng)格劃分。

將SolidWorks 建好的模型導(dǎo)入ANSYS 中,并對煙道進行Fill 操作,提取出煙道模型,然后進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為50 mm。最終網(wǎng)格數(shù)為1 865 950,節(jié)點數(shù)為334 952,網(wǎng)格劃分局部效果如圖3 所示。

圖3 三維模型網(wǎng)格劃分局部效果

2.3.2 計算結(jié)果及分析

煙氣的速度矢量云圖與溫度云圖如圖4、圖5所示。

進口煙氣速度和出口煙氣速度分別為1.29 m/s 和0.51 m/s,煙氣流速下降了60.5%,最大流速為2.06 m/s,出現(xiàn)在煙道頂部;進口煙氣溫度和出口煙氣溫度分別為1 200 ℃和273.54 ℃。

圖4 速度矢量云圖

為更直觀地掌握煙氣流動和三維煙道模型內(nèi)部的溫度變化情況,抽取了三維煙氣流動線路圖和溫度云圖,如圖6 和圖7 所示。

煙氣在上升煙道、下降煙道內(nèi)基本為層流,在斜坡段與靠近出口底部灰斗附近沒有產(chǎn)生明顯渦流。

圖5 溫度云圖

圖6 煙氣流動線路圖

由圖7 可知,上升煙道前24 m 流體中心的煙氣溫度較高,為1 140 ℃;煙道內(nèi)從入口至水平段靠近水冷壁區(qū)域,煙氣溫度穩(wěn)步下降;經(jīng)過斜面后,中心煙氣溫度會降至768 ℃左右;在下降煙道段,煙氣溫度下降放緩;到出口附近,平均溫度才下降至273 ℃左右。

圖7 截面溫度云圖

3 澳爐煙道模型驗證

通過在系統(tǒng)檢修期間觀察煙道內(nèi)的結(jié)焦情況分析煙氣流體的流動并驗證仿真模型。

2018 年澳爐停爐大修期間,從61.9 m 標高的人孔往下和斜坡段底部、頂部的煙道照片如圖8所示,這三個部位對應(yīng)三維模型的位置如圖9所示。

圖8 煙道照片

由圖8 和圖9 可知,煙道打開部分已經(jīng)完成清焦,再往下部分還未清焦,很明顯煙道水冷壁直角區(qū)域較容易生成結(jié)焦塊,且左上和右下直角區(qū)域(圖8(a)圓圈部位,對應(yīng)圖9 煙道左部上升段直角部位)結(jié)焦塊較大,水冷壁中部結(jié)焦層薄且小,這符合煙道流體中心流速快、溫度高,四角流體流速慢、溫度低的特點。據(jù)現(xiàn)場清焦工人的反饋,煙道西南角(圖9左上標注)出現(xiàn)大塊的結(jié)焦塊,說明上升煙道頂部煙氣溫度較低,流速慢。從斜坡段頂部狀態(tài)看(圖8(c)、圖9 右上標注),斜坡頂端與兩側(cè)煙道連接面出現(xiàn)較大焦塊,說明煙氣溫度較低,且流速相對較慢。

綜合所述,三維仿真模型比較符合實際,可靠性得到驗證。

4 仿真模型流體狀態(tài)應(yīng)用淺析

仿真模型在工藝方面的重要應(yīng)用就是對煙氣狀態(tài)進行預(yù)測,本文從煙氣溫度和壓力兩個方面進行預(yù)測和分析。

圖9 對應(yīng)三維模型部位

為了更直觀了解煙氣溫度的變化,由三維仿真模型得到煙氣等溫面,如圖10 所示。在圖10中,從左至右分別是1 200 ℃到300 ℃的等溫面。從圖10 可看出,煙氣“翻越”水平段后,煙氣中心溫度為800～900 ℃,斜坡段旋渦處煙氣溫度為300～400 ℃。由圖10 最右側(cè)300 ℃等溫面可以看出,從上煙道升段10 m 處到出口靠近水冷壁區(qū)域,大部分煙氣溫度為300 ℃左右,這說明水冷壁整體換熱效率較好。

圖10 等溫面展示圖

煙道壓力云圖如圖11 所示。由圖11 可知,出口負壓為200 Pa,左側(cè)整個上升煙道的壓力損失約為10%,右側(cè)下降煙道負壓為199.9 Pa,壓力損失可忽略,斜坡段中心旋渦的負壓有所增加,雖然增加量很少,卻有利于煙氣在水平段的過渡。壓力損失較為嚴重的區(qū)域為水平段兩個直角區(qū)域,對應(yīng)實際煙道的南、北角,這兩個區(qū)域的壓力損失分別達到14%和12%。壓力損失大,不利于煙氣順暢流動。結(jié)合圖4,發(fā)現(xiàn)流體速率下降嚴重,為結(jié)焦塊的生成提供了便利條件。這種情況與實際結(jié)果相符,間接驗證了仿真模型。

圖11 壓力云圖

5 煙道優(yōu)化模型及仿真

5.1 煙道優(yōu)化

根據(jù)上述澳爐煙道的分析結(jié)果,在盡量不作大范圍改動情況下,從煙氣流動情況及水冷壁的換熱效率兩個方面將煙道主要結(jié)構(gòu)進行一定程度的優(yōu)化。改進包括以下三個地方,如圖12 中圓圈所示:1)左側(cè)上升煙道增加1%開口度;2)煙道頂部南北即水平段前后端增加兩個45°傾角,側(cè)邊長度為1 950 mm;3)將下灰斗整體上移4 000 mm。

圖12 煙道優(yōu)化部位示意圖

5.2 優(yōu)化后煙道模擬仿真

經(jīng)過SolidWorks 建模和ANSYS 軟件仿真后,優(yōu)化后煙道的煙氣速度矢量云圖、溫度云圖及壓力云圖如圖13 所示。

圖13 優(yōu)化后煙道的煙氣流動線路圖、溫度云圖及壓力云圖

將圖13 與圖6、圖7、圖11 進行對比,可以看出:

1)煙氣流速有較大變化。優(yōu)化后煙氣最大流速從2.06 m/s 提高到2.795 m/s,增幅達35.7%;煙道優(yōu)化后出口煙氣平均流速從0.51 m/s 增至1.1 m/s,增幅達115.7%。整個煙道內(nèi)基本為層流。

2)煙氣總體溫度變化大。煙道優(yōu)化后出口煙氣溫度最高可以達到1 100 ℃,平均溫度為700～800 ℃,為優(yōu)化前273.54 ℃的2.56～2.92 倍。

3)煙氣壓力總體情況類似。最大負壓點仍然在煙道頂部南側(cè),從197.2 Pa 增加到198 Pa,增幅不到1 Pa,最低壓力仍為202 Pa。煙道水平段的南角、北角改為45°傾角后,規(guī)避了壓力損失。

從煙道入口至出口,煙氣中心溫度仍超過1 000 ℃,沒有明顯下降,與圖7 的煙氣中心溫度從1 200 ℃逐步下降到273.54 ℃的情況相比,有明顯區(qū)別,這說明煙氣流速過快,換熱時間不夠長。煙氣溫度高將會對后續(xù)電收塵系統(tǒng)造成巨大影響,極大縮短電場內(nèi)部原件的壽命,因而后期電收塵系統(tǒng)故障會較多;但煙氣流速快可大幅減少結(jié)焦的產(chǎn)生。最后,關(guān)于提高換熱效率,可通過增加煙道總體長度來增加換熱時間,這需要的改造費用巨大。因此,可以通過降低電收塵對煙道的負壓來降低煙氣的流速。

6 結(jié)束語

利用SolidWorks 建模和ANSYS 有限元仿真分析對澳爐煙道正常工況下的煙氣流動進行仿真,得到煙道內(nèi)流體的三維仿真模型,同時將其與煙道實際結(jié)焦情況進行對比,以驗證該模型的可靠性。結(jié)果表明仿真模型可在一定程度上對澳爐煙道煙氣流動過程進行模擬和計算分析。根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化煙道主要結(jié)構(gòu),并通過仿真預(yù)測改造后煙道流體流速、壓力、溫度三個方面的變化,為澳爐煙道改進提供一定理論基礎(chǔ)。

澳爐煙道的三維有限元仿真結(jié)果不僅有助于判斷和預(yù)測煙道流體的工藝參數(shù)、狀態(tài),對煙道本體的優(yōu)化和設(shè)計改進也具有積極意義。然而,仿真模型的不斷優(yōu)化仍需要更多的經(jīng)驗積累和特征條件數(shù)據(jù),這就要求不斷地觀測和更精確地測量,目前現(xiàn)場很多條件還不具備,有待未來解決。