堆浸鈾鉬礦料倉加熱過程數值模擬分析研究

劉 衛，雷澤勇，鄧 健，雷 林，鐘 林

（南華大學，湖南 衡陽421001）

堆浸鈾鉬礦料倉加熱過程數值模擬分析研究

劉 衛，雷澤勇，鄧 健，雷 林，鐘 林

（南華大學，湖南 衡陽421001）

鈾鉬礦石在粉碎、拌酸后需要在料倉中加熱至85℃，以便提高鈾鉬金屬元素的浸出效率和回收率。對堆浸鈾鉬礦加熱系統進行研究，利用ANSYS Workbench中的design modeler建立三維模型，并用ICEM CFD軟件對其進行網格劃分，在計算流體動力學軟件FLUENT中采用多孔介質模型對礦石顆粒加熱過程中的溫度場均勻性和速度場分布進行非穩態數值模擬，分析了料倉中溫度上升過程和分布情況。

鈾鉬礦；多孔介質；數值模擬；溫度場

0 引言

礦石堆浸浸出[1]是指在適宜的位置中對礦石進行筑堆，利用一定的布液方式將相應的溶浸液浸入到礦堆中，從而使溶浸液在礦堆的滲濾作用下可以對浸出的成分進行針對性的選擇，之后收集再浸堆底部收集流出的富液，最后依靠萃取法回收其中的目標金屬。目前我國很多礦石處理技術存在浸出效率低以及生產周期長的缺點，因而有效提高礦石的浸出效率成為探索的重點。堆浸鈾鉬礦加熱系統是往裝有鈾鉬礦石的料倉四周通入溫度為100℃的蒸氣，通過蒸氣加熱礦石顆粒達到溫度85℃.采用Fluent軟件對加熱系統進行數值模擬，可以直觀地了解料倉內部溫度的分布和把握加熱的時間，節省試驗費用和燃料成本，降低工人勞動強度。

1 建立幾何模型

加熱料倉二維圖如圖1所示，三維圖如圖2所示。上部是邊長為1m的正方體，每個面分布有6個進氣口，下部是漏斗狀的出液口，每個面分布有1個出氣口，進氣和出氣口的直徑都是100 mm，正方體上每個面上的進氣口距離料倉橫向邊的距離都為300 mm，距離料倉縱向邊的距離都為250 mm，且進氣口之間的縱向距離均為250 mm，出氣口布置在對稱軸上，離料倉底部的距離為250 mm.

圖1 加熱料倉二維圖

圖2 加熱料倉三維圖

2 多孔介質模型

當100℃的水蒸氣流經礦石顆粒區域時，與礦石顆粒之間進行換熱，礦石顆粒在此同時對氣流有阻礙作用。針對這種離散的、帶有一定孔隙率的物料可以使用多孔介質模型[2]來進行數值模擬礦石顆粒與氣流的阻力和熱交換現象。

利用多孔介質進行數值模擬的過程中，多孔介質的模型在動量方程上疊加一個代表動量消耗的動量源項[3]，該動量源項由2個部分組成，即粘性阻力項和慣性阻力項。對于簡單的、均勻的多孔介質，動量源項可以由下式表達：

式中，μ是粘度；1/α是粘性阻力參數，用D表示；C2是慣性阻力系數；是速度矢量大小。粘性阻力系數D和慣性阻力系數C2與顆粒平均粒徑和多孔介質區域內的孔隙率有關。這兩個參數可以由以下公式[4]計算得到：

式中，DP是顆粒的平均直徑（m），ε是顆粒的孔隙率。

由于料倉內的氣體流動和礦石顆粒之間的傳熱過程十分復雜，為了便于對礦石顆粒進行數值模擬研究，對料倉內礦石顆粒的加熱過程進行的簡化和假設如下：1）礦石顆粒為均勻理想化的球形顆粒；2）料倉的壁面全部為絕熱壁面，不參與換熱；3）主要考慮水蒸氣與礦石顆粒之間的換熱，不考慮輻射換熱和其他的換熱，且顆粒之間的溫度均勻分布，沒有溫度梯度；4）假設進口空氣為理想氣體，空氣溫度恒定。

基于以上假設，礦石顆粒與水蒸氣之間的熱交換過程遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒三大定律，并認為水蒸氣與礦石顆粒之間的換熱處于熱平衡狀態，因此可用三大方程來進行相應的數學描述，方程組表示為以下形式[5-6]：

上面式中，ρ是密度，t是時間，u→是速度矢量，u、v是速度矢量u→在x、y方向上的分量，μ是動力粘度，p是壓力，Su、Sv是動量方程中的源項，T 是溫度，CP是比熱容，k是流體的傳熱系數，ST是粘性耗散項。

3 數值模擬

3.1 網格劃分

根據上述三維幾何模型，在ANSYS ICEM CFD軟件中運用非結構化方法劃分網格，總體的網格數目為2 223 095個，節點數為373 633個，網格質量均在0.35以上，如圖3所示。并在ICEM中設置入口和出口及多孔介質區域。

3.2 流體區域條件設置

在Fluent計算之前，對流體區域進行設置，流體區域的初始條件為：礦石顆粒的初始溫度為298 K，且礦石顆粒均勻，粒徑均為10 mm，孔隙率為0.3，礦石顆粒密度為1 600 kg/m3，比熱容為90 J/（kg·k），導熱系數為0.65 W/（m·k）；設置入口為速度入口，入口速度為10 m/s，壓力為1 000 Pa，溫度為373 K，設置出口使用壓力出口，大小為零壓，溫度為358 K.根據公式（1）計算多孔介質區域的粘性阻力系數為2.72×107（1/m2）和慣性阻力系數為1.1×104（1/m）.

3.3 數值模擬結果及分析

在Fluent中對模型求解控制參數進行設置：選擇湍流中的k-epsilon模型進行求解，打開能量方程，使用simple算法處理速度和壓力之間的耦合，能量方程收斂殘差標準均為10～6，時間步長取0.05 s，選擇出口作為溫度監測面。初始化之后采用patch設置礦石區域的溫度為298 K.研究比較加熱過程各時間段溫度場分布情況，網格及質量圖如圖3所示。

圖3 網格及質量圖

圖4 和圖5為加熱時間1 900 s時縱向和中間截面的溫度分布云圖，此時出口的溫度為303 K.

圖4 t=1 900s時縱向溫度分布云圖

圖5 t=1 900 s時中間截面溫度分布云圖

圖6 和圖7為加熱時間4 500 s時縱向和中間截面的溫度分布云圖，此時出口的溫度為323 K.圖8和圖9為加熱時間10 900 s的溫度分布云圖，此時出口溫度為385 K，從云圖可以看出此時料倉的溫度都達到了385 K.圖10和圖11為溫度達到385 K時料倉內速度分布云圖。

圖6 t=4 500 s時縱向溫度分布云圖

圖7 t=4 500 s時中間截面溫度分布云圖

圖8 t=10 900 s時縱向溫度分布云圖

圖9 t=10 900 s時中間截面溫度分布云圖

圖10 溫度385K時縱向速度分布云圖

圖11 溫度385K時中間截面速度分布云圖

根據仿真計算結果，得到料倉加熱整個過程溫度隨時間的分布。加熱時間前1 900 s溫度上升比較慢，加熱到4 500 s時，溫度上升趨勢較明顯，直至到加熱達到要求的后半段，上升趨勢逐漸平緩。從圖4、圖6和圖8的縱向溫度分布云圖可以得到料倉四周的溫度逐漸向中間擴散，往出口呈梯度上升趨勢。從圖5、圖7和圖9的中間截面溫度分布云圖可以看出溫度從料倉四周逐漸上升向中間擴散，礦石顆粒吸熱，形成類似八邊形的中間區域，該區域逐漸減小，料倉內溫度上升。從圖10和圖11的速度分布云圖可以看出加熱氣體從料倉入口進入礦石區域，且在礦石區域內擴散，與礦石顆粒充分接觸，最終從出口流出。

4 結論

（1）對料倉內礦石顆粒采用多孔介質模型，通過計算流體動力學軟件FLUENT模擬仿真得到料倉內礦石顆粒溫度分布和氣流速度分布，直觀了解到料倉內加熱過程溫度擴散的變化情況。

（2）模擬計算結果表明：料倉內礦石顆粒加熱過程中，形成了內低外高的溫度梯度，內外溫度分布均勻性較差，因此，在料倉對礦石顆粒加熱過程中應充分考慮進氣口的布局，確保礦石均勻加熱。

[1]習 泳，吳愛祥，朱志根.礦石堆浸浸出率影響因素研究及其優化[J].礦業研究與開發，2005，25（05）：23-26.

[2]王文煜，劉星安，趙 魏，等.球團礦在鏈篦機中預熱過程的數值模擬[J].現代制造技術與裝備，2016（07）：91-92，94.

[3]李永玲，林其釗，馬培勇，等.內置多孔介質卷式反應器內甲烷富燃制氫的數值模擬[J].熱科學與技術，2010，9（02）：164-170.

[4]Fluent Inc.Fluent user’s guide[M].Lebanon，NH，USA，2006.

[5]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004：114-158.

[6]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001：47-48.

Numerical Simulation Analysis of Heating Process of Heap Leaching Uranium Molybdenum Mineral

LIU Wei，LEI Ze－yong，DENG Jian，LEI Lin，ZHONG Lin
（University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Uranium molybdenum ore needs to be heated to 85 degree in the silo after crushing and mixing acid，so as to improve the leaching efficiency and recovery rate of uranium molybdenum metal elements.This paper focuses on the research of heap leaching of uranium molybdenum heating system，the establishment of 3D mesh model and ICEM CFD software using ANSYS Workbench in design modeler，the computational fluid dynamics software FLUENT is adopted in the process of heating the ore particles in the temperature field and velocity field distribution uniformity of the porous medium model of non steady numerical simulation，analysis the process and distribution of temperature rise in the bunker.

uranium molybdenum ore；porous medium；numerical simulation；temperature field

TD406

A

1672-545X（2017）09-0037-04

2017-06-04

劉 衛（1990-），男，湖南衡陽人，碩士研究生，研究方向：鈾礦冶與核動力機械；雷澤勇（1962-），男，湖南衡陽人，教授，研究方向為鈾礦冶裝備與核動力機械。