仿真分析銅閃速吹煉過程顆粒行為

郎立杰

（中鋁東南銅業(yè)有限公司，福建 寧德 352106）

銅精礦在完成閃速吹煉過程中，由于受到顱內(nèi)較為復(fù)雜的冶金工序過程影響，有必要將閃速爐的工藝控制提供參考，研究銅閃速吹煉過程中的顆粒行為[1]。當(dāng)前已有研究者在Fluent軟件基礎(chǔ)之上仿真閃速熔煉過程[2]。本次研究展開模擬給定工藝條件下的顆粒運(yùn)動(dòng)行為，研究速度、軌跡、溫度、氧化、存活時(shí)間及沉淀情況。

1 建立計(jì)算模型

在本次研究中主要采用了P-1輻射模型、組分傳輸模型、標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型、離散相模型、能量方程，借此諸多模型基礎(chǔ)之上，設(shè)定銅精礦顆粒參與至本次研究化學(xué)反應(yīng)的屬性，并且在前人研究基礎(chǔ)之上二次開發(fā)Fluent[3]。

1.1 工藝條件

在銅閃速吹煉的過程中，主要是物質(zhì)間完成的高強(qiáng)度且復(fù)雜化的傳熱傳質(zhì)過程，為了能夠?qū)⒆罱K計(jì)算結(jié)果匹配于Fluent軟件，對研究中的計(jì)算量加以降低，需要簡化精礦。在前期簡化處理之后得到工況為[4]：投料量179t/h、工藝氧34365m3/h、中央氧1660m3/h、分布風(fēng)2050m3/h、工藝風(fēng)15500m3/h。精礦的成分如下：Fe、SiO2、Cu、S及其他，分別為26.09、7.58、27.69、30.05、8.64。178t/h的投料量作為熔劑、精礦以及煙灰類混合物，通過以銅精礦的具體元素分布狀況，經(jīng)過計(jì)算之后所得物相組成如下：CuFeS2、FeS2、SiO2、其他分別為67.365、3.178、14.993、0.612。

1.2 計(jì)算網(wǎng)格

在本次仿真實(shí)驗(yàn)中為了能夠提升最終計(jì)算結(jié)果的精確度及穩(wěn)定性，主要采用網(wǎng)格均為多區(qū)域劃分，科學(xué)規(guī)范區(qū)分調(diào)整網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)分布、光滑性、單元格的歪斜角度及具體形狀，從而有效提升整體數(shù)值解的精準(zhǔn)度。

2 顆粒在流場內(nèi)分布情況及具體行為仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顆粒存留時(shí)間

在銅精礦處于反應(yīng)塔內(nèi)，所得平均顆粒存留時(shí)長是0.8s，其中最長的是2.7s。由于受到湍流漩渦引發(fā)影響，在部分顆粒會(huì)隨著漩渦不斷運(yùn)動(dòng)，存在較長時(shí)間，使得顆粒并未以較快運(yùn)動(dòng)速率下落至沉淀池內(nèi)。只有極少部分顆粒隨著煙氣拍出，同樣存留時(shí)間較長。整體來講絕大多數(shù)的顆粒均能夠保證在1s之內(nèi)快速下落至沉淀池內(nèi)部。

2.2 閃速吹煉過程中顆粒分布

作為銅精礦顆粒的直徑不同，具體平均運(yùn)動(dòng)速度的變化曲線，經(jīng)由該圖可以發(fā)現(xiàn)不同的顆粒直徑，能夠在與反應(yīng)塔的塔頂之間距離間隔1.5m～2.5m范圍之內(nèi)，由最初的靜止化狀態(tài)，快速到達(dá)至高點(diǎn)。但是受到其他阻力的影響，導(dǎo)致不斷降低運(yùn)動(dòng)速度。而直徑的大小更是直接影響顆粒的下降速度，越小則越快，降落至沉淀池液面區(qū)域內(nèi)的速度，同樣會(huì)受到顆粒直徑大小的影響，兩者呈正相關(guān)，最終顆粒降落至沉淀池內(nèi)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)處于20μm顆粒會(huì)受到較大漩渦影響。

可以發(fā)現(xiàn)由噴最終噴出的銅精礦顆粒，會(huì)在不斷發(fā)生下降的過程中，逐漸與反應(yīng)塔的中心產(chǎn)生偏離，具體分布形狀以傘狀為主。由于分散風(fēng)對顆粒的下降分布造成影響，且顆粒的力度大小直接影響偏移程度，在反應(yīng)塔上方4m這一區(qū)域，顆粒的偏移塔中心相應(yīng)距離，會(huì)隨著顆粒的不同直徑改變而隨之改變，呈正相關(guān)。在沉淀池的頁面上方，會(huì)受到氣流產(chǎn)生漩渦以及其流體所在區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)張影響，部分小顆粒同樣會(huì)隨著氣流的不同運(yùn)動(dòng)方向，迅速偏移至反應(yīng)塔的中心。

2.3 顆粒在沉淀池液面分布

可以發(fā)現(xiàn)隨著銅精礦的顆粒直徑變動(dòng)，直接影響了顆粒在沉淀池液面，距離反應(yīng)塔中心的偏離平均距離，隨著直徑增大該距離逐漸減小，兩者呈負(fù)相關(guān)。其中經(jīng)本次研究發(fā)現(xiàn)處于20μm、30μm、40μm、80μm、120μm時(shí)，顆粒與反應(yīng)塔中心偏離分布的距離分別是0.98m、0.748m、0.72m、0.69m、0.65m。

2.4 顆粒氧化情況

噴嘴將銅精礦噴入至反應(yīng)塔內(nèi)部，之后會(huì)比較迅速的產(chǎn)生氧化反應(yīng)，生成了FeS及Cu2S。可以根據(jù)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的運(yùn)行軌跡，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的精礦距離塔頂在2m范圍之內(nèi)完全反應(yīng)，存在極少數(shù)精礦處于距離塔頂3m距離完全消耗。由于氧氣在反應(yīng)塔的中心區(qū)域基本已經(jīng)完全消耗，僅僅存在少量銅精礦并未發(fā)生氧化因而生料。除此之外在這一區(qū)域仍然存在較低氧氣濃度，中心區(qū)域僅僅只有6%～10%FeS并未被完全消耗。

2.5 顆粒溫度變化

（見圖1）作為顆粒溫度的主要分布示意圖，可以發(fā)現(xiàn)處于反應(yīng)塔內(nèi)部的顆粒溫度及流體基本保持一致性，出與反應(yīng)塔噴嘴的下方，精礦顆粒會(huì)出現(xiàn)快速的強(qiáng)氧化反應(yīng)，釋放出大量熱能，導(dǎo)致快速提升溫度形成小范圍高溫區(qū)域。處于這一區(qū)域內(nèi)反應(yīng)絕大多數(shù)顆粒呈渣，后產(chǎn)生造渣反應(yīng)的吸熱過程迅速降低了區(qū)域溫度。

圖1 顆粒溫度圖

3 結(jié)語

經(jīng)本次研究發(fā)現(xiàn)精礦顆粒進(jìn)入至反應(yīng)塔內(nèi)平均存留時(shí)間較短，并未偏離反應(yīng)塔的中央，閃速熔爐內(nèi)部顆粒溫度，會(huì)受到顆粒直徑影響，粒度大小及溫度升降呈負(fù)相關(guān)，處于20μm顆粒會(huì)受到較大漩渦影響，容易隨著煙氣排出。