富氧側吹爐氣相空間的數值仿真研究

張 嶺，陳 卓

(1.長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙，410011；2.中南大學，湖南 長沙，410083；3.湖南省再生金屬循環利用工程技術研究中心，湖南 長沙，410011)

富氧側吹技術在我國已較大規模的用在銅冶煉、鉛冶煉、固廢處理行業，是熔池熔煉的典型代表。富氧側吹爐在氣相空間設置了二次風，其目的是為了將爐氣中的可燃物在氣相空間繼續燃燒，以提高爐子整體的熱效率[1]。在二次風的使用過程中，由于風速以及位置的設計不合理，氣相空間經常出現爐結。爐結由二次風入口慢慢長大，直到兩側的爐結相連搭橋，直接影響爐子投料和爐內熱平衡，為生產帶來極大的安全隱患和不利因素。大塊的爐結難以清理，必須停爐操作，影響了富氧側吹爐的處理能力并增加了其生產運維人員操作的危險系數。所以，研究二次風對富氧側吹爐的氣相空間的影響，具有非常重要的現實意義[2]。

1 CSF技術建模

仿真模型總長9754mm，高5577mm；氣相空間和熔池交界處寬度為2200mm；二次風口直徑為80mm，基于中心面呈對稱分布，共計16個。選取的典型噴吹角度分布為0°、18°、30°。氣相空間上部和下部主要采用六面體網格填充，且在二次風口位置處同樣采用六面體網格；在保證網格平滑過渡的同時，為降低網格扭曲度，在中部區域采用四面體網格進行填充，網格總數共計1417440個。

圖1 富氧側吹爐二次風設計示意圖

2 仿真結果

2.1 基準煙氣速度分布

當二次風口處于對吹狀態時，兩側氣流離開風口后能夠對沖至爐子中部區域，風口處最大氣流速度能夠達到13.27m/s，沖抵至爐子中部時仍具有較高的速度。風口下部區域的兩個渦流較大，可能會對風口下部區域的爐壁造成沖刷。

2.2 基準煙氣溫度分布

在間隔開放二次風口對吹的形式下，二次風口能夠影響的橫向范圍相對較小；從溫度變化的趨勢來看，位于下料口區域的7、8兩個位置的二次風口對于氣相空間的溫度影響有限，煙氣溫度有回升的趨勢，但在煙道位置的二次風口能夠相對有效的降低煙氣溫度。

2.3 不同噴吹角度分析

二次風口向下傾斜的角度越大時，對二次風口下部的側墻沖刷會越嚴重。二次風口傾角越大，對其下部區域的溫度影響也就越大，該位置處溫度相對較低，但傾角為18°和30°時則無明顯差別。三種工況下速度變化趨勢基本相似，均是在二次風口開放的位置較大，其他位置處速度相對較小。溫度變化趨勢的規律不同，當二次風口處于水平對吹狀態時，Z3位置處的面平均溫度與相鄰位置基本相同，且Z2和Z3位置溫度遠高于其他兩種工況。

2.4 不同噴吹方式分析

即使截面上是單個風口噴吹，在其下方靠近爐墻區域位置處仍出現了兩個渦。錯吹和對吹時氣流下部區域的溫度差別明顯，但兩噴吹方式下上部區域溫度分布則無較大差別，說明噴吹方式對爐子氣相空間高度方向上的溫度分布影響不大。采用錯吹的方式后截面平均流速延爐長方向波動明顯減小，基本穩定在0.55m/s左右；錯吹時，溫度分布仍存在較大波動，在靠近下料口區域處截面平均溫度相對較高，基本在1300K左右；而在上升煙道區域截面平均溫度相對較低，維持在1150K左右，僅在端墻位置處有所升高。

圖2 基準工況下的速度分布

圖3 基準工況下的溫度分布

圖4 不同噴吹角度下的速度場和溫度場

圖5 不同噴吹角度下的速度場和溫度場

3 結論

通過對CSF爐上部氣相空間內煙氣的流動過程開展仿真計算，在考慮底部上升氣流對上部煙氣流動可能產生影響的同時，研究了二次風口以不同的角度噴吹對爐內流動狀態和壁面沖刷的所產生的影響，具體結論如下：

（1）基準工況條件下，在風口下部區域形成兩個較大渦流，會對風口下部區域的爐前造成嚴重的沖刷；

（2）在二次風口不同噴吹角度條件下，二次風口向下傾斜的角度越大時，對二次風口下部的側墻沖刷會越嚴重，且煙氣流速和溫度在爐長方向上波動較大；

（3）在二次風口不同噴吹方式研究中，采用錯吹的方式時，風口下部仍會形成兩個渦流對兩側墻造成沖刷；但采用錯吹的方式時，能夠使爐內氣相空間內煙氣流動速度波動較小。