高寒礦區生物氧化槽供熱系統設計仿真

李 寧，高丙朋，方 圓

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

1 引言

生物氧化預處理工藝因其工藝簡單、參數易控制以及安全性高等優點發展迅速[1]。溫度適宜是預處理過程中的關鍵，冬季高寒礦區霜凍期長且環境溫度較低，需要供給大量熱以滿足生產需要[2]。目前高寒礦區氧化槽內供熱方式主要是煤炭燃燒，燒煤供熱不僅生產效率較低，還會造成嚴重環境污染。本文由此提出高寒礦區生物氧化槽復合供熱模式，提高生產效率，改善環境污染問題。

國內外學者對生物氧化提金技術已經做了大量的研究。丘曉斌、溫建康等人結合生物預氧化氰化提金實驗分析了碳質在實際生物預氧化提金工藝中的影響[3]。Guohua Wang等人提出包含高溫化學氧化階段和生物氧化階段的兩個階段化學-生物氧化方法，從而提高高硫和高砷難處理金精礦的氧化速率[4]。Chenghui Zheng等學者通過評估多相歐拉模型研究兩相流和三相流，揭示了影響生物浸出效率關鍵因素并分析發生細胞死亡的主要區域[5]。N.MARCHEVSKY等人采用構建確定的嗜溫聚生體的方法進行評估分析礦生物浸出浮選精礦的效率[6]。王紅、王兆印等人通過混合浸礦菌氧化難處理金精礦的實驗研究，分析探討了礦漿溶氧水平和初始狀態Fe2+濃度對生物氧化效率的影響[7]。目前大量學者主要研究了生物氧化反應的相關問題，關于氧化供熱模式涉獵甚少，但由于生物氧化槽體積大數量多，尤其對于高寒礦區生物氧化過程熱量需求極大，燃燒煤炭供熱會造成嚴重的環境污染和能源浪費，供熱問題亟待解決。

本文主要針對高寒礦區生物氧化預處理工藝提出以太陽能改進生物氧化槽內供熱模式，并設計分析了太陽能-燃煤復合供熱系統，進而通過CFD軟件對槽內溫度場進行仿真驗證。

2 生物氧化槽結構原理

生物氧化槽是生物氧化預處理工藝的核心反應器，結構復雜，本研究暫不考慮微小因素。氧化槽及換熱器尺寸規格如表1所示。

表1 結構規格表

生物氧化槽大致可以分為六部分：反應池、供熱系統、供氣系統、控制系統、物料輸送系統和攪拌器。為進行有效的分析，本研究以新疆某金礦生物氧化槽為工程背景，其氧化槽結構示意圖如圖1。

圖1 生物氧化槽結構圖

適量礦漿和氧化細菌按照一定比例充入反應池中，在攪拌器的混合作用下充分接觸反應，在此過程中供熱系統保證氧化菌生存繁殖的適宜溫度[8]，使氧化還原反應充分進行。

溫度作為氧化預處理階段的前提條件，是氧化提金率和能源利用率最重要的影響因素之一。高寒礦區因其經濟條件和技術條件的限制，目前仍大量采用燃煤供熱模式，通過調節冷、熱水流量實現對氧化槽內部溫度的控制。冷水是地下水，熱水則是經鍋爐加熱至100℃的高溫水[9]。高寒礦區日照充足但氣候條件較為惡劣，尤其冬季極端天氣(氣溫極低、大風、暴風雪)反復無常，工業生產過程中需要消耗大量煤炭來保證溫度。從環境因素來看，大量燃煤導致嚴重的環境污染，從生產效率方面來看，菌群生存的溫度范圍為38-45℃，直接使用100℃高溫水調節會造成換熱管附近局部溫度過高，細菌活性降低甚至死亡，氧化提金率下降，能源利用率降低。

因此，為了改善目前高寒礦區的環境污染問題，提高氧化提金率，本文提出以太陽能改進的生物氧化槽供熱模式，設計分析太陽能-鍋爐復合供熱系統。

3 復合供熱系統設計

太陽能-燃煤復合供熱系統[11]設計原則為：本系統熱源分別為集熱水箱(一級熱源)、儲熱水箱(二級熱源)和鍋爐輔助加熱(三級熱源)，為了保證太陽能供熱系統為主供熱系統，運行時熱源使用優先級為：一級熱源無法滿足工業生產需求時啟動二級熱源，若前兩級熱源仍無法滿足生產需要時，啟動三級熱源。

3.1 系統設計及其原理

太陽能-燃煤復合供熱系統由太陽能供熱系統、鍋爐輔助加熱循環系統、補水系統以及控制系統構成，圖2為復合供熱系統原理圖。該系統中共有三個水箱，集熱水箱直接收集由集熱器加熱過的高溫水，儲熱水箱作為集熱水箱的備用水箱，供熱水箱作為氧化槽的工作水箱提供所需熱量。

圖2 復合供熱系統原理圖

為保證供熱系統能夠穩定高效運行，對必要的調節閥和泵均設有備用設備和保護設備，在溫度適宜的情況下，供熱水箱內的水溫和水位限制在較大范圍，在極端天氣時，供熱水箱內的水溫和水位的限制范圍根據運行工況適當縮小。

經集熱器加熱過的高溫水由相關控制機構根據實際工況分配給供熱水箱和儲熱水箱，在保證水位的條件下作出相應判斷，若供熱水箱內的水溫不滿足要求，則第一時間開啟儲熱水箱供熱功能，一旦前兩者同時運行狀態下仍無法滿足供熱需求，則立馬啟動鍋爐輔助供熱，對供熱水箱內的水進行再次加熱。若供熱水箱內水溫偏高，則通入地下水進行調節平衡。系統運行過程中，集熱水箱重新收集未被完全消耗的熱量，對其進行循環利用。

3.2 模型構建

3.2.1 集熱器模型

考慮到槽式太陽能集熱器具有投資成本低廉、占用面積少等優點[12]，本系統采用槽式太陽能集熱器。由能量守恒定律可得

Qg=Qc+Ql+Qp

(1)

式中，Qg為太陽對集熱器的輻射量，單位為W；Qc為集熱器實際集熱量，單位為W；Ql為過程熱損失，單位為W；Qp為送入集熱器的熱量，單位為W。

其中

Qg=kAcIt

(2)

Ql=Acηl(Ti-Tamb)

(3)

(4)

式中，k為反射鏡透射率和吸熱管吸收率的乘積，取值0.8；Ac為集熱器采光面積，單位為m2；It為單位面積太陽輻射強度，單位為W/m2·°C；ηl為過程熱損失系數，取值0.27；Ti為集熱器中平均水溫，單位為°C；Tamb為環境溫度，單位為°C；Ce為集熱器的熱容量，單位為J/kg·°C。

考慮到集熱器自身存在熱損失，定義集熱器集熱效率為

(5)

3.2.2 水箱模型

復合供熱系統中雖然包含三個不同功能的水箱，但是均滿足能量守恒定律，本文采用集總參數法對水箱進行分析研究[13-14]。水箱內部熱量關系滿足

(6)

式中，Vs為水箱的設計容量，單位為m3；Qin為上一級設備傳給水箱的熱量，單位為W；Qout為水箱提供給下一級設備的熱量，單位為W；Qt為水箱自身的散熱量，單位為W；Cp為換熱介質的定壓比熱容，單位為kJ/kg·°C；ρ為傳熱介質的密度，單位為kg/m3；ΔT為蓄熱溫差，單位為°C。

水箱內部溫度為

Ts=Ts(h，t)

(7)

式中，Ts為水箱溫度，單位為°C；h為水箱內液位高度，單位為m。

3.2.3 氧化槽內換熱模型

生物氧化槽內熱交換主要是共軛傳熱[15]，熱量來源Qy包含換熱管傳導的熱量Qh和氧化還原反應放熱Qf，熱量消耗則是氧化槽在環境中的熱量損失Qs。它們之間的關系表示為

Qy=Qs

(8)

Qy=Qh+Qf

(9)

其中

Qh=kAΔT·l/(Δt·L)

(10)

式中，k為換熱管的熱傳導系數；A為換熱管接觸表面積；ΔT為礦漿和換熱管中水的溫差；l為電動調節閥的開度；Δt為熱量傳遞所需的時間；T為換熱管壁厚。

Qf=aΔn(FeS2)+bΔn(FeS)+cΔn(FeAsS)

(11)

式中，a、b、c分別為FeS2、FeS、FeAsS的摩爾熱，a=1464kJ，b=605.6kJ，c=905.3kJ，Δn(FeS2)、Δn(FeS)、Δn(FeAsS)分別為氧化反應消耗的FeS2、FeS、FeAsS的物質的量。

Qs=hA(Te-T∞)

(12)

式中，h面平均傳熱系數，取為16W/(m2K)；A流換熱面積；Te熱表面平均溫度；T∞界環境溫度。

4 實驗研究

4.1 實驗設計

本文將推理分析法、實驗驗證法和數值模擬方法相結合，以新疆某金礦生物氧化槽為工程背景，通過CFD軟件搭建其模型[16-19]，分別對復合供熱模式下不同供熱需求時氧化槽內溫度場分布情況進行仿真測試，并與現有供熱模式下的溫度場對比分析，對該復合供熱系統的可行性進行驗證。

根據新疆地區氣候條件進行實驗設計，實驗方案如表2。本文共設計四組實驗，實驗一是燃煤供熱模式下正常氣候條件時對氧化槽內溫度場仿真模擬，并根據工業現場運行數據進行模型校驗，以準確分析生物氧化槽內部的溫度特性。高寒礦區因其地理特性常年伴隨極端天氣氣候，為研究燃煤供熱對極端天氣時氧化槽內溫度調控效果設計了實驗二，實驗三和實驗四分別為實驗一和實驗二的對照實驗，對改進后復合供熱模式槽內溫度場仿真模擬，驗證研究復合供熱系統對生物氧化槽內溫度場的影響。生物氧化槽相關物性參數如表3。

表2 實驗設計方案表

表3 生物氧化槽物性參數表

4.2 實驗結果分析

對生物氧化槽不同工況進行仿真研究[20]，經過4358步迭代各參數均達到收斂狀態，圖3為結果收斂曲線圖。圖4、圖5分別為正常氣候條件下燃煤供熱氧化槽內部溫度場分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面圖。燃煤供熱氧化槽內溫度分布整體滿足預處理工藝要求，溫度沿徑向分布比較均勻，其溫度梯度較軸向溫度梯度更為緩和，但在攪拌器上方局部溫度高于323K，攪拌器下方部分區域溫度低于310K，溫度分布總體良好。

圖3 仿真結果收斂曲線

圖4 正常氣候溫度場xz平面剖面圖

圖5 正常氣候溫度場xy平面剖面圖

圖6、圖7分別為極端氣候條件下燃煤供熱氧化槽內部溫度場分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面圖。與正常氣候相比，槽內整體溫度均有所下降，軸向和徑向的溫度梯度更大，大約占槽1/3容積的區域溫度低于310K，該區域內氧化細菌生物活性會大幅下降甚至死亡。

圖6 極端氣候溫度場xz平面剖面圖

圖7 極端氣候溫度場xy平面剖面圖

改進供熱方式后，正常氣候時氧化槽內溫度場分布情況如圖8、圖9所示。復合供熱模式下生物氧化槽內溫度場與燃煤供熱相比沿軸向和沿徑向分布均更均衡，超出適宜溫度范圍的區域得以縮小，溫度分布對細菌生長繁殖更加友好，一定程度上提高了氧化率，理論上緩解了換熱器附近區域因水溫過高導致的細菌死亡問題。

圖8 復合供熱正常氣候溫度場xz剖面圖

圖9 復合供熱正常氣候溫度場xy剖面圖

圖10、圖11分別為極端天氣時復合供熱槽內溫度場分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面圖。將其與圖6、圖7對比可知，改進供熱系統后槽內軸向低溫分布區域有所緩和，徑向溫度梯度有效減小，總體溫度場更均勻，氣候條件對生物氧化槽內溫度場的不利影響得以有效改善。

圖10 復合供熱極端氣候溫度場xz剖面圖

圖11 復合供熱極端氣候溫度場xy剖面圖

5 結論

1)針對高寒礦區現有供熱系統造成的能源浪費和環境污染問題，提出以太陽能改進燃煤供熱模式，分析設計太陽能-燃煤復合供熱系統，進而根據高寒地區氣候特性建立復合供熱系統模型。

2)以新疆某金礦為研究背景，通過CFD仿真對計算模型進行驗證，改進供熱系統后不同工況下生物氧化槽內溫度場分布更加均勻，有利于氧化反應發生，提高氧化提金率和能源利用率。

3)高寒礦區生物氧化預處理進程采用復合供熱系統不僅能效高、更經濟、環境友好，而且系統互補性較強，運行更加穩定，對工業生產具有實用價值。