冶煉煙氣混氣室的數值模擬與優化設計

劉嬌洋，陳文江

（1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031；2.深圳市城市公共安全技術研究院，廣東 深圳 518046）

某公司計劃擴大粗銅生產規模，導致待處理的煙氣量加大，原有的硫酸裝置無法滿足增加產能后的煙氣條件，因此需要建設新硫酸裝置，并與老硫酸裝置同時運行，以充分回收利用所有煙氣。冶煉煙氣來自奧斯麥特爐和轉爐，隨著冶煉生產周期和投料量等因素的變化而波動，原混氣室無法使現氣量下的兩股煙氣達到充分混合，同時對系統壓力的沖擊增大，導致整個工藝系統無法穩定運行。現考慮新建一座混氣室，使奧斯麥特爐煙氣與轉爐煙氣在混氣室內達到充分混合后進入新老硫酸系統，同時通過混氣室的腔體緩沖制酸工藝系統壓力的波動。

單純的理論分析和計算能確定達到系統煙氣混合和緩解壓力波動所需要的最小緩沖空間，從而確定滿足工藝條件的最小混氣室規格。為了直觀地了解和有針對性地優化混氣室的運行效果，該項目首先在滿足工藝配置及工廠投入允許的條件下確定混氣室的規格。筆者通過數值模擬分析對新建混氣室的結構進行局部優化，使煙氣混合效果更佳，混氣室運行阻力更小，達到更優的運行效果。

1 模型的建立與求解

原制酸工藝系統混氣室結構較小，新建混氣室要求設置在原有位置，整個制酸工藝系統管線保持不變，混氣室進出口煙氣管道的方位僅能進行局部微調，考慮到切向旋流能增加煙氣在混氣室的流動時間、煙氣成角度進入形成碰撞能對兩股煙氣進行強制混合，在現場管道配置允許的條件下，建立了模型一（兩股煙氣入口切向進入）和模型二（兩股煙氣60°夾角進入），分別見圖1和圖2。

圖1 模型一（兩股煙氣入口切向進入）

圖2 模型二 （兩股煙氣入口60°夾角進入）

采用Ansys軟件中的Fluent模塊對模型進行數值模擬計算，入口選用速度入口，出口選用壓力出口。混氣室中的工作介質為混合煙氣，只需了解混合氣體的流動情況且不考慮化學反應，依據軟件計算原理[1]及適用推薦[2]，采用多相流混合模型，故分別定義來自奧斯麥特爐和轉爐混合煙氣作為兩相工作介質，計算流體均定義為不可壓縮流體，穩態流動，采用分離式求解器。由于兩股煙氣混合時產生碰撞，流動狀態復雜，流體處于湍流運動狀態，采用工程中最常用的標準k-ε兩方程模型進行計算。

以系統常規工況作為邊界條件輸入依據，奧斯麥特爐煙氣流量125 000 m3/h，轉爐煙氣流量180 000 m3/h，工作溫度250 ℃。由于混氣室工作壓力波動范圍不大，對正常工況流速影響較小，此處選取工作壓力1 kPa作為工況換算壓力，物性參數參照工藝條件提供的混合煙氣取值計算。由上述取值計算定義邊界條件，速度入口輸入工況速度和設備幾何參數，壓力出口輸入設備幾何參數，其余參數為預測結果參數，此處采用模型默認設置，不影響模型計算，具體定義邊界條件設置見表1。

表1 定義邊界條件設置

2 煙氣流動跡線分析

分別截取了模型一和模型二的煙氣流動跡線圖進行對比分析，見圖3和圖4。為便于準確觀察煙氣進入混氣室的狀態，圖3和圖4中，左視圖隱藏了轉爐煙氣流動跡線，僅顯示奧斯麥特爐煙氣在混氣室內的流動狀態；右視圖隱藏了奧斯麥特爐煙氣流動跡線，僅顯示轉爐煙氣在混氣室內的流動狀態；中間視圖同時顯示兩股煙氣在混氣室混合的流動狀態。

圖3 模型一的煙氣流動跡線

圖4 模型二的煙氣流動跡線

從圖3的左視圖可以看出，奧斯麥特爐煙氣進入混氣室后，大部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動，少部分向下旋流；向上流動的奧斯麥特爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動力波洗滌器2個入口流出，且大部分去1#硫酸裝置入口Ⅱ，一部分繼續向上流動與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，極少一部分煙氣向下旋流。由右視圖可以看出，轉爐煙氣進入混氣室后，大部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動，少部分向下旋流；向上流動的轉爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動力波洗滌器2個入口流出，且大部分去1#硫酸裝置入口Ⅰ，一部分繼續向上流動與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，極少一部分煙氣向下旋流。由中間視圖可以看出，兩股煙氣在其進口側流動，相互之間影響較小。

由圖4的左視圖可以看出，奧斯麥特爐煙氣進入混氣室與轉爐煙氣碰撞后，大部分煙氣沿就近筒壁螺旋向上流動，少部分向下旋流；向上流動的奧斯麥特爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動力波洗滌器2個入口流出，且大部分去1#硫酸裝置入口Ⅱ，一部分繼續向上流動與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置。由右視圖可以看出，轉爐煙氣進入混氣室與奧斯麥特爐煙氣碰撞后，大部分煙氣沖向就近筒壁向上和沿筒體圓周方向旋流向上，少部分向下旋流；向上流動的轉爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動力波洗滌器2個入口流出，去1#硫酸裝置入口Ⅰ的氣量略大于去1#硫酸裝置入口Ⅱ的氣量，一部分繼續向上流動與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置。由中間視圖可以看出，兩股煙氣進入混氣室后發生碰撞，兩股氣流在混氣室內都呈現螺旋流動的狀態，流體流程延長，相互之間混合效果較兩股煙氣入口切向進入略有加強。

3 模型的優化

為了能使去1#、2#硫酸裝置的煙氣性能接近，需要兩股煙氣有一定的混合效果。通過對上述2種模型流動跡線的分析可知，由于兩股煙氣量相差較大，煙氣相互之間沒有太多的混合，更多地在各自側的空間內流動。通過折流延長煙氣在混氣室內的流動是增加混合效果的最好方式，但折流造成的煙氣阻力將成倍增加，鑒于系統為改造工程，風機裕量有限，考慮在煙氣入口處加1塊擋板對兩股煙氣進行強制混合，同時為避免阻力急劇增加，此擋板結構只圍擋兩煙氣入口面積的50%，迫使兩股氣流的50%氣量在擋板圍擋下進行強制混合，另50%氣量自由流動，由此建立模型三（兩股煙氣入口切向進入+入口加擋板），見圖5。

圖5 模型三（兩股煙氣入口切向進入+入口加擋板）

截取模型三的煙氣流動跡線見圖6。

圖6 模型三的煙氣流動跡線

由圖6的左視圖可以看出，奧斯麥特爐煙氣進入混氣室后，一部分與擋板碰撞向上流動，一部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動，少部分向下旋流；向上流動的奧斯麥特爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動力波洗滌器2個入口流出，一部分繼續向上流動與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，沒有向下旋流，且去3個出口的煙氣量相差不大。由右視圖可以看出，轉爐煙氣進入混氣室后，一部分與擋板碰撞向上流動，一部分煙氣與筒壁碰撞后向上沿筒壁流動，少部分向下旋流；向上流動的轉爐煙氣一部分從1#硫酸裝置動力波洗滌器2個入口流出，一部分繼續向上流動與混氣室拱頂碰撞后去2#硫酸裝置，極少一部分煙氣向下旋流，且去三個出口的煙氣量相差不大。由中間視圖可以看出，相對模型一、模型二而言，兩股煙氣相互影響的效果加強，混合效果較明顯。

4 模型出口云圖及數據分析

流體在混氣室的流動狀態決定了兩股煙氣的混合狀態，截取混氣室3個出口處轉爐煙氣體積分數分布云圖以對3種模型的混氣效果進行分析。

截取模型一、模型二、模型三的出口轉爐煙氣體積分數分布云圖，分別見圖7、圖8和圖9。體積分數分布云圖中，顏色越紅表示轉爐煙氣體積分數越接近1，此時奧斯麥特爐煙氣體積分數則越接近0；顏色越藍表示轉爐煙氣體積分數越接近0，此時奧斯麥特爐煙氣體積分數則越接近1。轉爐煙氣在混氣室3個出口處組分比例越接近表明兩股煙氣混合越均勻。

圖7 模型一出口轉爐煙氣體積分數分布云圖

圖8 模型二出口轉爐煙氣體積分數分布云圖

圖9 模型三出口轉爐煙氣體積分數分布云圖

上左側視圖為去1#硫酸裝置入口Ⅰ，上右側視圖為去1#硫酸裝置入口Ⅱ，下中視圖為去2#硫酸裝置入口。

由圖7可以看出：去1#硫酸裝置入口Ⅰ的煙氣組分分布云圖以紅色為主，轉爐煙氣量約占80%；去1#硫酸裝置入口Ⅱ的煙氣組分分布云圖各種顏色占據面積相差不大，轉爐煙氣量約占50%；去2#硫酸裝置入口的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉爐煙氣，轉爐煙氣量約占75%以上，轉爐煙氣在混氣室3個出口的組分比例相差較大。

由圖8可以看出：去1#硫酸裝置入口Ⅰ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉爐煙氣，轉爐煙氣量約占75%以上；去1#硫酸裝置入口Ⅱ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，其中綠色相對較多，轉爐煙氣量約占60%以上；去2#硫酸裝置入口的煙氣組分分布云圖顏色由藍到紅，紅色相對較少，以藍黃綠色為主，轉爐煙氣約占50%。轉爐煙氣在混氣室3個出口的組分比例相差仍較大。

由圖9可以看出：去1#硫酸裝置入口Ⅰ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉爐煙氣，轉爐煙氣量約占65%以上；去1#硫酸裝置入口Ⅱ的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，表明大部分為轉爐煙氣量約占60%以上；去2#硫酸裝置入口的煙氣組分分布云圖顏色由綠到紅，紅色相對較少，以黃綠色為主，轉爐煙氣量約占60%以上。轉爐煙氣在混氣室3個出口的組分比例非常接近。

跡線和云圖能定性地了解各種煙氣的流動和分布狀況。為了更準確了解3種模型煙氣的均布效果，此處讀取每種模型轉爐煙氣在混氣室出氣口的體積分數，并對3個出口的體積分數進行標準偏差計算。氣體體積分數的標準偏差是衡量氣體體積分數對算術平均值的偏離，其值的大小反映了流體分布的均勻程度，數值越小表示氣體分布越均勻。3種模型混氣室出口的轉爐煙氣體積分數和進出口的壓差值見表2，并計算出口氣體體積分布的標準偏差。

由表2可以看出：模型三混氣室出口的轉爐煙氣體積分數標準偏差為2.62%，遠小于其余兩種模型，說明煙氣混合最為均勻。對比混氣室進出口的壓力損失，模型三的煙氣阻力為231.1 Pa，較其余兩種模型略有減小。

表2 混氣室出口轉爐煙氣體積分數標準偏差和進出口壓差值

通過上述分析對比，通過在混氣室入口增加擋板，使得3個出口的轉爐煙氣體積分數標準偏差大大減小，同時混氣室的阻力還略有下降。由此可以看出，模型三的混氣室結構是一種更為優化的結構，改造項目采用該優化方案進行設計更為可行。

5 結語

數值模擬分析能直觀地反應設備運行的狀態，通過數值模擬分析可以發現工程設計不足之處，為工程設計者提供優化設計的思路和方向。采用數值模擬軟件進行輔助設計，節省了人力、物力成本，大大縮短了設計周期，對工程而言具有很好的利用價值。