阳极炉气相燃烧过程数值仿真研究

柴满林,龙 鹏,王万军

（1.铜陵有色金属股份有限公司 金冠铜业分公司,安徽铜陵 244000；2.桂林航天工业学院 建筑环境与能源工程系,广西桂林 541004）

阳极炉气相燃烧过程数值仿真研究

柴满林1,龙 鹏2,王万军1

（1.铜陵有色金属股份有限公司 金冠铜业分公司,安徽铜陵 244000；2.桂林航天工业学院 建筑环境与能源工程系,广西桂林 541004）

以装配某天然气烧嘴的阳极炉为对象,针对其熔体上部空间内的燃烧过程开展数值仿真研究。对仿真结果进行分析后发现：阳极炉保温期时,阳极炉炉膛内部烧嘴两侧区域均存在较大的回流,炉内最高温度为2 311 K；氧化期时,由于烧嘴右侧形成回流,因此炉内火焰出现向右偏转的现象并造成单侧炉壁温度偏高,阳极炉中心气相最高温度为2 506 K。

阳极炉;气相燃烧;数值仿真;数学模型；边界条件

1 研究基础

阳极炉火法精炼铜过程按照生产作业流程将其分为保温、氧化、还原和浇铸四个阶段[1-2]。在精炼过程中,阳极炉内气相空间的持续燃烧供热是其能源消耗的主要部分[3]。阳极炉精炼过程中所用的燃料包括重油、煤粉以及天然气等[4],近年来多以天然气为主。

有关工业炉窑炉膛内气相燃烧空间流场与温度场的三维数值模拟方面,国内外许多学者已做了大量研究工作。例如,2004年Nieckele等[5]对采用纯氧燃烧的熔铝炉进行了数值计算,对比分析了采用3种烧嘴配置的熔铝炉的温度场分布、组分浓度分布和火焰形状,并基于温度场和组分分布优化了燃烧器的配置方式。2006年,Pitsch H对湍流燃烧大涡模拟（LES）进行了研究,重点分析了非预混和预混湍流燃烧模型中雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模型和LES燃烧模型的根本区别,确定LES的开放式问题和建模问题,并就未来研究发展方向提出建议[6]。2008年,Abbassi A等对玻璃熔窑的气相空间的湍流与燃烧反应进行了数值模拟,并就仿真计算得出的温度与实际测量值进行比较,发现最大相对误差小于7.6%；在此基础上通过对炉子操作参数进行优化分析,以减少其燃油消耗[7]。2010年,中南大学李刚等对反射炉进行了数值模拟研究,其以热工测试数据作为仿真计算边界条件,并将仿真计算温度与反射炉内实际测量值进行比较,发现温度误差小于7%；并得出旋流燃烧器的燃烧性能优于直流燃烧器[8]。但有关阳极炉气相燃烧过程的数值仿真研究,国内外尚未见相关文献报道。

本文以装配某型号天然气烧嘴的阳极炉燃烧过程为对象开展数值仿真研究,分析阳极炉内不同操作阶段中其熔体上部空间内的气相速度、温度分布以及燃烧过程的特点,从而为阳极炉精炼生产过程提供技术指导与支持。

2 阳极炉内燃烧过程数值仿真模型

2.1 数值仿真区域

本文中介绍的仿真研究主要针对阳极炉熔体上部空间内的气相燃烧过程,因此数值仿真区域仅包括了天然气烧嘴、阳极炉气相燃烧空间、烟道等3部分。

阳极炉为一个卧式圆柱形筒体,可作360°回转。生产实践中通常取保温期的炉体位置为基准位置,其中心面与垂直位置为0°夹角。仿真计算中取阳极炉的半径（R）为基准长度,则阳极炉长为6.5R,高为1R,宽为2R；其中天然气烧嘴距离底面高度为0.6R,与水平方向成一定的夹角。烟道中心线与烧嘴中心线均位于阳极炉中心截面上。

阳极炉处于氧化还原阶段时,阳极炉内的铜液液位深度取进料结束时的液深,即1.1R（气相空间高度则为0.9R）。因氧化还原期的工艺要求下方的铜液需浸没氧化还原风口,故该阶段开始时需将炉子摇转35°。此时,阳极炉仿真模型中的炉体长为6.5R,高为0.9R,宽为1.99R；其中天然气烧嘴距离底面高度为0.5R,与水平方向仍成一定的夹角；炉体偏转35°,即烟道中心线与烧嘴中心线所在阳极炉截面与垂直方向成35°夹角。

氧化期阳极炉炉体模型以及本文分析中将引用的截面示意如图1所示。

图1 阳极炉结构示意

图2为阳极炉天然气烧嘴结构示意图。如图所示,氧气和天然气分别经烧嘴喷入阳极炉内气相空间,其中天然气自烧嘴中心通入,部分氧气自天然气外围补入（此部分氧气简称环氧）,其余氧气则由天然气枪的周围补给喷入炉内（此部分氧气简称侧氧）。天然气、环氧与侧氧的不同配比将直接影响着天然气在炉膛内部的燃烧过程和炉内温度分布状况。

图2 天然气烧嘴结构示意

2.2 数学模型

描述阳极炉内气相流动与燃烧过程的基本守恒方程包括：连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分守恒方程[9-11]。

1）连续性方程

2）动量守恒方程

3）能量守恒方程

阳极炉精炼气相燃烧过程为大空间湍流燃烧问题,因此本文选用k-ε湍流模型,其反应由天然气与氧气发生非预混燃烧反应,故采用有限速率/涡耗散模型,采用两步甲烷化学反应。甲烷和空气的两步反应的化学方程式为：

2.3 边界条件确定

阳极炉仿真模型中包含3种边界类型:

1）各气流入口均设置为速度入口边界类型,其速度根据各工况下的实际操作条件确定。阳极炉燃料采用天然气,天然气的主要成分为CH4,其它成分的含量很少,因此将入口天然气全部定义为甲烷。阳极炉燃烧过程供氧采用体积分率为98%的高浓度氧气,各氧气气流的速度可通过调节相应的气体流量来进行控制。

4）组分守恒方程

表1 阳极炉操作参数

2）由于缺少阳极炉壁面的具体冷却条件,仿真研究中通过红外测温仪得到阳极炉炉壁热场图片（如图3所示）后,经理论计算推得出炉内壁温度为1 440 K。仿真计算中忽略铜液流动以及氧化还原反应过程对上方气相燃烧过程的影响,由于实际生产过程中铜液温度约为1 473 K,由此取计算区域底面的温度为1 473 K；天然气、氧气烧嘴入口壁面均取环境温度300 K；其壁面条件均设置为无滑移壁面。

图3 阳极炉正面红外热场

3）由于阳极炉烟道出口处烟气处于充分发展流动状态,出口边界上的变量均由内部向外推得到,对上游的流动影响可以忽略不计,因此阳极炉出口边界设为质量出口边界条件。

3 阳极炉气相燃烧过程数值仿真结果分析

阳极炉精炼过程要求炉内燃烧稳定且温度分布均匀,火焰应具有低的火焰峰值温度以及较长的火焰长度,无局部高温热点。基于此目标,下面分别对阳极精炼过程的保温期与氧化期两个阶段内的气相燃烧过程分析如下。

3.1 保温期燃烧过程仿真结果分析

图4为阳极炉内气相流线图。如图所示,天然气、氧气组成的高速气流进入炉内后形成下方的斜向左平行射流,并在炉内左右两侧形成回流,此区域的气流回流将有利于促进炉内的气体混合均匀,但可能对左右炉壁形成冲刷；同时受高速气流的影响,在射流的下方也形成了局部小的回流,其中接近铜液液面气流回流有助于加快铜液表面的气体运动,从而增强气体和铜液之间的对流换热,但位于阳极炉左端壁面的强烈回流则可能对炉壁产生冲刷蚀损。

图4 工况1下阳极炉内流线

此外如图5所示,天然气和氧气两股高速射流入口截面的最高速度可达到100 m/s；喷入炉内之后,两股气流运动到x/R=1截面时已合并成为一股射流,其射流中心速度降低至38 m/s,射流宽度发展为0.51R。此时,由于回流的作用,在靠近阳极炉壁面区域气流速度有所偏高,并由此可能对壁面造成冲刷；此工况条件下,炉内的气流射流长度约为3R。

图5 工况1下截面中心线z/R=0速度曲线

图6为保温期阳极炉内气相温度场仿真结果。可以看出,天然气和环氧以同心射流的方式喷入炉内后,两者迅速混合并发生燃烧,故烧嘴出口附近区域的温度迅速升高；此后气体温度沿气流入射路径而逐渐降低；炉内最后温度出现在x/R=l截面上,最高温度值达到2 301 K。需要注意的是,在x/R=2处,由于高温烟气回流而造成近壁面处气体温度偏高,可能加快该区域内炉壁耐火材料的高温损耗速度。

图6 工况1下阳极炉截面等温线/K

3.2 氧化期燃烧过程仿真结果分析

图7所示为阳极炉内气相速度矢量分布图。由图中可以看出：气流自烧嘴喷入阳极炉内空间后,在炉顶高速气流上方形成了一半径约为0.2 R的小范围回流,并在烧嘴右侧区域以及烟道出口附近有两个较大的回流,其回流范围半径约为0.7～0.8R。

图7 工况2下阳极炉内气相速度矢量分布

图8为氧化期阳极炉内气相燃烧温度场的仿真结果。可以看出：在天然气枪和氧枪的出口附近,当天然气与氧气发生混合燃烧后,气体温度迅速升高,至x/R=l位置时,气相温度达到最高值2 506 K,随后,沿炉长方向气相温度逐渐降低。与保温期情况不同的是,氧化期由于炉体偏转,炉内燃烧火焰自x/R=3处转向阳极炉右边偏转,因而造成阳极炉右侧气相温度明显偏高,因此在该操作阶段应该更为关注高温烟气对右侧炉壁可能造成的高温蚀损作用。

图8 工况2阳极炉截面等温线/K

4 结论

本文采用数值模拟的方法对保温期与氧化期时阳极炉内的气相燃烧过程进行了研究,通过对阳极炉内气相流场与温度场分布的分析讨论,得到主要结论如下：1)阳极炉熔体上方空间内的烧嘴区域以及烟道出口附近存在明显的回流区域,其中烧嘴区域的烟气回流将有助于增加炉内燃烧过程的稳定性；2)阳极炉保温期时,阳极炉炉膛内部烧嘴两侧区域均存在较大的回流,该区域内的烟气回流有效地加强了炉内气体的循环与混合,炉内最高温度为2 311 K,且温度随着射流方向逐渐降低；3)氧化期时,阳极炉中心气相最高温度为2 506 K；由于烧嘴右侧形成回流,从而出现火焰向右偏转的现象,此时应尤为关注炉体侧壁可能发生的的高温蚀损作用。

[1] 任鸿九,王立川.有色金属提取手册(铜镍)[M].北京：冶金工业出版社,2000:364－386.

[2] 唐谟堂,何静.火法冶金设备[M].中南大学出版社,2003: 256－259.

[3] 朱祖泽,贺家齐.现代铜冶金学[M].北京：科学出版社, 2003:443－480.

[4] 揭晓武.铜冶炼系统阳极炉用新型固体还原剂开发研究[D].昆明理工大学,2007.

[5] Nieckele A O,Gomes M S P.Numerical modeling of an industrial aluminum melting furnace[J].Journal of Energy Resources Technology,2004,126(1):72－81.

[6] Pitsch H.Large－eddy simulation of turbulent combustion [J].Annu.Rev.Fluid Mech.,2006,38:453－482.

[7] Abbassi A,Khoshmanesh K.Numerical simulation and experimentalanalysisofan industrialglassmelting furnace[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(5): 450－459.

[8] 李刚.再生铜反射炉内多场耦合数值仿真与优化研究[D].长沙：中南大学,2010.

[9] 周萍,周乃君,蒋爱华,等.传递过程原理及其数值仿真[M].长沙：中南大学出版社,2006.

[10] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社,2008.

[11] 陈卓,周萍,梅炽.传递过程原理[M].长沙：中南大学出版社,2011.

Numerical Simulation of Gaseous Combustion in Anode Furnace

CHAI Manlin1,LONG Peng2,WANG Wanjun1
(1.JinGuan Copper,Tongling Non-ferrous Metal Co.Ltd.,Tongling Anhui,244000,China;2.Department of Building Environment and Energy Engineering,Guilin University of Aerospace Technology,Guilin Guangxi,541004,China)

A CFD computation was carried out for the combustion process in an anode furnace.The simulation results reveal that, during the heating period,strong gaseous recirculation was formed in both sides near the burner and the maximum temperature inside the furnace is 2 311 K,whilst in the oxidation period,as the recirculation lies in only one side of the furnace,the flame leans to the right thus causes high temperature near the refractory linings.The highest temperature found in this oxidation period is 2 506 K.

Anode furnace;gaseous combustion;numerical simulation;mathematical model;boundary conditions

TF811

A

1004-4345（2015）02-0018-04

2014-12-16

安徽省科技攻关项目（项目编号：1301021018）。

柴满林（1966—）,男,工程师,主要从事铜冶炼工艺研究工作,E-mail：chaiml@jgty.net.

龙鹏,男,桂林航天工业学院建筑环境与能源工程系,E-mail：longpeng@guat.edu.cn.