铜阳极精炼炉稀氧燃烧仿真模拟研究

魏烈旭

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410001）

铜阳极精炼炉稀氧燃烧仿真模拟研究

魏烈旭

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410001）

利用Fluent软件模拟采用稀氧燃烧的铜阳极精炼炉炉内的温度场和流场，以获取稀氧燃烧的燃烧特性，仿真结果表明，天然气倾斜喷入方式，达到了稀氧燃烧的控制条件，稀氧燃烧会使炉顶等局部区域温度过高，加速炉墙耐火砖的烧损，仿真结果为今后冶金炉窑推广使用稀氧燃烧提供设计依据。

稀氧燃烧；阳极炉；铜；精炼；仿真模拟

1 引言

稀氧燃烧是指燃料和浓度大于或等于90%的工业氧气分别通过不同的喷嘴高速射入炉膛，燃料和氧气与在炉膛中已存在的燃烧产物发生卷吸作用而迅速有效稀释，然后再彼此混合燃烧，形成一种非常均匀的加热体系。稀氧燃烧技术近年来才被国内各大铜冶炼厂引进使用，目前，国内已有10余家铜冶炼企业将稀氧燃烧技术应用于回转式阳极精炼。稀氧燃烧产生的烟气量约为空气燃烧烟气量的22.4%，每吨阳极铜的能耗由应用前的大于88kgce降低至42kgce，吨阳极铜能耗下降50%［1-2］。为了更好的了解和掌握采用稀氧燃烧技术后精炼炉内的燃烧状况、烟气流场和温度分布情况，本文采用Fluent仿真技术对精炼炉内燃烧过程进行了仿真模拟。

2 物理模型

目前，回转式阳极精炼炉使用的稀氧烧嘴具有两只喷枪，一支称作为J枪，另一支称作为L枪，全部的燃料和一部分的氧气混合后，通过J枪喷入炉内，另一部分的氧气通过L枪喷入炉内。这种“JL”稀氧烧嘴，通过高动量氧气燃料射流带来强劲的炉气卷吸，卷吸带动炉气以实现炉气在炉内循环，并且促进更均匀的温度分布和热量传递。燃烧稳定且火焰均匀而弥散，具有低的火焰峰值［3］，其结构示意图如图1所示。本文需要进行仿真模拟的精炼炉内径为3.3m，长度为11.5m，配套两组稀氧烧嘴，单组稀氧烧嘴的天然气流量为550Nm3/h，氧气流量为1225Nm3/h。

图1　稀氧烧嘴的结构示意图［3］

首先进行炉内稳态燃烧状况的仿真模拟，由于在仿真计算时，网格数量会受到计算机配置的局限，因此在进行炉体网格划分时，在保证计算准确性的前提下，尽可能的减少网格数量，本仿真所做的简化如下：

（1）视炉体为空心圆柱，忽略了炉门，氧化还原口等结构对计算结果的影响。由于炉体为对称结构，只取炉体一半进行计算；

（2）视J枪的天然气和氧气在入炉前混合均匀，流场充分发展，L喷枪在入炉前的流场充分发展，因此，取J枪和L枪的入炉面作为计算边界；

（3）炉内稳定燃烧时，杂铜已经完全熔化，不考虑熔融杂铜区域内的温度场分布，取气液两相处的交界面作为边界。

最终简化后的炉体结构如图2所示。

3 数学模型

根据本文前面对稀氧烧嘴的介绍可知，该燃烧方式属于部分预混燃烧，在Fluent中可选用通用有限化学反应速率模型和部分预混燃烧模型对稀氧燃烧反应进行模拟。

通用有限化学反应速率模型应用范围广泛，需要求解组分质量分数的输运方程，根据用户所选择的化学反应机制模拟化学反应。在组分输运方程中，反应速率以源项的形式出现，但是该模型需要用户自定义化学反应，忽略了很多中间产物，也就没有考虑到中间产物的吸热以及CO2、H2O的高温离解热，这使得利用该模型模拟所得到的温度往往比实际的要高［4］。

部分预混燃烧模型是利用Fluent内部嵌入的燃烧反应机制，该燃烧反应机制考虑了中间产物的生成，温度场更符合实际［5］，因此，本次模拟采用的是部分预混燃烧模型。此外，还选择了标准k-ε湍流模型、能量模型和P1辐射模型进行仿真计算。

4 仿真模拟及结果分析

4.1边界条件

（1）J枪喷入口。

J枪是天然气和氧气混合气体的喷入口，天然气的流量为550Nm3/h，氧气的流量为368Nm3/h，J枪喷入口取为速度入口，折算成流速为184m/s。

（2）L枪喷入口。

L枪是另一部分氧气的喷入口，流量为857 Nm3/h，L枪喷入口取为速度入口，折算成流速为84m/s。

（3）烟气出口。

烟气出口取为压力出口，回流温度为1673K。

（4）壁面边界条件。

炉体各壁面为定温边界条件，右壁面、左壁面、侧壁面和下壁面的温度分别设定为1673K，1773K，1773K和1507K。

（5）燃料成分。

燃料为天然气，天然气成分及低位发热量如表1所示。

表1　天然气成分表

4.2结果分析

本文研究天然气水平喷入和倾斜喷入两种方式，炉内温度场及流场的具体情况，通过对比分析得出适用于天然气稀氧烧嘴的安装方式，为以后的设计做指导，具体的结果分析见下文。

4.2.1天然气水平喷入仿真结果分析

从图3、图4可以看出，火焰以L枪轴线为中心向炉体的下游扩散，火焰中心温度最高达2570℃，并且温度逐渐降低，烟气出口温度达1700℃。在烟气出口负压抽力的作用下，火焰略向上偏斜。在距喷嘴7m之前的区域，高温区集中在炉体的中心部位，但是在之后的区域，温度越来越均匀，高温区集中在炉体偏上部区域，使得气相空间四周炉墙附近的温度很高，这对炉墙的寿命非常的不利。

图3　JL喷嘴纵向截面的温度分布图

图4　沿炉体轴线方向的截面温度分布图

从图5、图6可以看出，高速气体从喷嘴喷出后，两股气流逐渐汇成一股，流向烟气出口，最终，出口烟气流速达25.3m/s。在喷嘴以上反应空间内，烟气大都沿水平方向流向出口侧，靠近炉顶的烟气流速高达15m/s，烟气直接冲刷炉墙，会造成炉墙的冲刷和磨损，以及墙体结构的错位和变形，甚至会出现墙体漏风，从而破坏了炉内的燃烧配风比例，增加了炉体的散射损失。在喷嘴下方区域，形成了大的回流，烟气流向喷嘴方向，稀释了氧气浓度，实现了稀氧燃烧的控制条件。但是在喷嘴上部反应空间内，烟气大致呈水平方向直接流向出口，并没有形成回流，这样缩短了烟气停留时间，经计算，烟气的停留时间小于1s，且不利于反应组分的充分混合，使反应不完全，并没有实现稀氧燃烧所需的控制条件。在液面附近的烟气流速在10～20m/s，这样会带动铜液面的波动，会引起炉体两端墙的磨损和冲刷。

图5　JL烧嘴纵向截面的速度云图

图6　JL烧嘴纵向截面的速度矢量图

通过对天然气水平喷入燃烧方式的仿真模拟结果的分析，所得结论如下：

（1）水平喷入燃烧方式，在喷嘴以上反应空间，烟气沿水平方向流向烟气出口，在炉顶区域没有形成回流，这样缩短了烟气停留时间，该区域气体停留时间小于1s，也不利于气体的强烈混合，没有实现稀氧燃烧的控制条件。

（2）水平喷入燃烧方式，在喷嘴以上反应空间内，烟气大都沿水平方向流向出口侧，靠近炉顶的烟气流速高达15m/s，烟气直接冲刷炉墙，会造成炉墙的冲刷和磨损，以及墙体结构的错位和变形，甚至会出现墙体漏风，从而破坏了炉内的燃烧配风比例，增加了炉体的散射损失。

（3）水平喷入燃烧方式，在喷嘴以下的反应空间，形成了一个大的回流，有利于稀释氧气、延长气体停留时间和气体的混合，实现了稀氧燃烧的控制条件。

（4）水平喷入燃烧方式，在炉体中部偏向烟气出口的区域，墙体附近烟气温度和流速很高，流速高达15m/s，对炉墙的寿命不利。在液面附近的烟气流速在10～20m/s之间，会引起液面的波动，使两侧的端墙冲刷和磨损。

4.2.2天然气倾斜喷入仿真结果分析

鉴于上一小节的分析，天然气水平喷入稀氧燃烧存在诸多不足，本文接下来对有倾斜角的稀氧燃烧进行模拟，在本文所建立的物理模型中，J喷嘴中心线与炉体底面中心线交点位置距离燃烧器侧端墙7m，模型的大小和简化方式以及所采用的数学模型与水平喷入燃烧模拟所设置的相同，最终，所建立的模型如图7所示。

图7　天然气倾斜喷入稀氧燃烧物理模型

图8　天然气倾斜喷入JL烧嘴纵向截面的速度云图

图9　天然气倾斜喷入JL烧嘴纵向截面的速度矢量图

图10　天然气倾斜喷入炉内烟气的流线图

从图8、图9和图10可知，燃气从烧嘴倾斜喷入炉内，大部分气体边燃烧边沿着燃烧器轴线方向迅速向下游流动，从炉料表面掠过后，在炉膛末端改变流动方向，从而在炉内形成一个大范围的漩涡，在卷吸作用下高温炉气在炉内形成循环气流，加强了炉内气流的扰动，炉体上方大部分区域的烟气回流至燃烧主气流区，这样稀释了主流区氧气的浓度，而且延长了烟气的停留时间，更有利于充分燃烧，实现了稀氧燃烧的控制条件。还有一部分气体倾斜向下喷出后，掠过炉料表面后贴着侧墙壁面一直流动到炉顶，最后回流至燃烧器附近主气流区域，此股气流由于是贴壁流动，直接冲刷炉墙，加速了炉墙的错位变形和磨损，而且会致使炉顶局部温度过高，加速了炉墙耐火砖的烧损，有文献说明，稀氧燃烧某特定部位耐火砖腐蚀加剧，是空气燃烧的1.4倍［6］。

在烟气出口下方，在主气流改变流动方向卷吸作用下，形成了一个呈逆时针方向的旋涡，该区域高温烟气直接冲刷左侧端墙，加速了炉墙的磨损，对炉墙寿命不利。在靠近炉料平面的烟气有水平方向的分运动，一方面加强了高温气体和炉料的对流换热；另一方面这可能会引起熔融炉料的液面波动。在燃烧器侧的端墙附近，气流几乎贴壁往下流动，这会引起端墙的磨损和烧损。

与燃气水平喷入燃烧相比，倾斜喷入燃烧方式，更有利于气体的强烈混合、烟气的回流和延长气体的停留时间，有利于气体的完全燃烧、炉料的快速升温和熔化。

图11　天然气倾斜喷入炉内烟气流线（温度）图

图12　天然气倾斜喷入炉内纵截面烟气温度云图

从图11、图12可以看出，气体倾斜喷入炉膛后，迅速燃烧，形成明显的火焰形状，火焰较长，火焰向下部倾斜，在靠近烧嘴下游区域有一个局部高温区域，最高温度可达2750℃。在靠近炉料表面附近，烟气温度较高，大大加强了炉内气体与炉料间的换热，从而加快熔池内炉料的升温速度，有利于炉料的快速熔化。在靠近烟气出口附近区域，烟气温度相对较低，这是由于烟气回流所致。燃气倾

斜喷入，烟气高温区集中在炉膛下部靠近炉料附近区域，更有利于高温烟气和炉料的换热，提高了热效率，而燃气水平喷入燃烧时，烟气高温区集中在炉膛中心区域，与炉料接触的烟气温度相对较低，不利于热量的充分利用。

5 结论

通过以上对天然气水平喷入和倾斜喷入稀氧燃烧的仿真模拟分析，所得结论如下：

（1）天然气水平喷入方式，在喷嘴以上反应空间，烟气沿水平方向流向烟气出口，在炉顶区域没有形成回流，不利于气体的强烈混合，没有实现稀氧燃烧的控制条件。在喷嘴以下的反应空间，形成了一个大的回流，有利于稀释氧气、延长气体停留时间和气体的混合，实现了稀氧燃烧的控制条件。高温区集中在炉体偏上部区域，气相空间四周炉墙附近的温度很高；

（2）天然气倾斜喷入方式，有利于气体的强烈混合、烟气的回流和延长烟气的停留时间，实现了稀氧燃烧的控制条件，烟气的高温区集中在炉料附近区域，加强了烟气和炉料的换热，有利于炉料的快速升温、熔化和提高热效率；

（3）天然气倾斜喷入方式，一部分烟气贴壁流动，加速了炉墙的错位变形和磨损，而且会使炉顶局部温度过高，加速炉墙耐火砖的烧损，这对炉墙的寿命很不利，在以后采用稀氧燃烧的炉窑设计过程中需要引起足够的重视。

［1］袁海滨， 陈钢， 杨建中. 稀氧燃烧技术在铜阳极精炼炉上的应用［J］.有色金属（冶炼部分）， 2015（3）:8-10.

［2］唐都作， 顾鹤林， 袁海滨. 稀氧燃烧节能技术在铜冶炼生产中的应用［J］. 有色冶金设计与研究， 2015（1）:21-22.

［3］黄永峰， 陈延进， 王彤， 等. 稀氧燃烧技术的开发与应用［J］. 有色金属（冶炼部分）， 2011（2）:9-11.

［4］谭易君. 圆形蓄热式熔铝炉内多场耦合数值模拟及优化［D］. 中南大学， 2011:16-17.

［5］吴武辉. 陶瓷辊道窑温度场数值模拟与分析研究［D］. 武汉:武汉理工大学硕士学位论文， 2008:20-21.

［6］宋成. 回转式阳极炉稀氧燃烧技术改造与生产实际［J］. 山西冶金，2015（5）:64-65.

Numerical Simulation of Dilute Oxygen Combustion on Copper Anode Refining Furnace

WEI Lie-xu
（Changsha Engineering & Research Institute Ltd.， of Nonferrous Metallurgy， Changsha 410001， Hunan， China）

Temperature field and flow field of dilute oxygen combustion on copper anode refining furnace was simulated by the Fluent software. The combustion properties of the dilute oxygen combustion wereobtained. The result showed that natural gas inclined spray into the furnace， the furnace realize the condition of dilute oxygen combustion. Dilute oxygen combustion could cause extreme high temperature at the topfurnace； this phenomenon accelerated the burning damage of refractory brick. The test result could also offered references for dilute oxygen combustion application on metallurgical furnaces.

dilute oxygen combustion；anode furnace；copper；refining；numerical simulation

TF806

B

1009-3842（2016）03-0068-05

2016-02-29

魏烈旭（1987-），男，山东莱芜人，工程师，主要从事冶金炉、余热锅炉及锅炉房的设计工作。E-mail:cswlegz@126.com