[科普中國(guó)]-中央擴(kuò)散型精礦噴嘴

簡(jiǎn)介

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有40 臺(tái)煉銅閃速爐建成投產(chǎn)( 在運(yùn)行37 臺(tái)，其中一步煉銅閃速爐3 臺(tái)，冰銅吹煉閃速爐2 臺(tái)，煉鎳閃速爐6 臺(tái)) ，約占全世界粗銅冶煉的50 %。 自從閃速爐出現(xiàn)后，閃速爐的核心設(shè)備精礦噴嘴就不斷更新發(fā)展，單個(gè)精礦噴嘴逐步取代原有的4 個(gè)噴嘴，生產(chǎn)能力得以明顯提高。 目前廣泛采用的是中央擴(kuò)散型噴嘴，噴嘴應(yīng)用初期其生產(chǎn)潛力大、技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，而當(dāng)今擴(kuò)產(chǎn)時(shí)塔內(nèi)出現(xiàn)顆粒分布不均、氣粒混合不佳、冶煉不完全等問題。 閃速爐熱工過程具有影響因素之多、反應(yīng)緩慢且滯后性明顯等特點(diǎn)，直接的熱態(tài)取樣測(cè)試極其困難，現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究成果不多，大多是采用間接的冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法研究。 Koh 等建立鎳閃速爐冷態(tài)模型，研究發(fā)現(xiàn)通過分散錐后的精礦粉集于爐膛中心下方區(qū)域。 Zhou Ping等采用高速攝影法對(duì)精礦噴嘴預(yù)下料過程進(jìn)行偏析研究，發(fā)現(xiàn)下料方式影響下料管內(nèi)顆粒分布均勻性，存在局部偏析、徑向偏析和周向偏析等現(xiàn)象。 艾元方等建立了閃速爐冷態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)中央擴(kuò)散型噴嘴控制的反應(yīng)塔內(nèi)顆粒分散和氣?；旌线M(jìn)行了研究，證實(shí)了存在顆粒聚集于爐膛中心噴嘴正下方區(qū)域和顆粒均勻彌散分布于噴嘴下方區(qū)域兩種情況。 Solnordal 等對(duì)Olympic Dam 閃速爐塔內(nèi)氣粒兩相流場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)氣流和顆粒均集中位于塔中心，而且顆粒粒徑影響仿真結(jié)果。 Sasaki 等模擬發(fā)現(xiàn)顆粒彌散向外均勻分散，垂直于反應(yīng)塔中心軸線的反應(yīng)塔截面上顆粒在較寬區(qū)域分布。 Debrincat 等和Higgins 等模擬發(fā)現(xiàn)顆粒聚集程度主要受顆粒－ 氣流質(zhì)量比、粒徑和反應(yīng)塔入口湍流強(qiáng)度等影響。 陳卓等對(duì)金隆閃速爐噴嘴仿真研究，發(fā)現(xiàn)投料速度加大時(shí)，氣粒兩相混合變差、顆粒著火延遲，噴嘴操作參數(shù)變化影響塔內(nèi)冶煉過程。 常金彪等對(duì)中央擴(kuò)散型噴嘴改進(jìn)旋流風(fēng)口并仿真研究，發(fā)現(xiàn)旋吹分布風(fēng)可促進(jìn)爐內(nèi)氣?；旌线^程1。

噴嘴物理模型中央擴(kuò)散型噴嘴包括中央氧管、分散風(fēng)管和分散錐、下料通道、空氣腔和調(diào)風(fēng)錐，設(shè)置工藝風(fēng)、分散風(fēng)、中央氧和顆粒流。 調(diào)風(fēng)錐可上下移動(dòng)改變工藝風(fēng)出口氣流速度，分散錐可改變礦粉下落方向，工藝風(fēng)和分散風(fēng)共同作用于礦粉，使礦粉能達(dá)到適度分散的目的，中央氧可補(bǔ)充冶金反應(yīng)中供氧量。 模擬旨在研究常溫噴嘴出口附近區(qū)域氣粒兩相流動(dòng)，因此，物理模型包括中央擴(kuò)散型噴嘴及塔上部區(qū)域，即直徑為1. 1 m 的反應(yīng)塔，高度為0. 68 m，分散錐底側(cè)周向均布150 個(gè)分散風(fēng)孔。采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，自中心向外由密變疏，對(duì)噴嘴附近網(wǎng)格局部加密以保證求解精度。

單工況模擬及模型驗(yàn)證單工況模擬選擇模型基準(zhǔn)工況，該工況模型實(shí)驗(yàn)給料速度為1. 82 t /h，工藝風(fēng)流量1 530 Nm3 /h、速度75 m/s，分散風(fēng)流量140 Nm3 /h、速度344 m/s，中央氧流量60 Nm3 /h、速度80 m/s。

塔內(nèi)氣流主要集中于反應(yīng)塔模型中心，氣柱直徑約占爐膛直徑的1 /3，越靠近噴嘴，氣流速度越大，氣流在噴嘴附近區(qū)域有較小膨脹，工藝風(fēng)高速氣流影響著爐內(nèi)氣流的主要分布，中央氧的高速氣流提供了精礦反應(yīng)的補(bǔ)充氧量，在工藝風(fēng)和中央氧環(huán)形軟通道內(nèi)部存在低速區(qū)，顆粒群在二者及分散風(fēng)的作用下分散于爐內(nèi)空間，越靠近爐壁，氣流流動(dòng)越弱。 因此可以判定，氣粒混合和反應(yīng)過程發(fā)生在爐膛中心區(qū)域。

顆粒分散形狀類似一把沒完全打開的傘，分散空間占比爐膛空間小，在分散風(fēng)徑向水平射流作用下，部分顆粒向外分散，而大部分顆粒在強(qiáng)大工藝風(fēng)氣流作用下，沿分散錐曲面流下，且越靠近噴嘴，顆粒速度越大，接近30 m/s，氣體和顆粒動(dòng)量交換越劇烈，越靠近爐膛中心，顆粒速度亦大，這是因?yàn)闅饬髦饕杏跔t膛中心。 可以推斷，要保證良好的氣?；旌稀㈩w粒分散和完全冶煉過程，除調(diào)節(jié)操作參數(shù)外，也要考慮爐膛的高度作用。

模型出口面顆粒分布呈射流狀，其主要由仿真模型的小孔型分散風(fēng)模型決定，可以看到，正中心顆粒濃度較低，說(shuō)明顆粒較少，是因?yàn)橹行拇嬖谥醒胙?，避免了顆粒向爐膛中心的過度集中，而僅次其外圈時(shí)，顆粒濃度較大，說(shuō)明工藝風(fēng)氣流剛好將大部分顆粒封鎖在其風(fēng)環(huán)內(nèi)側(cè)，外部小射線型顆粒濃度集中區(qū)是由小孔分散風(fēng)射流造成，分散風(fēng)出口面積小、流速快、對(duì)顆粒作用明顯，使部分顆粒經(jīng)動(dòng)量傳遞后迅速沿徑向向外運(yùn)動(dòng)。 可推斷氣粒劇烈反應(yīng)并未發(fā)生于爐膛正中心區(qū)域，而是形成了高效冶煉環(huán)。仿真研究表明，工藝風(fēng)氣流占據(jù)主導(dǎo)作用，分散風(fēng)徑向射流作用弱，顆粒主要集中于反應(yīng)塔中心。

模型驗(yàn)證數(shù)值模擬采用了DPM 模型，只能從計(jì)算數(shù)據(jù)中得到出口面顆粒濃度分布，而針對(duì)上述工況按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)顆粒出口面劃分5 個(gè)同心圓環(huán)形面( 半徑依次為90 mm、240 mm、340 mm、440 mm、550 mm) ，對(duì)環(huán)形面顆粒濃度、氣流速度及面積積分得到出口面顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此采用下式轉(zhuǎn)換以驗(yàn)證模型的有效性。

仿真結(jié)果顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)x1為18. 54 %，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為16. 29 %，誤差僅為2. 8 %，誤差較大者為x2，經(jīng)計(jì)算仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為6. 3 %，考慮到仿真模型的局部簡(jiǎn)化以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)和操作中存在的誤差，據(jù)此證明本數(shù)值模型準(zhǔn)確可靠，能客觀反映出閃速爐模型氣粒兩相流動(dòng)分布特點(diǎn)及其變化規(guī)律2。

給料速度和分散風(fēng)研究為了研究給料速度L 和分散風(fēng)QD對(duì)閃速爐模型內(nèi)空間的氣粒兩相流動(dòng)及混合行為的影響，而其他參數(shù)保持不變，即工藝風(fēng)流量為1 530 Nm3 /h，入口速度為75 m/s，中央氧速度為80 m/s。

當(dāng)給料速度L 由1. 82 t /h 增大到7. 28 t /h 時(shí)，噴嘴正下方中心區(qū)域顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1依次減小，最大為15. 84 %，最小為1. 44 %，說(shuō)明隨著給料速度的增大，分散風(fēng)作用于更多的顆粒，使其向外分散; X2相比X1增加較多，說(shuō)明分散風(fēng)分散顆粒作用有限，僅第二環(huán)空間顆粒增加較快，而X3、X4、X5均增大較少，基本呈線性增大。 可以發(fā)現(xiàn)，分散風(fēng)速率不變時(shí)，顆粒料幕的增加能夠影響爐內(nèi)顆粒的分散及分布情況，主要促使顆粒降落在第二環(huán)接?？臻g區(qū)域，外側(cè)顆粒分布的類似性取決于噴嘴模型采用分散風(fēng)小孔射流，剛好被分散風(fēng)水平直射的顆粒分散越遠(yuǎn)離爐膛中心。 因此，可以推斷實(shí)際閃速爐冶煉生產(chǎn)的部分工況中有可能存在高溫環(huán)形冶煉現(xiàn)象。

當(dāng)分散風(fēng)QD由140 Nm3 /h 減小到50 Nm3 /h 時(shí)，噴嘴正下方中心區(qū)域顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)X1依次增大，最小為5. 7 %，最大為59. 52 %，說(shuō)明隨著分散風(fēng)流量增大，分散風(fēng)對(duì)顆粒的徑向分散作用明顯增強(qiáng); X2相比X1增加較多，說(shuō)明分散風(fēng)徑向分散作用有限，第二環(huán)出口顆粒增加較多。 分散風(fēng)為50 Nm3 /h時(shí)，第三環(huán)顆粒累積百分?jǐn)?shù)X3已達(dá)到100%，分散風(fēng)為71 Nm3 /h 時(shí)，X4已到達(dá)100%，說(shuō)明分散風(fēng)流量較小時(shí)，顆粒與氣流之間徑向動(dòng)量交換小，顆粒分散不足。 因此，可以判斷分散風(fēng)對(duì)閃速爐內(nèi)顆粒的分散有著明顯的調(diào)節(jié)作用。

總結(jié)中央擴(kuò)散型精礦噴嘴空氣動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值模擬研究表明: 可以建立中央擴(kuò)散型噴嘴控制模型，對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)、濃度場(chǎng)及顆粒軌跡進(jìn)行仿真研究。 采用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了中央擴(kuò)散型噴嘴控制模型的有效性，最大誤差為6. 3 %。 工藝風(fēng)氣流占主導(dǎo)作用時(shí)，塔內(nèi)顆粒分布集中于反應(yīng)塔中心。分散風(fēng)可調(diào)節(jié)爐內(nèi)顆粒的分散及分布情況，工藝風(fēng)和中央氧環(huán)形氣流下方顆粒分布較多。相同工藝風(fēng)和分散風(fēng)條件下，給料速度對(duì)爐內(nèi)顆粒分散和分布情況影響較小3。