劉嬌洋，李冬梅

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

轉(zhuǎn)化器套環(huán)管混氣裝置數(shù)值模擬研究

劉嬌洋，李冬梅

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

闡述了采用CFD軟件對(duì)轉(zhuǎn)化器流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的建模、計(jì)算過程和方法。為研究套環(huán)管混氣裝置對(duì)轉(zhuǎn)化器氣流分布的作用，對(duì)其入口煙道及其中一段轉(zhuǎn)化層進(jìn)行建模，分析不同套環(huán)管設(shè)置對(duì)轉(zhuǎn)化器氣流分布的影響。

轉(zhuǎn)化器；套環(huán)管混氣裝置；氣流分布；數(shù)值模擬

隨著有色冶金富氧冶煉技術(shù)的發(fā)展，利用冶煉煙氣的制酸工程越來越向著高濃度和大型化方向發(fā)展，同時(shí)高濃度轉(zhuǎn)化技術(shù)的采用大大地節(jié)省了煙氣凈化和制酸設(shè)備的投資，在防止大氣污染的同時(shí)又降低了運(yùn)行成本并實(shí)現(xiàn)資源的回收利用。然而，高濃度轉(zhuǎn)化技術(shù)帶來的不僅僅是轉(zhuǎn)化溫度的升高、設(shè)備規(guī)模的增大，由于生產(chǎn)工藝的原因，常常需要將不同溫度、不同濃度或不同組分的氣體進(jìn)行混合，而高濃度轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)一步提高了溫度差和濃度差。在硫酸轉(zhuǎn)化工序中，不同工況下的氣體能否均勻混合是影響氣體轉(zhuǎn)化率的重要因素，不均勻的氣體混合必定會(huì)引起轉(zhuǎn)化率的下降，從而導(dǎo)致硫酸尾氣的排放超標(biāo)。氣體混合需要消耗一定的動(dòng)能。理論上混合效率越高，消耗的動(dòng)能越大；但是消耗的動(dòng)能越大，不一定混合效率就越高。

由于技術(shù)水平及人力物力等方面的局限性，單純通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)研究的方法來設(shè)計(jì)開發(fā)出高效低阻的混氣裝置是難以想象的，且往往事與愿違。本文即是針對(duì)這一問題，采用CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行氣體混合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬研究，從而更加合理地確定混氣裝置結(jié)構(gòu)，完成混氣裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。將CFD技術(shù)應(yīng)用于硫酸工業(yè)裝置的開發(fā)研究，不僅可以避免采用傳統(tǒng)研發(fā)途徑的局限性，還可以節(jié)約研發(fā)資金、縮短研發(fā)周期，對(duì)于我國(guó)硫酸行業(yè)的發(fā)展具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1 模型的建立與求解

混氣裝置要求混合效率高、阻力損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，同時(shí)占地面積小、操作簡(jiǎn)單且可用于不同組分、不同溫度的氣體混合，尤其適合高濃度冶煉煙氣的冶煉系統(tǒng)配套制酸工藝的氣體混合。

本文提出的轉(zhuǎn)化工序混氣裝置主要由主管、旁管、套環(huán)管等部件組成，在套環(huán)管內(nèi)的主管周圍均勻開設(shè)小孔。旁路煙氣進(jìn)入套環(huán)管后，穿過小孔與主煙氣實(shí)現(xiàn)初步混合。如何設(shè)計(jì)套環(huán)管內(nèi)主管上的開孔，是保證裝置真正實(shí)現(xiàn)高效低阻的關(guān)鍵所在。為便于對(duì)比分析混氣裝置的效果，此處建立不設(shè)混氣裝置的原始模型和設(shè)混氣裝置的套環(huán)管兩種幾何模型，具體根據(jù)硫酸轉(zhuǎn)化工序的典型結(jié)構(gòu)建立原始模型和套環(huán)管模型如圖1所示，其中檢測(cè)面一和檢測(cè)面二為模擬結(jié)果檢測(cè)面。

圖1 幾何模型

為了便于提取模型及數(shù)值計(jì)算，對(duì)流場(chǎng)假設(shè)如下：流體流動(dòng)為不可壓縮穩(wěn)態(tài)流；流體為均質(zhì)氣體，流動(dòng)過程不發(fā)生相變和化學(xué)變化；主旁路進(jìn)氣來自各自的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，入口氣流均勻分布。主路、旁路煙氣氣體狀態(tài)及各自的物性參數(shù)如表1所示。

表1 主路、旁路煙氣狀態(tài)及物性參數(shù)

本文研究的是兩股氣流的混合效果，依據(jù)軟件計(jì)算原理[1]及適用推薦[2]，采用歐拉混合模型(mixture model)，將兩股氣流分別假定為單相介質(zhì)，其中主路為主相，旁路為次相，采用分離式求解器、Realizable計(jì)算模型、SIMPLEC算法和二階精度格式對(duì)模型的兩相氣體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其余采用默認(rèn)設(shè)置。

轉(zhuǎn)化器觸媒層設(shè)置為多孔介質(zhì)模型。由于瓷球和觸媒顆粒亂堆填充，故假定多孔介質(zhì)區(qū)域各向同性，具體參數(shù)依據(jù)瓷球和觸媒的顆粒形狀計(jì)算，以保證該區(qū)域的動(dòng)量損失與實(shí)際相符。入口邊界設(shè)定為速度入口，出口設(shè)定為壓力出口。

本文所建套環(huán)管模型采用Φ150規(guī)格的開孔，依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的過程，分別建立了開孔數(shù)目為144、112、72的3種套環(huán)管模型，模型開孔設(shè)置規(guī)律如表2所示。

表2 套環(huán)管模型

2 模擬結(jié)果分析

2.1 可視化圖像分析

為了解流體的流動(dòng)狀態(tài)且便于分析對(duì)比，本文提取原始模型及套環(huán)管開孔8×18×Φ150模型主視圖及入口所在平面俯視圖的旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)云圖如圖2所示，圖中顏色由淺到深即表示物理量由大到小逐漸降低。

圖2 整體煙氣旁路體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖2主視可以看出，在進(jìn)入轉(zhuǎn)化器之前的煙道內(nèi)，原始模型旁路體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)煙道中心截面處大面積呈現(xiàn)淺色；進(jìn)入轉(zhuǎn)化器之后，也大面積呈現(xiàn)淺色略有加深，體積分?jǐn)?shù)大部分＞0.65。套環(huán)管模型旁路體積分?jǐn)?shù)在整個(gè)煙道中心截面處呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的淺色；進(jìn)入轉(zhuǎn)化器之后，整個(gè)轉(zhuǎn)化器處顏色較煙道內(nèi)略有加深，體積分?jǐn)?shù)大部分為0.5左右，兩股氣流各占一半的分布狀態(tài)，流體明顯混合更均勻。圖2俯視可以明顯觀測(cè)到原始模型旁路進(jìn)口側(cè)氣流存在嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，旁路氣流未與主路氣流混合即沿?zé)煹澜鼙诹魅朕D(zhuǎn)化器；當(dāng)增設(shè)套環(huán)管時(shí)，旁路煙氣沿套管繞流至主管背面，再?gòu)闹鞴苌祥_設(shè)的分布孔流入主管，與主管煙氣混合。

圖3為檢測(cè)面旁路體積分?jǐn)?shù)云圖。

圖3 檢測(cè)面旁路體積分?jǐn)?shù)云圖

檢測(cè)面一選取的是主旁路氣流混合之初的界面，體現(xiàn)的是混氣的直接效果。由圖3可以看出，原始模型旁路進(jìn)口方向的煙道管壁邊呈現(xiàn)淺色，是旁路煙氣的主要通道；而與旁路進(jìn)口方向相對(duì)的煙道管壁處呈現(xiàn)深色，是主路煙氣的主要通道；中間由淺至深的顏色變化區(qū)即為兩相氣流的混合區(qū)域：主旁路氣流明顯分層。套環(huán)管模型顏色分布沒有嚴(yán)重分層現(xiàn)象，與原始模型相反，與旁路進(jìn)氣側(cè)相對(duì)的煙道管壁附近區(qū)域反而呈現(xiàn)一定的淺色，旁路進(jìn)氣一側(cè)管壁附近呈現(xiàn)一定的深色，主旁路氣流的流動(dòng)明顯出現(xiàn)大量混合。

檢測(cè)面二選取的是流體通過導(dǎo)流板進(jìn)入轉(zhuǎn)化器后的界面，體現(xiàn)的是影響轉(zhuǎn)化效率的最終混氣效果。由圖3可以看出，原始模型主旁路兩股氣流沿主管進(jìn)入轉(zhuǎn)化器后各自沿筒壁繞流，旋至中心后混合，總體仍存在分邊的趨勢(shì)；套環(huán)管模型中，氣流在檢測(cè)面二處已混合得非常均勻，旁路體積分?jǐn)?shù)總體分布在0.5左右。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量一組數(shù)據(jù)對(duì)平均值的偏離，其值的大小反應(yīng)了流體分布的均勻程度，數(shù)值越小表示這組數(shù)據(jù)分布越均勻。為比較不同模型的混合程度，此處在檢測(cè)面一位置處讀取旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差以便于分析混合效果，同時(shí)讀取主路入口至檢測(cè)面一壓降ΔP主、旁路入口至檢測(cè)面一壓降ΔP旁，以了解套環(huán)管造成的阻力損失，具體如表3所示。

表3 檢測(cè)面一模擬結(jié)果

由表3可以看出，套環(huán)管的設(shè)置，使得旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差有所減小，即對(duì)主旁路氣流的混合具有很好的促進(jìn)作用；且開孔數(shù)目越少，旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，氣流混合效果越好。從阻力損失看，套環(huán)管的設(shè)置，使得ΔP旁增加，ΔP主變化不大。由此可見，套環(huán)管的設(shè)置對(duì)旁路阻力損失影響較大，對(duì)主路阻力損失沒有太大影響。

檢測(cè)面一體現(xiàn)的是套環(huán)管的直接影響；對(duì)轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)而言，進(jìn)入轉(zhuǎn)化器之后氣流混合的效果才最終決定轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率，表4讀取了檢測(cè)面二的旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表4 檢測(cè)面二模擬結(jié)果

由表4可以看出，設(shè)置有套環(huán)管的轉(zhuǎn)化器中旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)小于原始模型，氣流混合效果十分理想，且開孔數(shù)目越少，氣流混合效果越好。

3 結(jié)論

轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣流混合的效果受套環(huán)管和整個(gè)氣流通道的影響，計(jì)算結(jié)果顯示，套環(huán)管開孔8×18× Φ150、8×14×Φ150、8×9×Φ150模型較原始模型旁路煙氣體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別減小了78.3%、78.3%、84.6%，由此可見，套環(huán)管作為一種混氣裝置，當(dāng)開孔規(guī)格相同時(shí)，其開孔面積越小，氣流混合越均勻，氣流均布效果更好，開孔面積最少的套環(huán)管開孔8×9× Φ150模型體現(xiàn)出最好的混氣效果。由此得出結(jié)論，提高套環(huán)管氣體的進(jìn)入速度可有效提高混合效果。

就工程應(yīng)用而言，套環(huán)管模型是一種有效的氣流混合裝置，本文僅對(duì)這一結(jié)構(gòu)做了初步的研究。除開孔數(shù)目外，關(guān)于開孔的直徑、排布也是應(yīng)該進(jìn)一步探討的問題。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)開孔規(guī)格及開孔分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)比較，在制造及工藝條件允許的條件下，尋求最優(yōu)的氣流混合效果。

[1]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:1-158．

[2]王瑞金,張凱,王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:151-164．

Research on Numerical Simulation of Gas Mixture Device of Lantern Ring Pipe in Converter

LIU Jiaoyang,LI Dongmei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper presents numerical calculation modeling,calculating process and methods of converter flow field by using CFD software.In order to investigate the effect of gas mixture device of lantern ring pipe on gas distribution of converter,the modeling is carried out for the inlet gas duct and one pass of converting layer and the paper analyzes the effects of different lantern ring pipes on converter gas flow distribution.

converter;gas mixture device of lantern ring pipe;air flow distribution;numerical simulation

TQ111.16

B

1004-4345(2015)06-0026-03

2015-01-04

劉嬌洋（1985—），女，工程師，主要從事化工設(shè)備非標(biāo)設(shè)計(jì)工作。