王 敏

(1.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 黃石 435005；2.有色金屬冶金與循環(huán)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 黃石 435005)

大冶有色金生公司從投產(chǎn)至今已10年，設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)t廢雜銅(含殘極)處理能力。采用豎平爐聯(lián)合處理殘極、廢雜銅工藝，煙氣采用換熱器+布袋收塵器凈化，隨著新環(huán)保法的實(shí)施，環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，金生公司現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)已不能滿足新的環(huán)保要求。因此需對(duì)金生公司現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，公司擬采用驟冷塔+板式換熱器+布袋收塵+尾氣脫硫工藝代替原有煙氣處理工藝。

針對(duì)煙氣處理的關(guān)鍵設(shè)施——驟冷塔，本文利用CFD進(jìn)行模擬，以達(dá)到如下目的：預(yù)測(cè)驟冷塔內(nèi)煙氣的流動(dòng)形態(tài)，準(zhǔn)確計(jì)算塔體的設(shè)計(jì)尺寸，優(yōu)化噴槍的布置方案，確保在生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)煙氣冷卻、水霧完全蒸發(fā)及避免塔內(nèi)壁積灰，并且在保證驟冷塔工藝要求的同時(shí)，節(jié)省工程投資及設(shè)計(jì)周期。

1 CFD介紹

CFD的全稱是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的模擬仿真技術(shù)，其主要用途是對(duì)流體進(jìn)行數(shù)值仿真模擬計(jì)算，其基本原理就是利用計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)的各種守恒控制偏微分方程組的技術(shù)[1-2]，得出流體在連續(xù)區(qū)域的流動(dòng)形態(tài)以及離散分布，從而模擬出流體的大概運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及模型。具有節(jié)約時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用、操作安全、資料完備，且可模擬各種不同工況的優(yōu)點(diǎn)[3]。盡管CFD方法還存在可靠性和對(duì)實(shí)際課題的可算性等問(wèn)題，但這些問(wèn)題已經(jīng)逐步在發(fā)展中得到解決[4]。CFD方法早期在暖通工程應(yīng)用廣泛[5]，現(xiàn)在已逐漸在冶煉及化工工程上得到推廣。

2 CFD模擬設(shè)計(jì)及實(shí)施效果

2.1 設(shè)計(jì)條件

1)入口煙氣。選擇極端的入口煙氣條件，詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

表1 極端入口煙氣條件

2)出口煙氣。出口煙氣參數(shù)：煙氣出驟冷塔的溫度準(zhǔn)確控制在290±10 ℃；煙氣冷卻時(shí)間盡量短，控制在2 s內(nèi)；驟冷塔的噴霧需要全部汽化，不能產(chǎn)生液滴，形成酸滴腐蝕塔體。

該設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)：煙氣量波動(dòng)大；煙氣溫度波動(dòng)大；煙氣具有一定腐蝕性。

2.2 初選設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1 噴槍的初步選擇

1)選取最大極限煙氣條件：煙氣量12 000 Nm3/h，溫度950 ℃。最大汽化噴霧水量計(jì)算式見(jiàn)式(1)、式(2)[6]。

Q=V[c1t1-(1+k1)c2t2]+Vk1cktk

(1)

W=Q/(2 490+1.97t2-4.19ts)

(2)

式中：Q為需要冷卻的熱量，kJ/h；V為進(jìn)入冷卻設(shè)備的煙氣量，m3/h；c1、c2分別為冷卻設(shè)備進(jìn)、出口煙氣的平均比熱容，kJ/(m3·℃)；k1為設(shè)備漏風(fēng)率，%；ck為空氣平均比熱容，kJ/(m3·℃)；t1、t2分別為冷卻設(shè)備進(jìn)、出口溫度，℃；tk為漏入空氣溫度，℃；W為噴水量，kg/h；ts為噴入水的溫度，℃。

通過(guò)計(jì)算Wmax為1.59 t/h。

2)選取最小極限煙氣條件：煙氣量4 200 Nm3/h，溫度800 ℃，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算最小汽化噴霧水量Wmin為0.292 t/h。

根據(jù)噴霧水量的范圍初步選用型號(hào)為1×FM10A- 55的雙流體噴槍，噴霧量調(diào)節(jié)范圍為0.2～1.8 t/h，數(shù)量1支。

2.2.2 塔體尺寸的初步確定

根據(jù)最大煙氣量、汽化速率及煙氣流速計(jì)算塔體最經(jīng)濟(jì)尺寸，計(jì)算式見(jiàn)式(3)、式(4)[6]。

V1=[V(1+K1/2)+?W/(2×0.804)][1+ (t1+t2)/ (2×273)]P0/B

(3)

D=(V1/3 600×0.785v)1/2

(4)

式中：V1為噴霧塔內(nèi)煙氣平均煙氣流量，m3/h；K1為漏風(fēng)系數(shù)，%；?為汽化系數(shù)，%；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，0.101 MPa；t1、t2分別為冷卻設(shè)備進(jìn)、出口溫度，℃；B為氣體絕對(duì)壓力，MPa；v為煙氣在塔內(nèi)流速，m/s；D為噴霧塔直徑，mm。

通過(guò)計(jì)算得出噴霧塔的直徑為Φ2 500 mm。根據(jù)式(5)、式(6)計(jì)算噴霧塔有效高度。

Vt=W1?(2 490+1.97t2-4.18ts)/(Δt×K0×3.6)

(5)

H=Vt/0.785D2

(6)

式中：Vt為噴霧塔容積，m3；W1為蒸發(fā)水量，m3/h；t2為冷卻設(shè)備出口溫度，℃；ts為噴入水的溫度，℃；Δt為煙氣進(jìn)行熱交換時(shí)的平均溫度差，℃；K0為容積傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；H為噴霧塔有效高度，mm；D為噴霧塔直徑，mm。

通過(guò)計(jì)算得出噴霧塔的有效高度為7 000 mm。加上塔頂和底部分，總高度為10 600 mm，

塔體尺寸為：Φ2 500×10 600 mm。

2.2.3 塔體材質(zhì)的初步確定

煙氣中含少量二氧化硫，具有一定腐蝕性，塔體材質(zhì)采用普通304不銹鋼。

2.2.4 噴槍的位置初步確定

本項(xiàng)目采用干式冷卻，所以噴槍的配置決定冷卻塔最終冷卻效果。根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行初步基礎(chǔ)流場(chǎng)分析，了解塔內(nèi)煙氣的流動(dòng)情況，預(yù)測(cè)塔內(nèi)煙氣可能存在的偏流、旋流、回流情況以及高溫?zé)煔饬飨蜈厔?shì)，并通過(guò)以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出驟冷塔噴槍的布置方案。初步配置方案是噴槍布置在塔頂部中部，噴槍中心位置設(shè)計(jì)根基礎(chǔ)流場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，初步選定三個(gè)設(shè)計(jì)方案：方案一噴槍中心位置位于塔中心；方案二噴槍中心位置向氣流入口方向平移150 mm；方案三噴槍中心位置向氣流出口方向平移150 mm。

2.3 CFD模擬

將以上初步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及三種噴槍位置等數(shù)據(jù)輸入CFD計(jì)算軟件，可以得到噴霧塔在煙氣量、溫度在最大及最小值的CFD模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，并得到數(shù)值分析結(jié)果圖，其中方案三噴槍中心位置向氣流出口方向平移150 mm方案為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算結(jié)果如圖1～8所示。

圖1 Max-塔內(nèi)煙氣流線圖

圖2 Max-塔內(nèi)溫度分布圖

從計(jì)算結(jié)果得知塔內(nèi)煙氣流動(dòng)比較復(fù)雜，存在旋流、偏流與回流，總體以平流為主(圖1, 圖5)；塔內(nèi)煙氣噴霧溫降梯度穩(wěn)定，出口煙氣溫度基本在290 ℃左右(圖2, 圖6)；按圖1噴槍布置，塔內(nèi)噴霧羽流位于塔中央，避免噴霧撞壁從而引發(fā)的濕壁風(fēng)險(xiǎn)(圖3, 圖7)；通過(guò)分析液滴軌跡跟蹤圖，塔內(nèi)形成的噴霧液滴能在到達(dá)塔壁之前實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā)，塔底部也不會(huì)有液滴出現(xiàn)(圖4, 圖8)。

圖3 Max-噴霧羽流形態(tài)線圖

圖4 Max-液滴軌跡跟蹤圖

圖5 Min-塔內(nèi)煙氣流線圖

綜上所述，從初步設(shè)計(jì)的驟冷塔內(nèi)煙氣進(jìn)行噴霧急冷的CFD模擬中可以看出，煙氣量及溫度在最大、最小值波動(dòng)時(shí)，煙氣出口溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，水霧100%完全蒸發(fā)，塔內(nèi)壁無(wú)液滴生成。此CFD模擬驗(yàn)證驟冷塔初始設(shè)計(jì)可行，并確定噴槍中心位置向氣流出口方向平移150 mm為最佳配置方案設(shè)計(jì)，噴槍最終布置如圖9所示。

圖6 Min-塔內(nèi)溫度分布圖

圖7 Min-噴霧羽流形態(tài)線圖

圖8 Min-液滴軌跡跟蹤圖

圖9 噴槍最終布置方案圖

2.4 最終工程設(shè)計(jì)

根據(jù)以上CFD模擬計(jì)算驗(yàn)證了初步設(shè)計(jì)方案可行，本驟冷塔主要設(shè)備最終參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要設(shè)備表

系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目竣工后，生產(chǎn)實(shí)踐證明，新煙氣處理自動(dòng)化程度高，煙氣出口參數(shù)控制準(zhǔn)確，可穩(wěn)定高效運(yùn)行。

2.5 實(shí)施效果

新系統(tǒng)已順利運(yùn)行了一年多，驟冷塔設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行正常，煙氣指標(biāo)控制正常，驟冷塔底無(wú)液滴產(chǎn)生。2018年10月驟冷塔出口煙氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選擇了兩種冶煉周期的煙氣數(shù)據(jù)：一種是氧化周期最大煙量，見(jiàn)10月10日；一種是澆鑄保溫期最小煙氣量，見(jiàn)10月11日。

表3 2018年10月驟冷塔出口煙氣部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文在大冶有色金生公司的驟冷塔設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了CFD模擬技術(shù)，通過(guò)進(jìn)行模擬，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并與實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了對(duì)比。

1)CFD模擬可預(yù)測(cè)驟冷塔內(nèi)煙氣的流動(dòng)形態(tài)，準(zhǔn)確計(jì)算塔體的設(shè)計(jì)尺寸。

2)可根據(jù)CFD模擬，優(yōu)化噴槍的布置方案。

3)通過(guò)CFD模擬輔助，可在生產(chǎn)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)煙氣冷卻、水霧完全蒸發(fā)及避免塔內(nèi)壁積灰。

4)通過(guò)CFD模擬輔助，可節(jié)省工程投資及設(shè)計(jì)周期。

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，采用CFD模擬可以對(duì)工程設(shè)計(jì)做出預(yù)判，可指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確性與可靠性，也可為今后類似項(xiàng)目提供參考價(jià)值。