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液态高铅渣还原炉内多相流数值模拟与优化

夏韬  
【摘要】:摘要:液态高铅渣还原炉是直接炼铅过程中还原工序的主要设备,其运行过程受炉内高温熔体与混合气体、煤粉颗粒间的多相流动过程的影响较为明显。深入了解还原炉关键的结构、操作参数对炉内多相流流动过程的影响规律,对强化冶金还原反应强度,提高能源利用效率,促进液态高铅渣的直接还原技术进步具有重要的理论与实践意义。 本文通过对高铅渣还原过程及炉体设备的详细研究,综合利用工程热力学、传热学及计算流体力学等理论,构建了液态高铅渣还原过程的多相流物理模型和数学模型,对液态高铅渣还原炉内多相流动过程进行非稳态数值计算,比较了无量纲直径(气泡直径/喷枪直径)和喷枪根部气泡频率的数值模拟结果与水模型实验结果,两结果吻合较好,验证了模型的可靠性。 基于数值模拟的方法,研究了还原炉内气—液两相流过程中各物理场的分布及气—液—固三相中煤粉颗粒在熔池中的分布,结果表明:炉内压力整体呈层状分布;气相主要集中在喷枪区域附近的熔体中,熔池气含率为1.2%,熔体平均流速为0.05m/s;熔池搅动过程中伴随有喷溅现象,挂渣区域集中在喷枪上方的炉顶壁面;喷入的煤粉颗粒主要分布在熔池的中上部及烟气区域。 采用单因素方法,确定了还原炉喷枪倾角、熔池深度、喷枪直径及喷枪间距等参数的最优操作区间:喷枪倾角为10°~20°、熔池深度为0.8m-1m、喷枪直径为40mm~60mm、喷枪间距为0.83-1.04m。 设计正交试验方案,通过矩阵分析的方法对试验结果加以分析讨论,在各因素中,对液态高铅渣还原炉流动过程影响大小顺序依次为:喷枪直径喷枪倾角熔池深度喷枪间距;得到的最优工况为:C3B1A1D2,即喷枪直径60mm,喷枪角度10°,熔池深度为800mm,间距采用950mm;与基准工况相比,优化后熔池气含率增大了12.5%,熔池区域流体平均运动速度增大了9.22%,平均湍动能增大了9.89%。


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