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铅锌密闭鼓风炉内熔炼过程与气粒两相流动的数值模拟研究

刘朝东  
【摘要】: 铅锌密闭鼓风炉是铅、锌冶炼的重要设备,但由于存在炉内易长炉结、清扫周期短、炉内耐火材料使用寿命低等问题,使其应用受到了很大的限制。本文采用数值模拟方法,对炉内熔炼过程以及多相流动进行系统研究,为结构参数与操作参数的优化提供理论指导。 通过对铅锌密闭鼓风炉熔炼过程中氧化铅、氧化锌还原反应以及焦炭燃烧反应的热力学和动力学机理的研究,确定了主要反应过程。通过对微元体内气相,粒相以及两相之间的传热、传质和化学反应的分析,确定了相应的计算方法,建立了描述炉内熔炼过程的一维数学模型。 基于常微分方程的Euler求解方法,应用VB程序语言开发了数值求解炉内熔炼过程的程序,实现了铅锌密闭鼓风炉内温度和各物质流量的一维数值模拟。计算得到的料面位置炉气温度和浓度与现场测试数据相吻合,验证了模型的有效性。根据炉内气体和物料沿炉高方向上的温度和流量分布,把炉内划分为物料加热带、PbO还原带、ZnO还原带、焦炭气化带、焦炭燃烧带五带,为定性分析炉内生产状况提供了理论依据。 应用上述模型,研究了操作参数对熔炼过程的影响。结果表明:一次风风量增加5.9%,炉气和物料最高温度分别上升10.5%和14.0%,炉内焦点区和物料还原带的位置分别上移0.42m和0.8m,物料还原速度加快;一次风温度升高6.8%,炉内气体和物料的最高温度分别提高了7.2%和10.0%,物料还原带位置上移了0.5m;入炉焦炭量增加2.9%,炉内气体和物料的最高温度分别降低了3.4%和6.1%,同时各物质还原带位置下移0.4m。 以商业软件Fluent6.2为平台,采用双流体模型,完成了炉内冷态气粒两相流动三维数值模拟,并对不同操作参数和结构参数下风口区冷态气粒两相流流场进行了研究。其结果表明:对于所研究的对象,一次风风速的增加,风口回旋区增大,但过大的风速会使相对风口之间气流吹通,最佳一次风风速在265m/s左右;增加一次风风口的插入深度,可增加炉身下部料层中央的气流速度;减小一次风风嘴向下倾斜的角度,可以加大炉身下部料层中央的气流速度,但过小的倾斜角度,会使相对风口之间气流吹通,而随着该角度的增大,风口回旋区随之变小,得到最佳一次风风嘴向下倾斜角的度在10°~20°之间。


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