反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)值模擬的應(yīng)用

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0引言

閃速爐是一種冶煉設(shè)備，能夠高效處理一些粉狀硫化礦物。這種設(shè)備主要由精礦噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池以及上升煙道四個(gè)部分組成。反應(yīng)塔主要位于沉淀池的上方，其中進(jìn)行熔煉反應(yīng)。反應(yīng)塔的長期環(huán)境都是高溫，受到煙氣與熔體的雙重沖涮，會(huì)受到比較嚴(yán)重的腐蝕。工作人員為了減少反應(yīng)塔受到的損害，使用冷卻系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)塔進(jìn)行降溫?，F(xiàn)對(duì)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的數(shù)值模擬情況進(jìn)行分析，并總結(jié)如下。

1數(shù)值模擬的建立

反應(yīng)塔中的反應(yīng)過程非常復(fù)雜，尤其是高溫?zé)煔馀c爐外空氣之間的熱傳遞，其中發(fā)生的反應(yīng)是高溫?zé)煔馀c爐體內(nèi)壁的對(duì)流，內(nèi)部溫度的平衡，以及輻射換熱等。反應(yīng)塔中這種反應(yīng)，需要熱量的相互傳遞，還會(huì)受到內(nèi)部材料熱量的影響。冷卻系統(tǒng)的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻水與冷卻元件之間的熱量置換[1]。這個(gè)過程具有結(jié)構(gòu)和傳熱機(jī)理方面的對(duì)稱性，從實(shí)際上分析冷卻單元之間，并沒有熱量的轉(zhuǎn)換。工作人員要通過爐體冷卻單元進(jìn)行建模，其三維模型要采用fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。在本次研究中，主要應(yīng)用的模型是熱傳導(dǎo)模型，選取控制容積法進(jìn)行運(yùn)算。該模型的研究對(duì)象是反應(yīng)塔爐體，要深入分析其對(duì)稱性，然后選取一半冷卻單元作為研究對(duì)象，分析需要求解的集合模型，對(duì)幾何模型網(wǎng)格劃分進(jìn)行分析。

2計(jì)算結(jié)果與分析

工作人員要在實(shí)際生產(chǎn)中，選取常用的工藝參數(shù)冷卻水量2.5t/h(對(duì)應(yīng)進(jìn)水速度為1.5m/s)，進(jìn)水溫度為25℃?；诖?，要進(jìn)行分析和計(jì)算，建立冷卻單元三維數(shù)值模型，分析求得Z=0面的溫度場(chǎng)分布。從計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，冷卻單元的冷卻效果良好，工作人員不僅能對(duì)冷卻元件進(jìn)行局部設(shè)置，還能夠控制冷卻元件周圍的耐火材料區(qū)域溫度。針對(duì)冷卻元件和煙氣接觸面的溫度，冷卻元件具有較好的降溫效果，能夠促進(jìn)內(nèi)壁掛渣的形成。這是冷卻元件常使用的功能之一。在實(shí)踐中，低溫區(qū)域能夠延長耐火材料的壽命，并促進(jìn)反應(yīng)塔掛渣的形成，確保反應(yīng)塔得到更好的保護(hù)。工作人員在數(shù)值的模擬計(jì)算中，還能得出冷卻水的出水溫度為31.4℃，溫升為6.4℃。根據(jù)這個(gè)冷卻水熱量，其釋放了8876W，冷卻單位損失的熱量為8900，冷卻水帶出熱量占總的熱損失量的99.73%。根據(jù)此，冷卻單元的熱量主要是被冷卻水帶走，很少會(huì)通過外壁散熱，所以在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷卻水帶出熱量的計(jì)算非常重要。在這個(gè)過程中，要促使鋼板維持在較高的溫度，不會(huì)影響反應(yīng)塔的使用性能。冷卻水帶出的熱量，會(huì)因?yàn)槔鋮s水的進(jìn)水速度的增大而增大。但是這種增加的情況比較微小，很難分辨。尤其在冷卻水進(jìn)水速度將至0.525m/s以下，冷卻水帶出熱量一直恒定。由此可以得知，冷卻強(qiáng)度會(huì)隨著冷卻水量的變化保持不變，從Q=cmΔt可知，冷卻水的出水與進(jìn)水溫差與冷卻水的進(jìn)水量成反比。上圖的曲線，符合這種比例關(guān)系。工作人員在冷卻水的進(jìn)水速度減少的情況下，要把握冷卻水進(jìn)水溫差和出水溫差，避免水溫過高。所以在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不能將冷卻水量設(shè)計(jì)的太小[3]。冷卻水帶出熱量與冷卻水進(jìn)水溫度的關(guān)系，工作人員能夠推測(cè)出，冷卻水進(jìn)水溫度的增加，會(huì)降低冷卻水帶出熱量減小。如果減小的幅度比較小，或是溫度沒有變化，那么冷卻單元的冷卻強(qiáng)度會(huì)隨著冷卻水溫度的變化保持不變。

3結(jié)語

數(shù)值模擬在反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行建模計(jì)算，更加準(zhǔn)確研究冷卻系統(tǒng)，主要的結(jié)果是冷卻單元的效果較好，能夠促進(jìn)反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的形成。冷卻水會(huì)帶走冷卻系統(tǒng)的散熱損失，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)與計(jì)算冷卻單元冷卻水溫升帶出熱量。工作人員針對(duì)冷卻系統(tǒng)的總循環(huán)水量與溫升，以及冷卻單元的冷卻強(qiáng)度與冷卻水的進(jìn)水溫度，都需要深入的分析，找準(zhǔn)關(guān)系，增加冷卻強(qiáng)度。在本次研究中模型忽略了反應(yīng)塔內(nèi)壁掛渣的影響，掛渣的形成機(jī)理以及掛渣對(duì)反應(yīng)塔冷卻系統(tǒng)的影響，所以在反應(yīng)塔的冷卻系統(tǒng)研究中，要將其當(dāng)作下一步工作。

作者：李丹 張騫澤 單位：中國石油遼陽石化分公司芳烴廠 中國石油遼陽石化分公司熱電廠