反應塔冷卻系統設計中數值模擬的應用

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0引言

閃速爐是一種冶煉設備，能夠高效處理一些粉狀硫化礦物。這種設備主要由精礦噴嘴、反應塔、沉淀池以及上升煙道四個部分組成。反應塔主要位于沉淀池的上方，其中進行熔煉反應。反應塔的長期環境都是高溫，受到煙氣與熔體的雙重沖涮，會受到比較嚴重的腐蝕。工作人員為了減少反應塔受到的損害，使用冷卻系統對反應塔進行降溫。現對反應塔冷卻系統設計中的數值模擬情況進行分析，并總結如下。

1數值模擬的建立

反應塔中的反應過程非常復雜，尤其是高溫煙氣與爐外空氣之間的熱傳遞，其中發生的反應是高溫煙氣與爐體內壁的對流，內部溫度的平衡，以及輻射換熱等。反應塔中這種反應，需要熱量的相互傳遞，還會受到內部材料熱量的影響。冷卻系統的作用，能夠實現冷卻水與冷卻元件之間的熱量置換[1]。這個過程具有結構和傳熱機理方面的對稱性，從實際上分析冷卻單元之間，并沒有熱量的轉換。工作人員要通過爐體冷卻單元進行建模，其三維模型要采用fluent軟件進行計算。在本次研究中，主要應用的模型是熱傳導模型，選取控制容積法進行運算。該模型的研究對象是反應塔爐體，要深入分析其對稱性，然后選取一半冷卻單元作為研究對象，分析需要求解的集合模型，對幾何模型網格劃分進行分析。

2計算結果與分析

工作人員要在實際生產中，選取常用的工藝參數冷卻水量2.5t/h(對應進水速度為1.5m/s)，進水溫度為25℃。基于此，要進行分析和計算，建立冷卻單元三維數值模型，分析求得Z=0面的溫度場分布。從計算結果進行分析，冷卻單元的冷卻效果良好，工作人員不僅能對冷卻元件進行局部設置，還能夠控制冷卻元件周圍的耐火材料區域溫度。針對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，能夠促進內壁掛渣的形成。這是冷卻元件常使用的功能之一。在實踐中，低溫區域能夠延長耐火材料的壽命，并促進反應塔掛渣的形成，確保反應塔得到更好的保護。工作人員在數值的模擬計算中，還能得出冷卻水的出水溫度為31.4℃，溫升為6.4℃。根據這個冷卻水熱量，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%。根據此，冷卻單元的熱量主要是被冷卻水帶走，很少會通過外壁散熱，所以在冷卻系統設計中，冷卻水帶出熱量的計算非常重要。在這個過程中，要促使鋼板維持在較高的溫度，不會影響反應塔的使用性能。冷卻水帶出的熱量，會因為冷卻水的進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，冷卻強度會隨著冷卻水量的變化保持不變，從Q=cmΔt可知，冷卻水的出水與進水溫差與冷卻水的進水量成反比。上圖的曲線，符合這種比例關系。工作人員在冷卻水的進水速度減少的情況下，要把握冷卻水進水溫差和出水溫差，避免水溫過高。所以在冷卻系統的設計中，不能將冷卻水量設計的太小[3]。冷卻水帶出熱量與冷卻水進水溫度的關系，工作人員能夠推測出，冷卻水進水溫度的增加，會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度會隨著冷卻水溫度的變化保持不變。

3結語

數值模擬在反應塔冷卻系統設計中，要進行建模計算，更加準確研究冷卻系統，主要的結果是冷卻單元的效果較好，能夠促進反應塔內壁掛渣的形成。冷卻水會帶走冷卻系統的散熱損失，關鍵是設計與計算冷卻單元冷卻水溫升帶出熱量。工作人員針對冷卻系統的總循環水量與溫升，以及冷卻單元的冷卻強度與冷卻水的進水溫度，都需要深入的分析，找準關系，增加冷卻強度。在本次研究中模型忽略了反應塔內壁掛渣的影響，掛渣的形成機理以及掛渣對反應塔冷卻系統的影響，所以在反應塔的冷卻系統研究中，要將其當作下一步工作。

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