高溫銅渣顆粒流換熱CFD模擬研究

閻新志 楊國強 武海軍 朱曉磊 劉 艷 李燕江

(1.赤峰白音華物流有限公司，內蒙古 赤峰 024000；2.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240；3.中國科學院過程工程研究所，北京 100190；4.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

銅渣是銅冶煉過程產生的廢渣，每生產 1 t銅大約產生2.2 t銅渣[1]，我國銅渣年產生量有2 000～3 000萬t[2]。銅渣出爐溫度為1 200～1 300 ℃，每噸銅渣大約含1.3 GJ熱量，是一種很好的二次資源。但是，目前大部分企業采取渣包緩冷的方式冷卻高溫銅渣，沒有進行高溫余熱的回收利用[3]。高溫銅渣余熱的回收利用不但能降低企業生產的能耗，還可以減少環境污染，對企業節能減排具有至關重要的作用。因此，高溫銅渣余熱回收利用技術越來越受到關注，科研人員也進行了一些相關技術研究[4-9]。我們在前期研究中提出了轉杯?；詈项w粒流換熱技術回收高溫銅渣余熱，具有很好的工業應用前景[10]。該技術中，顆粒塔作為?；~渣顆粒流顯熱回收的有效裝置，塔內冷卻段的氣固傳熱性能和料層阻力特性是決定銅渣顆粒流余熱回收技術可行性與回收效益的關鍵因素，直接影響顆粒塔下端出口銅渣顆粒溫度和上端出口氣體顯熱品質，進而影響銅渣顆粒流余熱回收顆粒塔工藝的熱回收效率以及后續余熱利用的合理匹配。雖然涉及物料流動與耦合換熱的冷卻過程的實驗和仿真模擬工作已有報道[11-13]，但是關于高溫銅渣轉杯?；詈蠐Q熱的冷卻過程還未有研究，因此，本文采用CFD模擬技術進行了銅渣顆粒流余熱回收顆粒塔工藝中冷卻段氣固傳熱性能和料層阻力特性的研究，為銅渣顆粒流余熱回收顆粒塔工藝在實際工程中的應用提供數據支撐。

1 顆粒塔冷卻段氣固換熱模型

顆粒塔內銅渣顆粒顯熱回收的本質是冷卻空氣與高溫銅渣顆粒進行氣固逆流式強制對流換熱，以空氣為載體帶走銅渣顆粒的熱量，以達到余熱回收的目的。將銅渣顆粒填充床結構視為多孔介質，其中銅渣顆?？梢暈楣腆w骨架，在顆粒之間的縫隙中流通的冷卻空氣為氣相介質。顆粒塔內銅渣顆粒填充床層結構接近均質、各向同性多孔介質。假設顆粒塔壁面絕熱，忽略內壁面的換熱效應，因此可只分析顆粒塔內冷卻空氣和銅渣顆粒的傳熱過程。在冷卻段同一位置，高溫銅渣顆粒與冷卻空氣有明顯的溫差，處于局部熱力學非平衡狀態，因此可采用局部熱力學非平衡雙能量方程進行求解。

流體項：

ε?(λf?Tf)+hv(Ts-Tf)

(1)

固體項：

(1-ε)?(λs?Ts)-hv(Ts-Tf)

(2)

式中，f為流體項對應參數，s為固體項對應參數，hv為氣固單位體積對流傳熱系數(W/(m3·K))。兩式中等號左邊第一項為非穩態項，表示溫度隨時間的變化，第二項為對流項；等號右邊第一項為擴散項，第二項為源相，代表固體和流體的對流換熱量。

將顆粒塔冷卻段簡化為一圓柱體，控制銅渣顆粒及冷卻空氣在各自區域均勻分布，簡化后的幾何模型如圖1所示，其中冷卻段高度H為2 m，顆粒塔內徑D為3 m。采用Anasys-Fluent對顆粒塔內銅渣顆粒與冷卻空氣的強制對流換熱過程進行數值模擬計算，求解器采用壓力基，時間格式為瞬態，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。銅渣顆粒塔換熱工藝主要參數和材料物性參數如表1所示。假設顆粒塔下端出口處銅渣顆粒溫度為300 ℃時進行出料。根據不同顆粒直徑對應的界面密度、換熱系數以及氣體流速，將顆粒塔內銅渣顆粒與冷卻空氣的換熱過程分為四種工況進行計算，具體參數如表2所示。

表2 計算工況

圖1 顆粒塔及冷卻段示意圖

2 結果分析

2.1 顆粒塔溫度及壓降分析

四種工況下的流體、多孔介質的溫度場和壓力場分布如圖2所示，顆粒塔內的系統壓降如圖3所示。由圖2可知，顆粒塔內流體、多孔介質的溫度場和壓力場在豎直方向呈梯度分布。塔內溫度最高為銅渣初始溫度1 050 ℃，最低為空氣初始溫度260 ℃；銅渣顆粒床層高度為2 m，當出口處銅渣顆粒溫度為300 ℃時，氣體出口溫度為1 050 ℃。對比四種工況可以發現，銅渣顆粒床層發揮有效換熱作用的銅渣顆粒約占全部高溫顆粒的三分之一，表明260 ℃的空氣進入顆粒塔穿過1.5～3 mm的球形銅渣時發生快速強制對流換熱，在很短的時間內完成熱量交換，直到氣體溫度接近甚至與進料顆粒溫度相同，進而達到動態穩定平衡。這主要是歸因于小粒徑的銅渣顆粒與空氣換熱過程中較高的界面密度和換熱系數。此外，由于銅渣粒徑較小，孔隙率僅為40%，氣體穿過銅渣顆粒床層的黏性阻力和慣性阻力相對較大，導致顆粒塔內壓降梯度變化大于溫度梯度變化，不同流速氣體在出口處的壓強接近甚至為0。由圖3可知，當氣流速度為4 m/s時，顆粒塔內壓降約為0.3 MPa；且壓降隨氣流速度增大而近似指數增長，當氣流速度為10 m/s時，顆粒塔內壓降約為2.1 MPa。

圖3 四種工況顆粒塔內系統壓降

2.2 空氣流速對溫度場的影響

不同空氣流速導致顆粒塔內氣固換熱速率不同，進而出口處銅渣顆粒溫度降低至300 ℃的時間也有差異。模擬發現氣流速度為10 m/s時，經過30 s，出口處銅渣顆粒溫度就可以達到排料要求，因此以30 s為基準，比較四種工況條件下顆粒塔內溫度場的變化，結果如圖4所示。由圖4可以看出，同一時刻下，顆粒塔內下部銅渣顆粒冷卻快，上部顆粒冷卻緩慢，即銅渣顆粒床層由下至上逐漸冷卻；隨著冷卻時間的推移，冷卻前沿分界面逐漸上移，且氣流速度越大，前沿分界面上移越快。

圖4 顆粒塔內不同時刻溫度場分布云圖

2.3 顆粒塔換熱區間分析

由上述分析可知，260 ℃的冷卻空氣以4～10 m/s的速度進入銅渣顆粒床層后，二者發生快速熱交換。當進行排料操作時，顆粒塔內發揮換熱作用的銅渣顆粒高度約為床層總高度的三分之一。因此有必要具體分析銅渣顆粒有效換熱高度。圖5為排料口顆粒溫度為300 ℃時顆粒塔內溫度隨顆粒床層高度和模型總高度的變化趨勢，由圖5可知，四種工況條件下換熱區內銅渣顆粒與空氣溫度處于動態平衡，不同位置點上二者溫度基本一致。此外氣流速度越大，換熱區高度越小，10 m/s氣流速度對應的換熱區高度僅為0.85 m；4 m/s氣流速度對應的換熱區高度為1.4 m。

圖5 溫度隨顆粒床層高度和模型總高度變化圖

2.4 顆粒塔換熱時間分析

圖6為排料口顆粒溫度為300 ℃時，四種工況條件下顆粒塔內換熱運行時間。由圖6可知，換熱運行時間隨氣流速度增大而減小，10 m/s氣流速度對應的換熱運行時間最短僅為30 s，4 m/s氣流速度對應的換熱運行時間最長為135 s，是10 m/s氣流速度對應換熱運行時間的4.5倍。此外，由運行時間曲線的斜率變化可以看出，四種工況條件下均表現出運行前期換熱速率快，隨著運行時間的推移，后期換熱速率越來越慢，這主要是由于氣流速度高且前期氣固溫差大，促使換熱系數大，換熱速率快；后期氣固溫差逐漸變小，換熱系數也隨之減小，導致換熱速率減慢。

圖6 四種工況的換熱時間

2.5 顆粒塔換熱量分析

圖7為排料口顆粒溫度為300 ℃時，四種工況條件下顆粒塔內總的換熱量。由圖7可知，氣體帶入熱量、氣體帶走熱量和總的換熱量均隨著氣速增大而線性增加，但是氣體帶入熱量、氣體帶走熱量和總的換熱量曲線斜率依次遞減，說明增大氣速有利于強化顆粒塔內氣固的換熱效果，提高換熱量。10 m/s氣速對應的換量最大為7.0×107W；4 m/s氣速對應的換熱量最小為2.6×107W。

圖7 四種工況的換熱量

3 結論

1)260 ℃的空氣進入顆粒塔穿過1.5～3 mm的球形銅渣發生快速強制對流換熱過程中，顆粒塔內壓降梯度變化大于溫度梯度變化，氣流速度為4 m/s時，顆粒塔內壓降最小約為0.3 MPa；氣流速度為10 m/s時，顆粒塔內壓降最大約為2.1 MPa。

2)氣流速度越大，換熱區高度越小，10 m/s氣流速度對應換熱區高度僅為0.85 m，4 m/s氣流速度對應換熱區高度為1.4 m；換熱運行時間隨氣流速度增大而減小，10 m/s氣流速度對應換熱運行時間最短僅為30 s，4 m/s氣流速度對應換熱運行時間最長為135 s，是10 m/s氣流速度對應換熱運行時間的4.5倍；增大氣流速度有利于強化顆粒塔內氣固的換熱效果，提高換熱量，10 m/s氣流速度對應的換熱量最大為7.0×107W，4 m/s氣流速度對應的換熱量最小為2.6×107W。

3)研究結果可為轉杯?；詈项w粒流換熱回收高溫銅渣余熱技術在實際工程中的應用提供數據支撐。