转化器套环管混气装置数值模拟研究

刘娇洋，李冬梅

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

转化器套环管混气装置数值模拟研究

刘娇洋，李冬梅

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

阐述了采用CFD软件对转化器流场进行数值计算的建模、计算过程和方法。为研究套环管混气装置对转化器气流分布的作用，对其入口烟道及其中一段转化层进行建模，分析不同套环管设置对转化器气流分布的影响。

转化器；套环管混气装置；气流分布；数值模拟

随着有色冶金富氧冶炼技术的发展，利用冶炼烟气的制酸工程越来越向着高浓度和大型化方向发展，同时高浓度转化技术的采用大大地节省了烟气净化和制酸设备的投资，在防止大气污染的同时又降低了运行成本并实现资源的回收利用。然而，高浓度转化技术带来的不仅仅是转化温度的升高、设备规模的增大，由于生产工艺的原因，常常需要将不同温度、不同浓度或不同组分的气体进行混合，而高浓度转化技术进一步提高了温度差和浓度差。在硫酸转化工序中，不同工况下的气体能否均匀混合是影响气体转化率的重要因素，不均匀的气体混合必定会引起转化率的下降，从而导致硫酸尾气的排放超标。气体混合需要消耗一定的动能。理论上混合效率越高，消耗的动能越大；但是消耗的动能越大，不一定混合效率就越高。

由于技术水平及人力物力等方面的局限性，单纯通过理论计算或实验研究的方法来设计开发出高效低阻的混气装置是难以想象的，且往往事与愿违。本文即是针对这一问题，采用CFD计算流体动力学仿真技术进行气体混合运动的数值模拟研究，从而更加合理地确定混气装置结构，完成混气装置的优化设计。将CFD技术应用于硫酸工业装置的开发研究，不仅可以避免采用传统研发途径的局限性，还可以节约研发资金、缩短研发周期，对于我国硫酸行业的发展具有很好的实用价值。

1 模型的建立与求解

混气装置要求混合效率高、阻力损失小、结构简单、制作方便，同时占地面积小、操作简单且可用于不同组分、不同温度的气体混合，尤其适合高浓度冶炼烟气的冶炼系统配套制酸工艺的气体混合。

本文提出的转化工序混气装置主要由主管、旁管、套环管等部件组成，在套环管内的主管周围均匀开设小孔。旁路烟气进入套环管后，穿过小孔与主烟气实现初步混合。如何设计套环管内主管上的开孔，是保证装置真正实现高效低阻的关键所在。为便于对比分析混气装置的效果，此处建立不设混气装置的原始模型和设混气装置的套环管两种几何模型，具体根据硫酸转化工序的典型结构建立原始模型和套环管模型如图1所示，其中检测面一和检测面二为模拟结果检测面。

图1 几何模型

为了便于提取模型及数值计算，对流场假设如下：流体流动为不可压缩稳态流；流体为均质气体，流动过程不发生相变和化学变化；主旁路进气来自各自的风机系统，入口气流均匀分布。主路、旁路烟气气体状态及各自的物性参数如表1所示。

表1 主路、旁路烟气状态及物性参数

本文研究的是两股气流的混合效果，依据软件计算原理[1]及适用推荐[2]，采用欧拉混合模型(mixture model)，将两股气流分别假定为单相介质，其中主路为主相，旁路为次相，采用分离式求解器、Realizable计算模型、SIMPLEC算法和二阶精度格式对模型的两相气体运动进行数值模拟计算，其余采用默认设置。

转化器触媒层设置为多孔介质模型。由于瓷球和触媒颗粒乱堆填充，故假定多孔介质区域各向同性，具体参数依据瓷球和触媒的颗粒形状计算，以保证该区域的动量损失与实际相符。入口边界设定为速度入口，出口设定为压力出口。

本文所建套环管模型采用Φ150规格的开孔，依据模拟实验的过程，分别建立了开孔数目为144、112、72的3种套环管模型，模型开孔设置规律如表2所示。

表2 套环管模型

2 模拟结果分析

2.1 可视化图像分析

为了解流体的流动状态且便于分析对比，本文提取原始模型及套环管开孔8×18×Φ150模型主视图及入口所在平面俯视图的旁路烟气体积分数云图如图2所示，图中颜色由浅到深即表示物理量由大到小逐渐降低。

图2 整体烟气旁路体积分数云图

由图2主视可以看出，在进入转化器之前的烟道内，原始模型旁路体积分数在整个烟道中心截面处大面积呈现浅色；进入转化器之后，也大面积呈现浅色略有加深，体积分数大部分＞0.65。套环管模型旁路体积分数在整个烟道中心截面处呈现细长的浅色；进入转化器之后，整个转化器处颜色较烟道内略有加深，体积分数大部分为0.5左右，两股气流各占一半的分布状态，流体明显混合更均匀。图2俯视可以明显观测到原始模型旁路进口侧气流存在严重的分层现象，旁路气流未与主路气流混合即沿烟道近管壁流入转化器；当增设套环管时，旁路烟气沿套管绕流至主管背面，再从主管上开设的分布孔流入主管，与主管烟气混合。

图3为检测面旁路体积分数云图。

图3 检测面旁路体积分数云图

检测面一选取的是主旁路气流混合之初的界面，体现的是混气的直接效果。由图3可以看出，原始模型旁路进口方向的烟道管壁边呈现浅色，是旁路烟气的主要通道；而与旁路进口方向相对的烟道管壁处呈现深色，是主路烟气的主要通道；中间由浅至深的颜色变化区即为两相气流的混合区域：主旁路气流明显分层。套环管模型颜色分布没有严重分层现象，与原始模型相反，与旁路进气侧相对的烟道管壁附近区域反而呈现一定的浅色，旁路进气一侧管壁附近呈现一定的深色，主旁路气流的流动明显出现大量混合。

检测面二选取的是流体通过导流板进入转化器后的界面，体现的是影响转化效率的最终混气效果。由图3可以看出，原始模型主旁路两股气流沿主管进入转化器后各自沿筒壁绕流，旋至中心后混合，总体仍存在分边的趋势；套环管模型中，气流在检测面二处已混合得非常均匀，旁路体积分数总体分布在0.5左右。

2.2 数值结果分析

标准偏差是衡量一组数据对平均值的偏离，其值的大小反应了流体分布的均匀程度，数值越小表示这组数据分布越均匀。为比较不同模型的混合程度，此处在检测面一位置处读取旁路烟气体积分数标准偏差以便于分析混合效果，同时读取主路入口至检测面一压降ΔP主、旁路入口至检测面一压降ΔP旁，以了解套环管造成的阻力损失，具体如表3所示。

表3 检测面一模拟结果

由表3可以看出，套环管的设置，使得旁路烟气体积分数标准偏差有所减小，即对主旁路气流的混合具有很好的促进作用；且开孔数目越少，旁路烟气体积分数标准偏差越小，气流混合效果越好。从阻力损失看，套环管的设置，使得ΔP旁增加，ΔP主变化不大。由此可见，套环管的设置对旁路阻力损失影响较大，对主路阻力损失没有太大影响。

检测面一体现的是套环管的直接影响；对转化器结构而言，进入转化器之后气流混合的效果才最终决定转化器的转化效率，表4读取了检测面二的旁路烟气体积分数标准偏差。

表4 检测面二模拟结果

由表4可以看出，设置有套环管的转化器中旁路烟气体积分数标准偏差远小于原始模型，气流混合效果十分理想，且开孔数目越少，气流混合效果越好。

3 结论

转化器内气流混合的效果受套环管和整个气流通道的影响，计算结果显示，套环管开孔8×18× Φ150、8×14×Φ150、8×9×Φ150模型较原始模型旁路烟气体积分数标准偏差分别减小了78.3%、78.3%、84.6%，由此可见，套环管作为一种混气装置，当开孔规格相同时，其开孔面积越小，气流混合越均匀，气流均布效果更好，开孔面积最少的套环管开孔8×9× Φ150模型体现出最好的混气效果。由此得出结论，提高套环管气体的进入速度可有效提高混合效果。

就工程应用而言，套环管模型是一种有效的气流混合装置，本文仅对这一结构做了初步的研究。除开孔数目外，关于开孔的直径、排布也是应该进一步探讨的问题。实际应用中应根据实际工况，对开孔规格及开孔分布进行优化设计比较，在制造及工艺条件允许的条件下，寻求最优的气流混合效果。

[1]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:1-158．

[2]王瑞金,张凯,王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007:151-164．

Research on Numerical Simulation of Gas Mixture Device of Lantern Ring Pipe in Converter

LIU Jiaoyang,LI Dongmei
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper presents numerical calculation modeling,calculating process and methods of converter flow field by using CFD software.In order to investigate the effect of gas mixture device of lantern ring pipe on gas distribution of converter,the modeling is carried out for the inlet gas duct and one pass of converting layer and the paper analyzes the effects of different lantern ring pipes on converter gas flow distribution.

converter;gas mixture device of lantern ring pipe;air flow distribution;numerical simulation

TQ111.16

B

1004-4345(2015)06-0026-03

2015-01-04

刘娇洋（1985—），女，工程师，主要从事化工设备非标设计工作。