高寒矿区生物氧化槽供热系统设计仿真

2021-11-17高丙朋

计算机仿真 2021年7期

李宁，高丙朋，方圆

(新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

1 引言

生物氧化预处理工艺因其工艺简单、参数易控制以及安全性高等优点发展迅速[1]。温度适宜是预处理过程中的关键，冬季高寒矿区霜冻期长且环境温度较低，需要供给大量热以满足生产需要[2]。目前高寒矿区氧化槽内供热方式主要是煤炭燃烧，烧煤供热不仅生产效率较低，还会造成严重环境污染。本文由此提出高寒矿区生物氧化槽复合供热模式，提高生产效率，改善环境污染问题。

国内外学者对生物氧化提金技术已经做了大量的研究。丘晓斌、温建康等人结合生物预氧化氰化提金实验分析了碳质在实际生物预氧化提金工艺中的影响[3]。Guohua Wang等人提出包含高温化学氧化阶段和生物氧化阶段的两个阶段化学-生物氧化方法，从而提高高硫和高砷难处理金精矿的氧化速率[4]。Chenghui Zheng等学者通过评估多相欧拉模型研究两相流和三相流，揭示了影响生物浸出效率关键因素并分析发生细胞死亡的主要区域[5]。N.MARCHEVSKY等人采用构建确定的嗜温聚生体的方法进行评估分析矿生物浸出浮选精矿的效率[6]。王红、王兆印等人通过混合浸矿菌氧化难处理金精矿的实验研究，分析探讨了矿浆溶氧水平和初始状态Fe2+浓度对生物氧化效率的影响[7]。目前大量学者主要研究了生物氧化反应的相关问题，关于氧化供热模式涉猎甚少，但由于生物氧化槽体积大数量多，尤其对于高寒矿区生物氧化过程热量需求极大，燃烧煤炭供热会造成严重的环境污染和能源浪费，供热问题亟待解决。

本文主要针对高寒矿区生物氧化预处理工艺提出以太阳能改进生物氧化槽内供热模式，并设计分析了太阳能-燃煤复合供热系统，进而通过CFD软件对槽内温度场进行仿真验证。

2 生物氧化槽结构原理

生物氧化槽是生物氧化预处理工艺的核心反应器，结构复杂，本研究暂不考虑微小因素。氧化槽及换热器尺寸规格如表1所示。

表1 结构规格表

生物氧化槽大致可以分为六部分：反应池、供热系统、供气系统、控制系统、物料输送系统和搅拌器。为进行有效的分析，本研究以新疆某金矿生物氧化槽为工程背景，其氧化槽结构示意图如图1。

图1 生物氧化槽结构图

适量矿浆和氧化细菌按照一定比例充入反应池中，在搅拌器的混合作用下充分接触反应，在此过程中供热系统保证氧化菌生存繁殖的适宜温度[8]，使氧化还原反应充分进行。

温度作为氧化预处理阶段的前提条件，是氧化提金率和能源利用率最重要的影响因素之一。高寒矿区因其经济条件和技术条件的限制，目前仍大量采用燃煤供热模式，通过调节冷、热水流量实现对氧化槽内部温度的控制。冷水是地下水，热水则是经锅炉加热至100℃的高温水[9]。高寒矿区日照充足但气候条件较为恶劣，尤其冬季极端天气(气温极低、大风、暴风雪)反复无常，工业生产过程中需要消耗大量煤炭来保证温度。从环境因素来看，大量燃煤导致严重的环境污染，从生产效率方面来看，菌群生存的温度范围为38-45℃，直接使用100℃高温水调节会造成换热管附近局部温度过高，细菌活性降低甚至死亡，氧化提金率下降，能源利用率降低。

因此，为了改善目前高寒矿区的环境污染问题，提高氧化提金率，本文提出以太阳能改进的生物氧化槽供热模式，设计分析太阳能-锅炉复合供热系统。

3 复合供热系统设计

太阳能-燃煤复合供热系统[11]设计原则为：本系统热源分别为集热水箱(一级热源)、储热水箱(二级热源)和锅炉辅助加热(三级热源)，为了保证太阳能供热系统为主供热系统，运行时热源使用优先级为：一级热源无法满足工业生产需求时启动二级热源，若前两级热源仍无法满足生产需要时，启动三级热源。

3.1 系统设计及其原理

太阳能-燃煤复合供热系统由太阳能供热系统、锅炉辅助加热循环系统、补水系统以及控制系统构成，图2为复合供热系统原理图。该系统中共有三个水箱，集热水箱直接收集由集热器加热过的高温水，储热水箱作为集热水箱的备用水箱，供热水箱作为氧化槽的工作水箱提供所需热量。

图2 复合供热系统原理图

为保证供热系统能够稳定高效运行，对必要的调节阀和泵均设有备用设备和保护设备，在温度适宜的情况下，供热水箱内的水温和水位限制在较大范围，在极端天气时，供热水箱内的水温和水位的限制范围根据运行工况适当缩小。

经集热器加热过的高温水由相关控制机构根据实际工况分配给供热水箱和储热水箱，在保证水位的条件下作出相应判断，若供热水箱内的水温不满足要求，则第一时间开启储热水箱供热功能，一旦前两者同时运行状态下仍无法满足供热需求，则立马启动锅炉辅助供热，对供热水箱内的水进行再次加热。若供热水箱内水温偏高，则通入地下水进行调节平衡。系统运行过程中，集热水箱重新收集未被完全消耗的热量，对其进行循环利用。

3.2 模型构建

3.2.1 集热器模型

考虑到槽式太阳能集热器具有投资成本低廉、占用面积少等优点[12]，本系统采用槽式太阳能集热器。由能量守恒定律可得

Qg=Qc+Ql+Qp

(1)

式中，Qg为太阳对集热器的辐射量，单位为W；Qc为集热器实际集热量，单位为W；Ql为过程热损失，单位为W；Qp为送入集热器的热量，单位为W。

其中

Qg=kAcIt

(2)

Ql=Acηl(Ti-Tamb)

(3)

(4)

式中，k为反射镜透射率和吸热管吸收率的乘积，取值0.8；Ac为集热器采光面积，单位为m2；It为单位面积太阳辐射强度，单位为W/m2·°C；ηl为过程热损失系数，取值0.27；Ti为集热器中平均水温，单位为°C；Tamb为环境温度，单位为°C；Ce为集热器的热容量，单位为J/kg·°C。

考虑到集热器自身存在热损失，定义集热器集热效率为

(5)

3.2.2 水箱模型

复合供热系统中虽然包含三个不同功能的水箱，但是均满足能量守恒定律，本文采用集总参数法对水箱进行分析研究[13-14]。水箱内部热量关系满足

(6)

式中，Vs为水箱的设计容量，单位为m3；Qin为上一级设备传给水箱的热量，单位为W；Qout为水箱提供给下一级设备的热量，单位为W；Qt为水箱自身的散热量，单位为W；Cp为换热介质的定压比热容，单位为kJ/kg·°C；ρ为传热介质的密度，单位为kg/m3；ΔT为蓄热温差，单位为°C。

水箱内部温度为

Ts=Ts(h，t)

(7)

式中，Ts为水箱温度，单位为°C；h为水箱内液位高度，单位为m。

3.2.3 氧化槽内换热模型

生物氧化槽内热交换主要是共轭传热[15]，热量来源Qy包含换热管传导的热量Qh和氧化还原反应放热Qf，热量消耗则是氧化槽在环境中的热量损失Qs。它们之间的关系表示为

Qy=Qs

(8)

Qy=Qh+Qf

(9)

其中

Qh=kAΔT·l/(Δt·L)

(10)

式中，k为换热管的热传导系数；A为换热管接触表面积；ΔT为矿浆和换热管中水的温差；l为电动调节阀的开度；Δt为热量传递所需的时间；T为换热管壁厚。

Qf=aΔn(FeS2)+bΔn(FeS)+cΔn(FeAsS)

(11)

式中，a、b、c分别为FeS2、FeS、FeAsS的摩尔热，a=1464kJ，b=605.6kJ，c=905.3kJ，Δn(FeS2)、Δn(FeS)、Δn(FeAsS)分别为氧化反应消耗的FeS2、FeS、FeAsS的物质的量。

Qs=hA(Te-T∞)

(12)

式中，h面平均传热系数，取为16W/(m2K)；A流换热面积；Te热表面平均温度；T∞界环境温度。

4 实验研究

4.1 实验设计

本文将推理分析法、实验验证法和数值模拟方法相结合，以新疆某金矿生物氧化槽为工程背景，通过CFD软件搭建其模型[16-19]，分别对复合供热模式下不同供热需求时氧化槽内温度场分布情况进行仿真测试，并与现有供热模式下的温度场对比分析，对该复合供热系统的可行性进行验证。

根据新疆地区气候条件进行实验设计，实验方案如表2。本文共设计四组实验，实验一是燃煤供热模式下正常气候条件时对氧化槽内温度场仿真模拟，并根据工业现场运行数据进行模型校验，以准确分析生物氧化槽内部的温度特性。高寒矿区因其地理特性常年伴随极端天气气候，为研究燃煤供热对极端天气时氧化槽内温度调控效果设计了实验二，实验三和实验四分别为实验一和实验二的对照实验，对改进后复合供热模式槽内温度场仿真模拟，验证研究复合供热系统对生物氧化槽内温度场的影响。生物氧化槽相关物性参数如表3。

表2 实验设计方案表

表3 生物氧化槽物性参数表

4.2 实验结果分析

对生物氧化槽不同工况进行仿真研究[20]，经过4358步迭代各参数均达到收敛状态，图3为结果收敛曲线图。图4、图5分别为正常气候条件下燃煤供热氧化槽内部温度场分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面图。燃煤供热氧化槽内温度分布整体满足预处理工艺要求，温度沿径向分布比较均匀，其温度梯度较轴向温度梯度更为缓和，但在搅拌器上方局部温度高于323K，搅拌器下方部分区域温度低于310K，温度分布总体良好。