富氧侧吹炉气相空间的数值仿真研究

张 岭，陈 卓

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙，410011；2.中南大学，湖南 长沙，410083；3.湖南省再生金属循环利用工程技术研究中心，湖南 长沙，410011)

富氧侧吹技术在我国已较大规模的用在铜冶炼、铅冶炼、固废处理行业，是熔池熔炼的典型代表。富氧侧吹炉在气相空间设置了二次风，其目的是为了将炉气中的可燃物在气相空间继续燃烧，以提高炉子整体的热效率[1]。在二次风的使用过程中，由于风速以及位置的设计不合理，气相空间经常出现炉结。炉结由二次风入口慢慢长大，直到两侧的炉结相连搭桥，直接影响炉子投料和炉内热平衡，为生产带来极大的安全隐患和不利因素。大块的炉结难以清理，必须停炉操作，影响了富氧侧吹炉的处理能力并增加了其生产运维人员操作的危险系数。所以，研究二次风对富氧侧吹炉的气相空间的影响，具有非常重要的现实意义[2]。

1 CSF技术建模

仿真模型总长9754mm，高5577mm；气相空间和熔池交界处宽度为2200mm；二次风口直径为80mm，基于中心面呈对称分布，共计16个。选取的典型喷吹角度分布为0°、18°、30°。气相空间上部和下部主要采用六面体网格填充，且在二次风口位置处同样采用六面体网格；在保证网格平滑过渡的同时，为降低网格扭曲度，在中部区域采用四面体网格进行填充，网格总数共计1417440个。

图1 富氧侧吹炉二次风设计示意图

2 仿真结果

2.1 基准烟气速度分布

当二次风口处于对吹状态时，两侧气流离开风口后能够对冲至炉子中部区域，风口处最大气流速度能够达到13.27m/s，冲抵至炉子中部时仍具有较高的速度。风口下部区域的两个涡流较大，可能会对风口下部区域的炉壁造成冲刷。

2.2 基准烟气温度分布

在间隔开放二次风口对吹的形式下，二次风口能够影响的横向范围相对较小；从温度变化的趋势来看，位于下料口区域的7、8两个位置的二次风口对于气相空间的温度影响有限，烟气温度有回升的趋势，但在烟道位置的二次风口能够相对有效的降低烟气温度。

2.3 不同喷吹角度分析

二次风口向下倾斜的角度越大时，对二次风口下部的侧墙冲刷会越严重。二次风口倾角越大，对其下部区域的温度影响也就越大，该位置处温度相对较低，但倾角为18°和30°时则无明显差别。三种工况下速度变化趋势基本相似，均是在二次风口开放的位置较大，其他位置处速度相对较小。温度变化趋势的规律不同，当二次风口处于水平对吹状态时，Z3位置处的面平均温度与相邻位置基本相同，且Z2和Z3位置温度远高于其他两种工况。

2.4 不同喷吹方式分析

即使截面上是单个风口喷吹，在其下方靠近炉墙区域位置处仍出现了两个涡。错吹和对吹时气流下部区域的温度差别明显，但两喷吹方式下上部区域温度分布则无较大差别，说明喷吹方式对炉子气相空间高度方向上的温度分布影响不大。采用错吹的方式后截面平均流速延炉长方向波动明显减小，基本稳定在0.55m/s左右；错吹时，温度分布仍存在较大波动，在靠近下料口区域处截面平均温度相对较高，基本在1300K左右；而在上升烟道区域截面平均温度相对较低，维持在1150K左右，仅在端墙位置处有所升高。

图2 基准工况下的速度分布

图3 基准工况下的温度分布

图4 不同喷吹角度下的速度场和温度场

图5 不同喷吹角度下的速度场和温度场

3 结论

通过对CSF炉上部气相空间内烟气的流动过程开展仿真计算，在考虑底部上升气流对上部烟气流动可能产生影响的同时，研究了二次风口以不同的角度喷吹对炉内流动状态和壁面冲刷的所产生的影响，具体结论如下：

（1）基准工况条件下，在风口下部区域形成两个较大涡流，会对风口下部区域的炉前造成严重的冲刷；

（2）在二次风口不同喷吹角度条件下，二次风口向下倾斜的角度越大时，对二次风口下部的侧墙冲刷会越严重，且烟气流速和温度在炉长方向上波动较大；

（3）在二次风口不同喷吹方式研究中，采用错吹的方式时，风口下部仍会形成两个涡流对两侧墙造成冲刷；但采用错吹的方式时，能够使炉内气相空间内烟气流动速度波动较小。