炼镁还原罐内传热及其强化换热分析.pdf
《炼镁还原罐内传热及其强化换热分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《炼镁还原罐内传热及其强化换热分析.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 张小艳,柯亚萍,刘浪,等 炼镁还原罐内传热及其强化换热分析 西安科技大学学报,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()通信作者:张小艳,女,陕西西安人,博士,教授,:炼镁还原罐内传热及其强化换热分析张小艳,柯亚萍,刘浪,侯东壮,韩子怡,刘清江 西安科技大学 能源学院,陕西 西安 ;西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 ;西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 )摘要:在碳达峰碳中和背景下,皮江法炼镁工艺的高能耗问题不容忽视,而造成该工艺高能耗的原因之一是还原罐内物料传热效率低下。为提高还原罐的传热效率,对还原
2、罐内的传热过程进行数值模拟,分析球团直径、球团初始温度、还原罐内径和肋片参数对还原罐径向传热性能的影响规律。结果表明:球团直径越大、初始温度越高、还原罐内径越小,越有利于热量向还原罐内部传递,其中球团直径的变化对还原罐中心温度变化影响最大,直径为 ,和 的球团依次加热 ,和 后,达到还原反应所需温度(大于 );肋片长度越长、宽度越宽、数量越多,对还原罐中心温度的提升效果越明显,其中肋片长度的变化对其影响最大,肋片长度由 以 增量增至 ,加热 时,还原罐中心温度依次增大 、。研究结果为皮江法炼镁还原罐的换热及其强化提供理论参考,也为缩短炼镁周期提供很好的解决思路。关键词:还原罐;温度场;还原程度
3、;强化换热;数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():,(,;,;,):,(:,(),:;引言中国丰富的镁矿储量为镁产业的发展奠定了基础 ,自 年以来,中国的产镁总量占世界生产总量的 ,是全球第一产镁大国 。皮江法炼镁工艺(硅热还原法)是中国最主要的金属镁生产工艺,但该工艺存在还原周期长导致的能耗大问题 ,是单位能耗最高的有色冶金行业之一 。在碳达峰碳中和背景下,为进一步降低皮江法炼镁的能耗,重点应放在优化产业结构及提高能源利用效上 ,而提高能源利用率,应该从皮江法炼镁工艺的传热机理等方面深入研究寻找突破口。目前对皮江法炼镁工艺的研究主要集中在还原反应条件
4、的优化方面。唐祁峰等重点介绍碳热还原炼镁技术的动力学研究进展,指出目前碳热还原法炼镁要实现工业化生产还需解决的问题 。穆晓辉等介绍国内外不同还原剂的热法炼镁研究进展,并分析不同还原剂对炼镁过程的影响 。等研究用铝热法从低品位菱镁矿中直接提取镁的还原过程,结果表明该方法的镁提取率高于常规炼镁工艺 。谢兴以单质镁生产过程产生的熵?作为主要研究手段应用,分析热过程和热设备中有效能损失的动力学原因 。邓军平等通过对水泥中掺加适量镁渣不仅提高了复合水泥的强度,还一定程度上解决了镁渣粉尘污染问题 。等研究还原剂类型和还原剂量对皮江法炼镁工艺的影响 。等开发了一种新型的微波驱动皮江法炼镁工艺 。等采用 压力
5、下耦合电热场制备金属镁,该方法有效地降低了通过常规方法提取镁所需的反应装置温度 。等提出一种在流动氩气中进行的非真空生产镁的新工艺,结果表明新工艺可缩短炼镁 。乔锦华通过对球团中硅铁的不同配比进行试验,分析硅含量对粗镁产量的影响 。大量学者对皮江法炼镁工艺的研究中发现,该工艺存在还原罐内球团温升速度过慢或者存在冷芯使罐内球团反应不充分等问题,从而影响单位时间产镁率和产镁量。为探究其中的原因,李波分析高硅白云石产镁率低的原因,并通试验验证皮江法炼镁工艺的原材料采用高硅白云石是可行的 。等对硅热还原过程的化学动力学机理进行试验研究,建立包含化学反应的三维传热非定常数值方法,并对此进行了验证 。等提
6、出将白云石、硅铁、萤石和粘结剂等粉末材料混合制成球团的一种生产镁的新工艺 。除此之外也有不少学者对炼镁还原罐结构等进行研究。傅大学等为解决皮江法还原罐内传热慢的问题,采用数值方法研究预制球团在还原罐内的传热规律 。等开发利用高温碳化硅颗粒增强还原罐内传热的循环利用新工艺,并对此进行数值模拟,结果表明该技术可显著提高传热效率,缩短生产周期,降低生产成本 。邓军平等设计一种有利于加快物料还原反应速率的新型内热式炼 西 安科技大学学报 年第 卷第 期张小艳,等:炼镁还原罐内传热及其强化换热分析镁反应器,该反应器具有传热速度快,内部温度梯度小的特点 。在对皮江法炼镁工艺进行降耗研究过程中,主要目标是大
7、力提高资源和能源的利用率。目前造成皮江法炼镁工艺高能耗的原因之一是真空热还原阶段还原罐内物料传热效率低下,从而导致还原周期(一般为 )较长、产镁率低等问题。为缩短炼镁周期,提高还原罐的传热速率,以还原罐为研究对象,基于 仿真模拟软件与传热学基本理论,对还原罐内传热过程进行研究,利用温度和还原反应程度变化,获知各影响因素下还原罐传热性能的变化特性。为进一步降低皮江法炼镁工艺的能耗,缩短还原周期,实现炼镁绿色化、低碳化目标提供理论参考。数值模拟方法 物理模型皮江法炼镁过程是将还原罐内抽成真空,然后在 高温下进行固相反应还原出镁单质,得到粗镁。还原罐内部传热过程如图所示,主要包括:()罐壁与球团间的
8、辐射;()球团与球团之间的导热;()罐壁与球团间的导热;()球团之间的辐射和球团自身的化学反应吸热 种形式。还原罐为壁厚 ,长度 的圆筒,核桃状球团填满罐内。在大量文献研究中,学者们多将还原罐内球团简化为一个整体,由于还原罐内球团与球团之间存在辐射传热,将球团视作一个整体去建模会引起较大误差,所以将球团简化为球状球团,通过等效体积法可计算得到球团直径。由于还原罐长度较长,直径较小且还原炉内温度均匀,认为热量仅沿还原罐径向传递,故可在轴向取单层球团厚度建立三维物理模型,如图 所示,并且为了后续表述简洁化,模型几何参数尺寸符号见表 。由于传热过程十分复杂,为了便于模拟计算结合实际做出如下假设。)罐
9、壁向球团传热、球团由外向内的传热均可视为一维径向传热。)在整个炼镁周期内,未发生化学反应之前无内热源,达到反应温度后球团持续发生还原反应并忽略镁蒸气对传热过程的影响。)还原罐外侧为定壁温条件。?图 还原罐内部传热过程 表 物理模型参数符号 名称符号还原罐内直径 还原罐内半径 还原罐壁厚 还原罐外径 名称符号球团直径 还原罐肋片长度 还原罐肋片宽度 还原罐肋片数量 个 数学模型 控制方程还原罐外壁向内壁的导热过程为恒壁温条件下无内热源的三维非稳态导热过程,控制方程为()()()()()式中为换热时间,;为还原罐的温度,;为还原罐的密度,;为还原罐的比热容,();为还原罐导热系数,()。对于球团的
10、传热过程为三维非稳态有内热源的导热过程,该三维数值模型在极坐标系中的控制方程为()()()()()式中为球团的温度,;为球团的密度,图 还原罐物理模型 ;为球团的比热容,();为球团导热系数,()。为由化学反应引起的吸热热源,随后通过用户定义的函数计算并作为源项添加到控制方程中。热源 表达式 为 ()()式中为生成单位质量镁所需热量,其值取为 ;为单位体积球料的产镁速率,;为单位体积球料的理论产镁量,;为反应转化率。转化率 的微分方程为 ()()()式中为比例系数,。边界条件设置一般情况下,初始条件的设置需符合模型的实际条件,边界条件为 提供的壁面条件、内部边界条件和内部单元区域。炉温波动范围
11、不大,为简化计算假设炉温为定值,还原罐模型在传热学中的初始条件及边界条件设置见下式初始条件还原罐初始温度(,)球团初始温度(,)边界条件还原罐外壁温(,)还原罐内壁面以及球团表面都为内壁面,在 中设置为“”耦合面。还原罐外壁面通过导热作用对罐内球团进行加热,球团与球团之间存在导热和辐射换热,加热时,需开启能量方程和辐射模型。()()()()式中为罐体内壁面和罐内球团表面间的辐射换热量,;为还原罐外壁与内壁热传导换热量,;为斯特藩常量,();为壁面辐射换热综合因子;为加热面平均辐射温度,;为球团外表面平均辐射温度,;为加热面或降温面的平均辐射温度,;为材料的导热系数,();为某点所在处的温度梯度
12、。计算方法及网格划分采用 模拟软件对还原罐传热过程进行数值模拟,采用 软件对还原罐及球团(还原罐外径为 ,内径为 ,球团直径 )进行建模,完成建模后利用 的 模块进行网格划分(图 ),对罐内球团进行布尔减操作,画出流体域部分,整个模型的网格划分采用结构性四面体和六面体网格,为计算精度要求对罐内球团部分进行加密处理。同时,在还原罐传热过程的数值模拟中,采用压力求解器和非稳态计算法,开启能量方程和 辐射模型,为提高收敛速度与计算精度,采用有限元体积法,压力耦合器采用 ,松弛因子保持不变。网格无关性验证在数值模拟中,网格数量对计算精度有一定影响,为了提高计算精度,针对还原罐内 的温升过程,分别进行了
13、网格无关性验证及步长独立性验证,以确保模拟结果的准确性。图为罐中心温度随时间变化。从图 可以看出,网格数为 时比 的温度略微升高,和 对比几乎没有区别,所以选择网格数为 进行数值模拟计算;时间步长为 ,的计算结果基本一致,所以选取 的时间步长。模型验证为验证模拟计算结果和源项 编译的准确性,采用文献 的结果进行验证。所验证还原罐模型的尺寸为内径 ,外径 ,壁厚 ,罐内球团直径 ,罐体和球团的物 西 安科技大学学报 年第 卷?图 还原罐传热物理模型及网格划分 第 期张小艳,等:炼镁还原罐内传热及其强化换热分析性参数及边界条件的设置与文献一致,其中罐体加热温度为 ,球团初始温度为 。根据模拟结果计
14、算还原反应程度与文献模拟结果进行对比,图是数值模拟与文献模拟结果的对比情况。其中还原反应程度定义为已反应球团体积和总球团体积之比。通过对比可知,还原罐内温度模拟结果与文献模拟结果接近,误差在 内,最大误差在 时为 ,验证了还原罐模型和模拟方法的准确性和可靠性。?图 还原罐中心温度随时间变化?图 还原罐中还原反应程度随时间变化 结果与分析 球团直径对还原罐内传热的影响在还原罐外径为 ,内径为 ,球团初始温度为 ,球团直径分别为 ,的情况下,对还原罐内的温度场进行数值模拟。从图 可以看出,不同球团直径时,还原罐中心温度在不同时间段升温速率差别明显,在 内直径为 的球团温升速度最快,在 以后中心温度
15、逐渐趋于稳定。当球团直径由 以 增量依次增加至 时,加热的中心温度由 分别增至 ,增幅分别为 ,和 ,可见随着球团直径的增加,还原罐中心温度明显升高,但增加幅度逐渐减小,其中 增长至 时的增幅最大。从加热时间来看,的球团在加热 后才达到还原反应所要求的温度(大于 ),而 、和 的球团分别需要加热,和,可以看出球团直径越大加热达到化学反应温度的时间越短。在达到反应条件后,球团就会发生还原反应进行吸热,从而影响热量向罐内的传递,还原罐内中心温度的升幅逐渐减小最终趋于平稳。?图 不同球团直径还原罐中心温度随时间变化 从图 可以看出,在相同加热时间下,随着球团直径的增加,温度分布更加均匀。在加热 时,
16、球团直径由 每增加 ,罐内最大温差(罐内 与 处球团的温差)由 分别减小至 ,和 ,可以看出球团直径增加会使罐内最大温差减小,但减幅是逐渐降低的,其中 增长至 时的减幅最大。此外图中可以明显看出,直径为 ,的球团在加热 后的温度分布曲线分别与直径为 ,的球团在加热 后的温度分布曲线十分接近,可见增大球团直径可以有效提高传热速率。?图 不同球团直径还原罐内温度径向分布 球团初始温度对还原罐内传热的影响在还原罐外径为 ,内径为 ,球团直径为 时,球团初始温度分别为 ,和 的情况下对还原罐内的温度场进行数值模拟。从图可以看出,在相同加热条件下,提高球团初始温度,可使还原罐中心温度更快达到反应温度。当
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 还原 内传 及其 强化 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。