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氯化镁中试热解炉热工过程数值计算研究.pdf
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1、第 55 卷 第 12 期2023 年 12 月Vol.55 No.12Dec.,2023无机盐工业INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY氯化镁中试热解炉热工过程数值计算研究王锦吉1,赵亮1,张孟辉1,徐寒露1,董辉1,2(1.东北大学冶金学院,辽宁沈阳 110819;2.辽宁省流程工业节能与绿色低碳技术工程研究中心,辽宁沈阳 110819)摘要:为了探究MgCl2喷雾热解工艺中的核心设备热解炉内的复杂热过程,提高工艺产品质量和设备使用寿命,采用欧拉-拉格朗日方法建立了气固两相流传热与热解反应耦合的数学模型,研究了热解炉稳定运行时的温度场、颗粒分解过程和HCl分布情况,并探讨
2、了进口气体温度和流量对MgO转化率和HCl分布的影响。结果表明,在研究范围内,随着进口烟气温度和流量的增加,产品转化率逐渐提高。当烟气入口流量为1.5 m3/s、入口温度为1 423 K时和烟气入口温度为1 273 K、入口流量为2.25 m3/s时,产品转化率均达到100%。随着颗粒向下运动,HCl浓度逐渐增大,在出料口处HCl达到最大质量分数为6.5%。此外,随着进口烟气温度和流量的增加,出料口处的HCl浓度呈现先增后减的变化规律。对应HCl浓度最大值时的进口烟气温度和流量分别为1 373 K和1.75 m3/s。关键词:氯化镁;热解;EulerLagrange方法;计算流体力学;数值模拟
3、中图分类号:TQ132.2 文献标识码:A 文章编号:1006-4990(2023)12-0140-06Numerical simulation of thermal characteristics in magnesium chloride pilot pyrolysis furnaceWANG Jinji1,ZHAO Liang1,ZHANG Menghui1,XU Hanlu1,DONG Hui1,2(1.School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.Liaoning Provincial Eng
4、ineering Research Center for Energy Conservation and Green and Lowcarbon Technology of Process Industry,Shenyang 110819,China)Abstract:In order to explore the complex thermal process in the pyrolysis furnace,the core equipment of MgCl2 spray pyrolysis process,and improve the quality of process produ
5、cts and equipment service life,Euler-Lagrange method was used to establish a mathematical model of gasparticle twophase flow heat transfer coupled with pyrolysis reaction.The temperature field,particle decomposition process and HCl distribution during the stable operation of pyrolysis furnace were s
6、tudied.And the influence of gas inlet temperature and flow rate on MgO conversion and HCl distribution was explored.The results showed that the product conversion rate was gradually increased with the increase of flue gas inlet temperature and inlet flow in the scope of the study.When the flue gas i
7、nlet was kept at 1.5 m3/s,the product conversion rate reaches 100%at the inlet temperature of 1 423 K.When the flue gas inlet temperature was kept at 1 273 K,the product conversion rate reaches 100%at the inlet flow rate of 2.25 m3/s.As the particles moving downward,the HCl concentration was raduall
8、y increased and reached a maximum concentration of 6.5%at the discharge port.Moreover,with the increase of flue gas inlet temperature and inlet flow,the HCl concentration at the discharge port showed a change law of firstly increasing and then decreasing.The flue gas inlet temperature and inlet flow
9、 rate corresponding to the maximum value were 1 373 K and 1.75 m3/s,respectively.Key words:MgCl2;pyrolysis;EulerLagrange method;CFD;numerical simulation中国盐湖镁资源储量极其丰富1,但是缺乏有效的利用手段。盐湖中钾、锂等元素被提取利用后,会导致盐湖镁离子的富集,对盐湖自然生态造成破坏,而且也会增加其他元素的提取难度2。为高效 化工装备与设计 引用格式:王锦吉,赵亮,张孟辉,等.氯化镁中试热解炉热工过程数值计算研究 J.无机盐工业,2023,55
10、(12):140-145.Citation:WANG Jinji,ZHAO Liang,ZHANG Menghui,et al.Numerical simulation of thermal characteristics in magnesium chloride pilot pyrolysis furnace J.Inorganic Chemicals Industry,2023,55(12):140-145.收稿日期:2023-03-27作者简介:王锦吉(1997),男,硕士,主要研究方向为水氯镁石喷雾热解炉内流动传热特性;E-mail:。通讯作者:董辉(1969),博士,教授,主要研究
11、方向为气流输送床传热与流动特性、烧结余热资源回收与利用;E-mail:。Doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0166 1402023 年 12 月王锦吉等:氯化镁中试热解炉热工过程数值计算研究利用盐湖镁资源,同时提高中国高纯MgO产能,学者们开发了先沉淀、后煅烧的“两步法”制备氧化镁的工艺3,然而“两步法”需要大量使用沉淀剂,成本较高。如果采用喷雾热解的方式直接将MgCl2溶液热解成MgO,不仅可以将制备高纯氧化镁成本降低50%以上,而且制备的氧化镁产品粒度更细、品质更高。目前,MgCl2喷雾热解工艺由于存在HCl腐蚀和产品质量不稳定等问题,在国内尚未实现工程
12、化应用,造成这些问题的主要原因在于工艺核心设备热解炉内部的热工过程尚不明确,热解炉内各物理场和组分分布规律缺乏理论依据,因此在生产过程中不能准确地把握热解炉的操作参数。MgCl2喷雾热解炉的研究主要集中在工艺参数的计算和小型的实验上4-6,然而实验手段难以获得热解炉内详细的热工过程,因此也有少部分学者采用简化的挥发模型模拟计算了气固逆流式实验炉的结构参数对炉内流场及温度场分布的影响7。但是未将真实的化学反应动力参数嵌入数值模型,也未对热解炉内颗粒的运动、分解过程进行探究。基于此,本文采用EulerLagrange方法8-9,以某公司设计的原料处理量为200 kg/h的中试热解炉为研究对象,建立
13、了一种嵌入了氯化镁多步反应动力学参数的气体-颗粒流动传热模型。分析了热解炉内的场分布规律及颗粒分解过程,并探究了烟气入口温度及入口流量对产品转化率和HCl分布的影响,为喷雾热解工艺的产业化应用提供理论指导与技术支持。1模型建立1.1物理模型与基本假设热解炉结构如图1a所示,热烟气由顶部沿切向进入热解炉,在炉内呈旋流向下运动,原料(MgCl2溶液)由主体段顶部中心注入,随烟气螺旋向下并不断分解,最终大部分产品会在缩口段底部堆积,定期排出,少部分产品随气流从排气管排出,进入气固分离装置。采用非结构化网格对热解炉进行网格划分,对壁面边界层网格进行局部加密,设计了5种网格划分方案,网格数量分别为63万
14、、91万、114万、182万和213万,监测不同网格划分方案下的出口温度和产品转化率,确定网格数为114万为合适的网格数量,具体网格划分如图1bd所示。根据此热解炉工艺特征,对模型进行如下简化:1)炉内运行工况稳定;2)雾化后的液滴近似为球形颗粒;3)炉壁安装有保温层,散热损失被忽略;4)原料颗粒注射简化为实心锥喷射;5)考虑热解炉内物料颗粒为稀疏相,忽略颗粒与颗粒间的碰撞等相互作用;6)由于颗粒密度远大于气体密度,因此假设颗粒只受曳力和重力作用。1.2数学模型颗粒由注射点注入热解炉内,与从烟气入口而来的高温烟气发生热量交换,颗粒内部的自由水首先受热转变为水蒸气,自由水蒸发完毕后颗粒温度继续升
15、高,剩余的MgCl26H2O受热分解逐步转化为MgO并释放H2O和HCl气体。在整个过程中颗粒与烟气之间不断发生质量、动量、能量和组分交换。将热解炉内烟气作为连续相处理,采用Euler方法描述,颗粒视为离散相,采用Lagrange方法描述,采用牛顿第二定律描述颗粒运动过程。将气体与颗粒之间的质量、动量、能量及组分的交换以源项的形式嵌入控制方程中。选择Realizable k-模型作为湍流模型,因为其在强流线曲率、涡和旋转的模拟上表现较好10,采用离散随机游走模型描述颗粒与湍流涡的相互作用。采用汽化模型和沸腾模型11-12描述颗粒中自由水的相变过程。MgCl26H2O分解速率可以表示为:km=A
16、mexp(-Em/RTp)式中:km为颗粒单位面积上的表面组分m的反应速率,kg/s;Am为指前因子,s-1;Em为反应活化能,kJ/mol;R为通用气体常数,取8.314 J/(molK);Tp为颗粒温度,K。MgCl26H2O的分解是一个多步反应的过程,将其简化为5步,每一步的反应方程式及动力学参数如表1所示13。a热解炉几何结构;b整体网格划分;c截面网格分布图;d局部网格放大图。图 1热解炉几何结构及网格划分Fig.1Geometric structure and mesh division ofpyrolysis furnace 无机盐工业第 55 卷第 12 期1.3边界条件与模型
17、验证入口边界条件设置为速率入口条件,入口速率为5 m/s,出口边界条件设置为压力出口条件,表压为0。颗粒与烟气进出口和排料口的作用设置为逃逸(Escape)条件,与炉壁的作用设置为反弹(Reflect)条件,具体设置如表2所示。在生产中,为了取得较好的雾化效果,将MgCl2配制成饱和溶液,常温下饱和MgCl2溶液中自由水含量过高,将其升温至353 K,此时MgCl2饱和溶液MgCl26H2O 质量分数为 90%,自由水质量分数为10%。进入热解炉的颗粒初始条件如表3所示。在中试现场进行不同温度下的煅烧实验,测量气体出口处温度和产品MgO的转化率,分别与数值模拟计算结果进行比较,结果如表4所示。
18、由表4可知,误差范围在5%以内,表明模型可信度较高。2结果与分析分析热解炉内温度分布、颗粒热解过程、HCl分布等热工过程;探究烟气入口温度及入口流量对产品转化率和HCl分布的影响;揭示热解炉内发生的复杂的热工过程规律。2.1温度分布热解炉内的温度分布是最典型的热工参数,不仅直接决定了产品质量,还影响着热解炉受到的热应力大小,关系到热解炉的寿命。图2为热解炉内温度分布云图。由图2可知,在炉高911 m处,热解炉横截面上的温度呈现出中间低、炉壁高的规律,随着烟气携带着颗粒继续向下,横截面处的温度迅速趋于均匀,且横截面温度随炉高的降低而降低。在炉高911 m处温度的变化速率最快,说明颗粒在此段反应最
19、为剧烈;在炉高09 m段,温度变化平缓,颗粒的平均出口温度为838.2 K,气体的平均出口温度为887.96 K。热解炉整体温度分布较为均匀,热应力较小。2.2颗粒热分解过程研究热解炉内颗粒的运动及分解过程,有助于从理论层面理解影响产品质量的因素,实现对热解炉操作、结构参数的精确把控。图3为颗粒分解过程。热解炉内颗粒轨迹如图3a所示,着色表示颗粒中MgO的质量分数,用以表示颗粒分解的程度。图表1MgCl26H2O热解动力学参数Table 1Kinetic parameters of MgCl26H2Othermal decomposition编号12345方程式MgCl26H2OMgCl24H
20、2O+2H2OMgCl24H2OMgCl22H2O+2H2OMgCl22H2OMgCl2H2O+H2OMgCl2H2OMgOHCl+HClMgOHClMgO+HCl指前因子Am/s-13.61098.810174.610978.61.2103活化能E/(kJmol-1)66.8138.077.2135.692.2表 2数值模型边界条件设置Table 2Setting of boundary conditions for numerical models边界烟气入口烟气出口排料口 其余炉壁边界类型 Velocity inlet Pressure outlet Wall WallDPM设置Esca
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