反应塔冷却系统设计中数值模拟的应用

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0引言

闪速炉是一种冶炼设备，能够高效处理一些粉状硫化矿物。这种设备主要由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池以及上升烟道四个部分组成。反应塔主要位于沉淀池的上方，其中进行熔炼反应。反应塔的长期环境都是高温，受到烟气与熔体的双重冲涮，会受到比较严重的腐蚀。工作人员为了减少反应塔受到的损害，使用冷却系统对反应塔进行降温。现对反应塔冷却系统设计中的数值模拟情况进行分析，并总结如下。

1数值模拟的建立

反应塔中的反应过程非常复杂，尤其是高温烟气与炉外空气之间的热传递，其中发生的反应是高温烟气与炉体内壁的对流，内部温度的平衡，以及辐射换热等。反应塔中这种反应，需要热量的相互传递，还会受到内部材料热量的影响。冷却系统的作用，能够实现冷却水与冷却元件之间的热量置换[1]。这个过程具有结构和传热机理方面的对称性，从实际上分析冷却单元之间，并没有热量的转换。工作人员要通过炉体冷却单元进行建模，其三维模型要采用fluent软件进行计算。在本次研究中，主要应用的模型是热传导模型，选取控制容积法进行运算。该模型的研究对象是反应塔炉体，要深入分析其对称性，然后选取一半冷却单元作为研究对象，分析需要求解的集合模型，对几何模型网格划分进行分析。

2计算结果与分析

工作人员要在实际生产中，选取常用的工艺参数冷却水量2.5t/h(对应进水速度为1.5m/s)，进水温度为25℃。基于此，要进行分析和计算，建立冷却单元三维数值模型，分析求得Z=0面的温度场分布。从计算结果进行分析，冷却单元的冷却效果良好，工作人员不仅能对冷却元件进行局部设置，还能够控制冷却元件周围的耐火材料区域温度。针对冷却元件和烟气接触面的温度，冷却元件具有较好的降温效果，能够促进内壁挂渣的形成。这是冷却元件常使用的功能之一。在实践中，低温区域能够延长耐火材料的寿命，并促进反应塔挂渣的形成，确保反应塔得到更好的保护。工作人员在数值的模拟计算中，还能得出冷却水的出水温度为31.4℃，温升为6.4℃。根据这个冷却水热量，其释放了8876W，冷却单位损失的热量为8900，冷却水带出热量占总的热损失量的99.73%。根据此，冷却单元的热量主要是被冷却水带走，很少会通过外壁散热，所以在冷却系统设计中，冷却水带出热量的计算非常重要。在这个过程中，要促使钢板维持在较高的温度，不会影响反应塔的使用性能。冷却水带出的热量，会因为冷却水的进水速度的增大而增大。但是这种增加的情况比较微小，很难分辨。尤其在冷却水进水速度将至0.525m/s以下，冷却水带出热量一直恒定。由此可以得知，冷却强度会随着冷却水量的变化保持不变，从Q=cmΔt可知，冷却水的出水与进水温差与冷却水的进水量成反比。上图的曲线，符合这种比例关系。工作人员在冷却水的进水速度减少的情况下，要把握冷却水进水温差和出水温差，避免水温过高。所以在冷却系统的设计中，不能将冷却水量设计的太小[3]。冷却水带出热量与冷却水进水温度的关系，工作人员能够推测出，冷却水进水温度的增加，会降低冷却水带出热量减小。如果减小的幅度比较小，或是温度没有变化，那么冷却单元的冷却强度会随着冷却水温度的变化保持不变。

3结语

数值模拟在反应塔冷却系统设计中，要进行建模计算，更加准确研究冷却系统，主要的结果是冷却单元的效果较好，能够促进反应塔内壁挂渣的形成。冷却水会带走冷却系统的散热损失，关键是设计与计算冷却单元冷却水温升带出热量。工作人员针对冷却系统的总循环水量与温升，以及冷却单元的冷却强度与冷却水的进水温度，都需要深入的分析，找准关系，增加冷却强度。在本次研究中模型忽略了反应塔内壁挂渣的影响，挂渣的形成机理以及挂渣对反应塔冷却系统的影响，所以在反应塔的冷却系统研究中，要将其当作下一步工作。

作者：李丹 张骞泽 单位：中国石油辽阳石化分公司芳烃厂 中国石油辽阳石化分公司热电厂