烟化炉内气液两相流动数值模拟研究

摘要

烟化炉主要用来处理铅锌等金属炉渣，然而对于其研究进展还无法满足生产需求。对于烟化炉的每个部分，无论是操作方法还是结构设计都应该进一步完善，这些工作都需要对烟化炉的喷吹行为以及渣池内的气液相运动机理有完整的认识。因而研究气相在渣池内的形态分布以及熔渣池内气液两相运动机理，对分析烟化过程所遇问题的深层次原因以及优化炉体设计等诸多工作都有一定的指导意义。
　　本文采用VOF多相流模型，RNG k-ε湍流模型对单喷嘴模型进行数值模拟，获得了气泡在渣池内形态变化及多种物理场的空间分布。然后研究了几种参数对烟化炉渣池内气液两相流动的影响规律。最后分析了界面化学反应对于烟化炉内气液两相流动的影响，并比较了Euler-PB与VOF两种数学模型对于烟化炉内气液两相流动结果之间的差异，讨论了这种差异的一些原因。主要研究结论如下:
　　1)基本工况下，气相在渣池内的分布随时间呈周期性变化;压力随高度逐渐减小;液态熔渣平均速度为0.632m/s左右;侧吹过程中，气体上升时有着明显贴壁现象。
　　2)较低的喷嘴高度使得渣池获得较高水平的搅动;液态熔渣的平均速度随直径呈现波动变化;随着喷嘴气体流量的增大，熔渣平均速度获得了显著的增加;三喷嘴时熔渣平均运动速在0.89m/s左右，且每个喷嘴的中心截面气相分布并不一致;渣池宽度为0.3m时，熔渣平均速度为1.49m/s，是渣池宽度1.0m时的两倍多。
　　3)不论有无界面化学反应，气相随时间变化的规律是一致的。无界面化学反应时，气相主流的体积变化比较剧烈，而考虑界面化学反应后，气相主流的体积变化则要微弱很多。两种情况气相在渣池内平均停留时间分别为0.29s和0.22s。
　　4) Euler-PB方法与VOF方法的计算结果均呈现气相主流区在渣池底部接近竖直流动，渣池上部向右远离喷嘴侧运动。然而Euler-PB方法气相主流通道为光滑渐变的曲线，VOF方法的气相主流通道流通面积发生着剧烈变化。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 铅锌渣的处理方法

1．1．1 回转窑烟化法

1．1．2 电热烟化法

1．1．3 烟化炉烟化法

1．2 炉渣的烟化处理

1．2．1 烟化炉工艺流程

1．2．2 烟化炉传质过程与化学反应机理

1．2．3 烟化过程的主要影响因素

1．3 炉渣烟化过程研究现状

1．3．1 模型机理研究

1．3．2 结构和操作参数影响规律的研究

1．3．3 烟化过程控制系统研究

1．4 气体喷吹高温熔体冶金过程研究现状

1．4．1 模型实验研究

1．4．2 喷吹过程运动数值研究

1．4．3 喷嘴参数影响规律数值模拟研究

1．4．4 气泡行为数值研究

1．5 论文研究意义与研究内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 主要研究内容

第二章 烟化炉气液两相流数值模拟模型及方法

2．1 研究思路

2．2 物理模型

2．2．1 几何模型

2．2．2 计算区域离散化

2．3 模型简化假设

2．4 数学模型

2．4．1 多相流模型

2．4．2 湍流模型

2．5 单值条件及物性参数

2．5．1 单值条件

2．5．2 物性参数

2．5．3 求解策略

2．6 模型验证

2．7 本章小结

第三章 单喷嘴气液两相流场的数值模拟

3．1 气相浓度分布

3．2 压力分布

3．3 流场分布

3．4 温度分布

3．5 本章小结

第四章 结构参数与操作参数对烟化炉内气液流动的影响

4．1 侧吹行为的影响因素及评价指标

4．2 喷嘴高度的影响

4．3 喷嘴直径的影响

4．4 喷嘴流量的影响

4．5 喷嘴数量的影响

4．5．1 气相浓度分布

4．5．2 速度分布

4．6 熔渣池宽度的影响

4．6．1 气相浓度分布

4．6．2 速度分析

4．7 本章小结

第五章 基于不同模型的烟化炉内气液两相流动

5．1 界面化学反应的影响

5．1．1 气液相界面反应

5．1．2 气相形态随时间变化

5．1．3 气相停留时间

5．1．4 反应物浓度及反应区分布

5．2 不同模型的影响

5．2．1 Euler-PB方法数学模型

5．2．2 模型参数

5．2．3 气相浓度分布

5．2．4 气泡直径分布

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 主要结论

6．2 建议

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢