闪速炼铜余热锅炉辐射室流场温度场数值模拟及结构优化

摘要

闪速炼铜余热锅炉辐射室内的烟气流动及传热、传质过程十分复杂，准确掌握其内部流场和温度场状况对于余热锅炉的优化设计具有重要意义。本文采用CFD数值模拟方法，对某铜冶炼项目的闪速炉余热锅炉辐射室内流场温度场进行数值模拟及结构优化研究，主要研究内容和结论如下：
　　 1)对铜冶炼闪速炉余热锅炉辐射室的流场温度场数值模拟进行了理论研究分析，确定了影响流场温度场的3个主要因素：湍流、化学组分扩散与传输，以及导热、对流与辐射传热，考虑3个因素的相互作用同时进行数值模拟计算，建立了流场温度场数值模拟计算的数学模型；
　　 2)通过研究铜冶炼闪速炉余热锅炉的结构特点，建立了辐射室的物理模型。确定边界条件后，进行数值模拟计算喷入盐化风工况下辐射室内流场与温度场的分布情况，初步掌握了辐射室内流场和温度场分布的总体规律，以此为基础确立了2个优化方向：对盐化风喷嘴位置的优化，向上移动盐化风喷嘴的位置；对辐射室挡板尺寸与位置的优化，缩短辐射室挡板的长度，以及向烟气入口方向移动辐射室挡板的位置；
　　 3)利用辐射室结构优化的基本原理设计闪速炉余热锅炉辐射室的结构调整方案。首先，将盐化风喷嘴的位置整体向上移动；其次，将缩短挡板的长度、向烟气入口方向移动挡板位置这2个优化方向设置为2个不关联的设计变量，确立目标函数与可行域的范围，将可行域离散为若干个子区间，选取其中具有代表性的子区间的数值模拟结果进行分析找出较优解；最后，对调整挡板间隙大小的方案进行数值模拟与分析，掌握了增大挡板缝隙宽度对流场温度场分布的影响规律。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章 绪论

1.1 闪速熔炼工艺

1.1.1 闪速熔炼工艺的发展

1.1.2 闪速熔炼的原理

1.1.3 闪速熔炼的优缺点

1.2 闪速炉余热锅炉

1.2.1 闪速炉余热锅炉的发展

1.2.2 闪速炉余热锅炉面临的主要问题

1.3 余热锅炉数值模拟的研究现状

1.3.1 国外余热锅炉数值模拟的研究进展

1.3.2 国内余热锅炉数值模拟的研究进展

1.4 本文的研究目标及意义

第2章 闪速炼铜余热锅炉辐射室流场温度场数值模拟的理论基础

2.1 湍流计算

2.1.1 单方程模型

2.1.2 双方程模型

2.1.3 雷诺应力模型

2.2 化学组分扩散与传输计算

2.3 导热、对流与辐射传热计算

2.3.1 能量守恒方程

2.3.2 辐射传热计算

2.4 本章小结

第3章 闪速炼铜余热锅炉辐射室流场温度场的数值模拟

3.1 模型的建立与分析

3.1.1 闪速炉余热锅炉结构分析

3.1.2 模型的建立与简化

3.2 边界条件设定

3.2.1 烟气的物性参数设定

3.2.2 进、出口边界条件设置

3.2.3 壁面边界条件设置

3.3 数值模拟结果与分析

3.3.1 速度矢量图

3.3.2 温度云图

3.3.3 结果分析及优化方向确立

3.4 本章小结

第4章 闪速炼铜余热锅炉辐射室的结构优化研究

4.1 辐射室结构优化的理论基础

4.2 辐射室的结构调整方案设计

4.3 调整方案结果分析

4.3.1 喷入盐化风工况结果分析

4.3.2 关闭盐化风工况结果分析

4.3.3 同方案不同工况结果分析

4.4 调整挡板间隙方案结果分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文