中央擴散型精礦噴嘴

中央擴散型噴嘴包括中央氧管、分散風管和分散錐、下料通道、空氣腔和調風錐，設定工藝風、分散風、中央氧和顆粒流。 調風錐可上下移動改變工藝風出口氣流速度，分散錐可改變礦粉下落方向，工藝風和分散風共同作用於礦粉，使礦粉能達到適度分散的目的，中央氧可補充冶金反應中供氧量。

基本介紹

• 中文名：中央擴散型精礦噴嘴
• 外文名：Central diffusion type concentrates nozzle
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 包括：中央氧管、分散風管和分散錐
• 目的：使礦粉能達到適度分散

簡介

據不完全統計，目前已有40 台煉銅閃速爐建成投產( 在運行37 台，其中一步煉銅閃速爐3 台，冰銅吹煉閃速爐2 台，煉鎳閃速爐6 台) ，約占全世界粗銅冶煉的50 %。 自從閃速爐出現後，閃速爐的核心設備精礦噴嘴就不斷更新發展，單個精礦噴嘴逐步取代原有的4 個噴嘴，生產能力得以明顯提高。 目前廣泛採用的是中央擴散型噴嘴，噴嘴套用初期其生產潛力大、技術優勢明顯，而當今擴產時塔內出現顆粒分布不均、氣粒混合不佳、冶煉不完全等問題。 閃速爐熱工過程具有影響因素之多、反應緩慢且滯後性明顯等特點，直接的熱態取樣測試極其困難，現場熱態實驗研究成果不多，大多是採用間接的冷態模型實驗法和數值模擬法研究。 Koh 等建立鎳閃速爐冷態模型，研究發現通過分散錐後的精礦粉集於爐膛中心下方區域。 Zhou Ping等採用高速攝影法對精礦噴嘴預下料過程進行偏析研究，發現下料方式影響下料管內顆粒分布均勻性，存在局部偏析、徑向偏析和周向偏析等現象。 艾元方等建立了閃速爐冷態實驗模型，對中央擴散型噴嘴控制的反應塔內顆粒分散和氣粒混合進行了研究，證實了存在顆粒聚集於爐膛中心噴嘴正下方區域和顆粒均勻彌散分布於噴嘴下方區域兩種情況。 Solnordal 等對Olympic Dam 閃速爐塔內氣粒兩相流場、濃度場和溫度場進行仿真研究，發現氣流和顆粒均集中位於塔中心，而且顆粒粒徑影響仿真結果。 Sasaki 等模擬發現顆粒彌散向外均勻分散，垂直於反應塔中心軸線的反應塔截面上顆粒在較寬區域分布。 Debrincat 等和Higgins 等模擬發現顆粒聚集程度主要受顆粒－ 氣流質量比、粒徑和反應塔入口湍流強度等影響。 陳卓等對金隆閃速爐噴嘴仿真研究，發現投料速度加大時，氣粒兩相混合變差、顆粒著火延遲，噴嘴操作參數變化影響塔內冶煉過程。 常金彪等對中央擴散型噴嘴改進旋流風口並仿真研究，發現旋吹分布風可促進爐內氣粒混合過程。

噴嘴物理模型

中央擴散型噴嘴包括中央氧管、分散風管和分散錐、下料通道、空氣腔和調風錐，設定工藝風、分散風、中央氧和顆粒流。 調風錐可上下移動改變工藝風出口氣流速度，分散錐可改變礦粉下落方向，工藝風和分散風共同作用於礦粉，使礦粉能達到適度分散的目的，中央氧可補充冶金反應中供氧量。 模擬旨在研究常溫噴嘴出口附近區域氣粒兩相流動，因此，物理模型包括中央擴散型噴嘴及塔上部區域，即直徑為1. 1 m 的反應塔，高度為0. 68 m，分散錐底側周向均布150 個分散風孔。採用結構化與非結構化格線劃分，自中心向外由密變疏，對噴嘴附近格線局部加密以保證求解精度。

單工況模擬及模型驗證

單工況模擬

選擇模型基準工況，該工況模型實驗給料速度為1. 82 t /h，工藝風流量1 530 Nm3 /h、速度75 m/s，分散風流量140 Nm3 /h、速度344 m/s，中央氧流量60 Nm3 /h、速度80 m/s。

塔內氣流主要集中於反應塔模型中心，氣柱直徑約占爐膛直徑的1 /3，越靠近噴嘴，氣流速度越大，氣流在噴嘴附近區域有較小膨脹，工藝風高速氣流影響著爐內氣流的主要分布，中央氧的高速氣流提供了精礦反應的補充氧量，在工藝風和中央氧環形軟通道內部存在低速區，顆粒群在二者及分散風的作用下分散於爐內空間，越靠近爐壁，氣流流動越弱。 因此可以判定，氣粒混合和反應過程發生在爐膛中心區域。

顆粒分散形狀類似一把沒完全打開的傘，分散空間占比爐膛空間小，在分散風徑向水平射流作用下，部分顆粒向外分散，而大部分顆粒在強大工藝風氣流作用下，沿分散錐曲面流下，且越靠近噴嘴，顆粒速度越大，接近30 m/s，氣體和顆粒動量交換越劇烈，越靠近爐膛中心，顆粒速度亦大，這是因為氣流主要集中於爐膛中心。 可以推斷，要保證良好的氣粒混合、顆粒分散和完全冶煉過程，除調節操作參數外，也要考慮爐膛的高度作用。

模型出口面顆粒分布呈射流狀，其主要由仿真模型的小孔型分散風模型決定，可以看到，正中心顆粒濃度較低，說明顆粒較少，是因為中心存在中央氧，避免了顆粒向爐膛中心的過度集中，而僅次其外圈時，顆粒濃度較大，說明工藝風氣流剛好將大部分顆粒封鎖在其風環內側，外部小射線型顆粒濃度集中區是由小孔分散風射流造成，分散風出口面積小、流速快、對顆粒作用明顯，使部分顆粒經動量傳遞後迅速沿徑向向外運動。 可推斷氣粒劇烈反應並未發生於爐膛正中心區域，而是形成了高效冶煉環。仿真研究表明，工藝風氣流占據主導作用，分散風徑向射流作用弱，顆粒主要集中於反應塔中心。

模型驗證

數值模擬採用了DPM 模型，只能從計算數據中得到出口面顆粒濃度分布，而針對上述工況按照實驗方法對顆粒出口面劃分5 個同心圓環形面( 半徑依次為90 mm、240 mm、340 mm、440 mm、550 mm) ，對環形面顆粒濃度、氣流速度及面積積分得到出口面顆粒質量分數，因此採用下式轉換以驗證模型的有效性。

仿真結果顆粒質量分數x1為18. 54 %，實驗結果為16. 29 %，誤差僅為2. 8 %，誤差較大者為x2，經計算仿真與實驗結果誤差為6. 3 %，考慮到仿真模型的局部簡化以及實驗模型結構和操作中存在的誤差，據此證明本數值模型準確可靠，能客觀反映出閃速爐模型氣粒兩相流動分布特點及其變化規律。

給料速度和分散風研究

為了研究給料速度L 和分散風QD對閃速爐模型內空間的氣粒兩相流動及混合行為的影響，而其他參數保持不變，即工藝風流量為1 530 Nm3 /h，入口速度為75 m/s，中央氧速度為80 m/s。

當給料速度L 由1. 82 t /h 增大到7. 28 t /h 時，噴嘴正下方中心區域顆粒質量分數X1依次減小，最大為15. 84 %，最小為1. 44 %，說明隨著給料速度的增大，分散風作用於更多的顆粒，使其向外分散; X2相比X1增加較多，說明分散風分散顆粒作用有限，僅第二環空間顆粒增加較快，而X3、X4、X5均增大較少，基本呈線性增大。 可以發現，分散風速率不變時，顆粒料幕的增加能夠影響爐內顆粒的分散及分布情況，主要促使顆粒降落在第二環接粒空間區域，外側顆粒分布的類似性取決於噴嘴模型採用分散風小孔射流，剛好被分散風水平直射的顆粒分散越遠離爐膛中心。 因此，可以推斷實際閃速爐冶煉生產的部分工況中有可能存在高溫環形冶煉現象。

當分散風QD由140 Nm3 /h 減小到50 Nm3 /h 時，噴嘴正下方中心區域顆粒質量分數X1依次增大，最小為5. 7 %，最大為59. 52 %，說明隨著分散風流量增大，分散風對顆粒的徑向分散作用明顯增強; X2相比X1增加較多，說明分散風徑向分散作用有限，第二環出口顆粒增加較多。 分散風為50 Nm3 /h時，第三環顆粒累積百分數X3已達到100%，分散風為71 Nm3 /h 時，X4已到達100%，說明分散風流量較小時，顆粒與氣流之間徑向動量交換小，顆粒分散不足。 因此，可以判斷分散風對閃速爐內顆粒的分散有著明顯的調節作用。

總結

中央擴散型精礦噴嘴空氣動力學特性數值模擬研究表明: 可以建立中央擴散型噴嘴控制模型，對爐內流場、濃度場及顆粒軌跡進行仿真研究。 採用實驗手段驗證了中央擴散型噴嘴控制模型的有效性，最大誤差為6. 3 %。 工藝風氣流占主導作用時，塔內顆粒分布集中於反應塔中心。分散風可調節爐內顆粒的分散及分布情況，工藝風和中央氧環形氣流下方顆粒分布較多。相同工藝風和分散風條件下，給料速度對爐內顆粒分散和分布情況影響較小。