劉 衛(wèi)，雷澤勇，鄧 健，雷 林，鐘 林

（南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng)421001）

堆浸鈾鉬礦料倉(cāng)加熱過(guò)程數(shù)值模擬分析研究

劉 衛(wèi)，雷澤勇，鄧 健，雷 林，鐘 林

（南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng)421001）

鈾鉬礦石在粉碎、拌酸后需要在料倉(cāng)中加熱至85℃，以便提高鈾鉬金屬元素的浸出效率和回收率。對(duì)堆浸鈾鉬礦加熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用ANSYS Workbench中的design modeler建立三維模型，并用ICEM CFD軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT中采用多孔介質(zhì)模型對(duì)礦石顆粒加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)均勻性和速度場(chǎng)分布進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，分析了料倉(cāng)中溫度上升過(guò)程和分布情況。

鈾鉬礦；多孔介質(zhì)；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)

0 引言

礦石堆浸浸出[1]是指在適宜的位置中對(duì)礦石進(jìn)行筑堆，利用一定的布液方式將相應(yīng)的溶浸液浸入到礦堆中，從而使溶浸液在礦堆的滲濾作用下可以對(duì)浸出的成分進(jìn)行針對(duì)性的選擇，之后收集再浸堆底部收集流出的富液，最后依靠萃取法回收其中的目標(biāo)金屬。目前我國(guó)很多礦石處理技術(shù)存在浸出效率低以及生產(chǎn)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，因而有效提高礦石的浸出效率成為探索的重點(diǎn)。堆浸鈾鉬礦加熱系統(tǒng)是往裝有鈾鉬礦石的料倉(cāng)四周通入溫度為100℃的蒸氣，通過(guò)蒸氣加熱礦石顆粒達(dá)到溫度85℃.采用Fluent軟件對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以直觀地了解料倉(cāng)內(nèi)部溫度的分布和把握加熱的時(shí)間，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用和燃料成本，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 建立幾何模型

加熱料倉(cāng)二維圖如圖1所示，三維圖如圖2所示。上部是邊長(zhǎng)為1m的正方體，每個(gè)面分布有6個(gè)進(jìn)氣口，下部是漏斗狀的出液口，每個(gè)面分布有1個(gè)出氣口，進(jìn)氣和出氣口的直徑都是100 mm，正方體上每個(gè)面上的進(jìn)氣口距離料倉(cāng)橫向邊的距離都為300 mm，距離料倉(cāng)縱向邊的距離都為250 mm，且進(jìn)氣口之間的縱向距離均為250 mm，出氣口布置在對(duì)稱軸上，離料倉(cāng)底部的距離為250 mm.

圖1 加熱料倉(cāng)二維圖

圖2 加熱料倉(cāng)三維圖

2 多孔介質(zhì)模型

當(dāng)100℃的水蒸氣流經(jīng)礦石顆粒區(qū)域時(shí)，與礦石顆粒之間進(jìn)行換熱，礦石顆粒在此同時(shí)對(duì)氣流有阻礙作用。針對(duì)這種離散的、帶有一定孔隙率的物料可以使用多孔介質(zhì)模型[2]來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬礦石顆粒與氣流的阻力和熱交換現(xiàn)象。

利用多孔介質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程中，多孔介質(zhì)的模型在動(dòng)量方程上疊加一個(gè)代表動(dòng)量消耗的動(dòng)量源項(xiàng)[3]，該動(dòng)量源項(xiàng)由2個(gè)部分組成，即粘性阻力項(xiàng)和慣性阻力項(xiàng)。對(duì)于簡(jiǎn)單的、均勻的多孔介質(zhì)，動(dòng)量源項(xiàng)可以由下式表達(dá)：

式中，μ是粘度；1/α是粘性阻力參數(shù)，用D表示；C2是慣性阻力系數(shù)；是速度矢量大小。粘性阻力系數(shù)D和慣性阻力系數(shù)C2與顆粒平均粒徑和多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的孔隙率有關(guān)。這兩個(gè)參數(shù)可以由以下公式[4]計(jì)算得到：

式中，DP是顆粒的平均直徑（m），ε是顆粒的孔隙率。

由于料倉(cāng)內(nèi)的氣體流動(dòng)和礦石顆粒之間的傳熱過(guò)程十分復(fù)雜，為了便于對(duì)礦石顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)料倉(cāng)內(nèi)礦石顆粒的加熱過(guò)程進(jìn)行的簡(jiǎn)化和假設(shè)如下：1）礦石顆粒為均勻理想化的球形顆粒；2）料倉(cāng)的壁面全部為絕熱壁面，不參與換熱；3）主要考慮水蒸氣與礦石顆粒之間的換熱，不考慮輻射換熱和其他的換熱，且顆粒之間的溫度均勻分布，沒(méi)有溫度梯度；4）假設(shè)進(jìn)口空氣為理想氣體，空氣溫度恒定。

基于以上假設(shè)，礦石顆粒與水蒸氣之間的熱交換過(guò)程遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒三大定律，并認(rèn)為水蒸氣與礦石顆粒之間的換熱處于熱平衡狀態(tài)，因此可用三大方程來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，方程組表示為以下形式[5-6]：

上面式中，ρ是密度，t是時(shí)間，u→是速度矢量，u、v是速度矢量u→在x、y方向上的分量，μ是動(dòng)力粘度，p是壓力，Su、Sv是動(dòng)量方程中的源項(xiàng)，T 是溫度，CP是比熱容，k是流體的傳熱系數(shù)，ST是粘性耗散項(xiàng)。

3 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)上述三維幾何模型，在ANSYS ICEM CFD軟件中運(yùn)用非結(jié)構(gòu)化方法劃分網(wǎng)格，總體的網(wǎng)格數(shù)目為2 223 095個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為373 633個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.35以上，如圖3所示。并在ICEM中設(shè)置入口和出口及多孔介質(zhì)區(qū)域。

3.2 流體區(qū)域條件設(shè)置

在Fluent計(jì)算之前，對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，流體區(qū)域的初始條件為：礦石顆粒的初始溫度為298 K，且礦石顆粒均勻，粒徑均為10 mm，孔隙率為0.3，礦石顆粒密度為1 600 kg/m3，比熱容為90 J/（kg·k），導(dǎo)熱系數(shù)為0.65 W/（m·k）；設(shè)置入口為速度入口，入口速度為10 m/s，壓力為1 000 Pa，溫度為373 K，設(shè)置出口使用壓力出口，大小為零壓，溫度為358 K.根據(jù)公式（1）計(jì)算多孔介質(zhì)區(qū)域的粘性阻力系數(shù)為2.72×107（1/m2）和慣性阻力系數(shù)為1.1×104（1/m）.

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在Fluent中對(duì)模型求解控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：選擇湍流中的k-epsilon模型進(jìn)行求解，打開(kāi)能量方程，使用simple算法處理速度和壓力之間的耦合，能量方程收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)均為10～6，時(shí)間步長(zhǎng)取0.05 s，選擇出口作為溫度監(jiān)測(cè)面。初始化之后采用patch設(shè)置礦石區(qū)域的溫度為298 K.研究比較加熱過(guò)程各時(shí)間段溫度場(chǎng)分布情況，網(wǎng)格及質(zhì)量圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格及質(zhì)量圖

圖4 和圖5為加熱時(shí)間1 900 s時(shí)縱向和中間截面的溫度分布云圖，此時(shí)出口的溫度為303 K.

圖4 t=1 900s時(shí)縱向溫度分布云圖

圖5 t=1 900 s時(shí)中間截面溫度分布云圖

圖6 和圖7為加熱時(shí)間4 500 s時(shí)縱向和中間截面的溫度分布云圖，此時(shí)出口的溫度為323 K.圖8和圖9為加熱時(shí)間10 900 s的溫度分布云圖，此時(shí)出口溫度為385 K，從云圖可以看出此時(shí)料倉(cāng)的溫度都達(dá)到了385 K.圖10和圖11為溫度達(dá)到385 K時(shí)料倉(cāng)內(nèi)速度分布云圖。

圖6 t=4 500 s時(shí)縱向溫度分布云圖

圖7 t=4 500 s時(shí)中間截面溫度分布云圖

圖8 t=10 900 s時(shí)縱向溫度分布云圖

圖9 t=10 900 s時(shí)中間截面溫度分布云圖

圖10 溫度385K時(shí)縱向速度分布云圖

圖11 溫度385K時(shí)中間截面速度分布云圖

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，得到料倉(cāng)加熱整個(gè)過(guò)程溫度隨時(shí)間的分布。加熱時(shí)間前1 900 s溫度上升比較慢，加熱到4 500 s時(shí)，溫度上升趨勢(shì)較明顯，直至到加熱達(dá)到要求的后半段，上升趨勢(shì)逐漸平緩。從圖4、圖6和圖8的縱向溫度分布云圖可以得到料倉(cāng)四周的溫度逐漸向中間擴(kuò)散，往出口呈梯度上升趨勢(shì)。從圖5、圖7和圖9的中間截面溫度分布云圖可以看出溫度從料倉(cāng)四周逐漸上升向中間擴(kuò)散，礦石顆粒吸熱，形成類似八邊形的中間區(qū)域，該區(qū)域逐漸減小，料倉(cāng)內(nèi)溫度上升。從圖10和圖11的速度分布云圖可以看出加熱氣體從料倉(cāng)入口進(jìn)入礦石區(qū)域，且在礦石區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，與礦石顆粒充分接觸，最終從出口流出。

4 結(jié)論

（1）對(duì)料倉(cāng)內(nèi)礦石顆粒采用多孔介質(zhì)模型，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT模擬仿真得到料倉(cāng)內(nèi)礦石顆粒溫度分布和氣流速度分布，直觀了解到料倉(cāng)內(nèi)加熱過(guò)程溫度擴(kuò)散的變化情況。

（2）模擬計(jì)算結(jié)果表明：料倉(cāng)內(nèi)礦石顆粒加熱過(guò)程中，形成了內(nèi)低外高的溫度梯度，內(nèi)外溫度分布均勻性較差，因此，在料倉(cāng)對(duì)礦石顆粒加熱過(guò)程中應(yīng)充分考慮進(jìn)氣口的布局，確保礦石均勻加熱。

[1]習(xí) 泳，吳愛(ài)祥，朱志根.礦石堆浸浸出率影響因素研究及其優(yōu)化[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2005，25（05）：23-26.

[2]王文煜，劉星安，趙 魏，等.球團(tuán)礦在鏈篦機(jī)中預(yù)熱過(guò)程的數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（07）：91-92，94.

[3]李永玲，林其釗，馬培勇，等.內(nèi)置多孔介質(zhì)卷式反應(yīng)器內(nèi)甲烷富燃制氫的數(shù)值模擬[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2010，9（02）：164-170.

[4]Fluent Inc.Fluent user’s guide[M].Lebanon，NH，USA，2006.

[5]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：114-158.

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：47-48.

Numerical Simulation Analysis of Heating Process of Heap Leaching Uranium Molybdenum Mineral

LIU Wei，LEI Ze－yong，DENG Jian，LEI Lin，ZHONG Lin
（University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Uranium molybdenum ore needs to be heated to 85 degree in the silo after crushing and mixing acid，so as to improve the leaching efficiency and recovery rate of uranium molybdenum metal elements.This paper focuses on the research of heap leaching of uranium molybdenum heating system，the establishment of 3D mesh model and ICEM CFD software using ANSYS Workbench in design modeler，the computational fluid dynamics software FLUENT is adopted in the process of heating the ore particles in the temperature field and velocity field distribution uniformity of the porous medium model of non steady numerical simulation，analysis the process and distribution of temperature rise in the bunker.

uranium molybdenum ore；porous medium；numerical simulation；temperature field

TD406

A

1672-545X（2017）09-0037-04

2017-06-04

劉 衛(wèi)（1990-），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：鈾礦冶與核動(dòng)力機(jī)械；雷澤勇（1962-），男，湖南衡陽(yáng)人，教授，研究方向?yàn)殁櫟V冶裝備與核動(dòng)力機(jī)械。