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        基于CFD的高海拔地區(qū)氧化槽溫場數(shù)值仿真研究

        2022-03-29 08:44:58張永興高丙朋
        濕法冶金 2022年2期
        關(guān)鍵詞:生物

        張永興,高丙朋

        (新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000)

        目前,生物氧化法是從難處理金礦石中提取金的最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ唬哂胁僮鞣奖?、運行穩(wěn)定性高、投資少、成本低、金回收率高等優(yōu)點。生物氧化預(yù)處理所用的氧化槽在高海拔地區(qū)易受極端氣候影響,槽內(nèi)溫度分布不均,影響浸出效果[1]。

        國內(nèi)外針對生物氧化槽內(nèi)溫度控制已有一些研究。氧化槽內(nèi)溫度場分布不均,軸向溫度變化對生物氧化預(yù)處理進程干擾顯著[2]。根據(jù)槽內(nèi)熱量供給與流失之間的熱平衡關(guān)系,構(gòu)建出溫度控制模型,可以實現(xiàn)氧化槽溫度的穩(wěn)定控制[3]。采用小范圍傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度檢測實時加權(quán)數(shù)據(jù)融合算法,通過控制多級氧化槽整體溫度,可以大大提高多級氧化槽的浸出效率[4]。通過建立聚類層次傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度序列,結(jié)合所有溫度狀態(tài)估計,可減少外界因素的干擾,提高全局溫度狀態(tài)估計精度[5]。

        高海拔地區(qū),冬季最低氣溫達-39.0 ℃,夏季最高氣溫達40.3 ℃,年平均僅6.1 ℃;極端天氣下,還常伴有大風(fēng)或風(fēng)吹雪。置于室外的生物氧化槽外部熱量損失嚴(yán)重,從而影響內(nèi)部溫度。真實吹風(fēng)條件包含許多變量和不確定性因素,因此幾乎不可能在模擬和全尺寸試驗之間實現(xiàn)真正驗證,只能積累不同條件下的定性驗證結(jié)果[6]。氧化槽內(nèi)的溫度受氣候影響較大,對溫度的精準(zhǔn)控制較難,因此,為使細(xì)菌保持較好活性、提高細(xì)菌繁殖率,有必要對氧化槽外壁的熱量損失進行研究。

        上述研究內(nèi)容均是分析氧化槽內(nèi)溫場,而較少考慮環(huán)境溫度對氧化槽溫場影響的數(shù)值仿真。試驗在前人研究基礎(chǔ)上,結(jié)合氧化槽結(jié)構(gòu),利用CFD技術(shù)(Computational Fluid Dynamics,即計算流體動力學(xué)),研究了采用不同環(huán)境溫度對槽內(nèi)溫場進行數(shù)值仿真,并考察了不同厚度巖棉板對槽內(nèi)溫場的影響。以期為生物氧化預(yù)處理溫場方面的研究提供合適的保溫材料及材料厚度,為實際生產(chǎn)節(jié)約成本并提供依據(jù)。

        1 氧化槽工作原理

        生物浸出效果受多種條件制約,主要包括適合細(xì)菌生長的體系:pH、礦漿濃度、進氣量、溫度等[7]。生物氧化預(yù)處理工藝(圖1)為:礦石磨細(xì),調(diào)漿加入到生物氧化槽內(nèi),加入生物培養(yǎng)液進行初級氧化。礦漿由分配器輸送給3臺并聯(lián)的氧化槽。反應(yīng)一段時間后,氧化槽內(nèi)礦漿輸送給另3臺串聯(lián)的氧化槽進行次級氧化。各個氧化槽中設(shè)有pH、氧化還原電位及溫度測定裝置。在保證各個氧化槽內(nèi)進氣量充分條件下反應(yīng)6 d,然后將礦漿輸送至洗滌系統(tǒng)[8]。

        圖1 金礦石的生物氧化預(yù)處理工藝流程

        2 氧化槽內(nèi)的熱傳遞

        氧化槽的熱量損失和熱量供給達到動態(tài)平衡是保證生產(chǎn)正常運行的關(guān)鍵。氧化槽內(nèi)的熱量來源于氧化槽內(nèi)細(xì)菌氧化還原反應(yīng)釋放的熱量Q1和換熱器帶來的熱量Q2。氧化槽單位時間內(nèi)的熱量流失Q3由熱傳導(dǎo)散熱量Q3a、對流傳熱量Q3b、輻射換熱量Q3c和攪拌槳旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的熱量損失Q3d組成。

        由此,可得系統(tǒng)的熱平衡方程:

        Q3=Q1+Q2;

        Q3=Q3a+Q3b+Q3c+Q3d。

        (2)

        2.1 生物氧化反應(yīng)釋放的熱量Q1

        生物氧化反應(yīng)主要包括微生物的酶解和中間產(chǎn)物氧化反應(yīng):

        (3)

        (4)

        (5)

        根據(jù)漿液反應(yīng)前后物質(zhì)的量變,求得氧化還原反應(yīng)所釋放的熱量Q1:

        Q1=k1Δn(FeS2)+k2Δn(FeS)+k3Δn(FeAsS)。

        (6)

        式中:Δn—各組分物質(zhì)的量,mol;k1、k2、k3—FeS2、FeS和FeAsS的轉(zhuǎn)換系數(shù),kJ。理論上,F(xiàn)eS2、FeS、FeAsS反應(yīng)釋放的熱量分別為1 464 kJ/mol,605.6 kJ/mol,905.3 kJ/mol[9]。

        2.2 換熱管給礦漿傳導(dǎo)的熱量Q2

        受高寒高海拔地區(qū)天氣的影響,氧化槽內(nèi)溫度極易發(fā)生變化,因此,主要采用換熱器來實時調(diào)節(jié)礦漿溫度。當(dāng)漿液溫度低于生物氧化最佳溫度時,向換熱器中通入100 ℃熱水;當(dāng)漿液溫度高于生物氧化最佳溫度時,向換熱器中通入常溫水。試驗用換熱器管道為內(nèi)徑d=100 mm、壁厚=5 mm、長度L=8 000 mm的不銹鋼管。管內(nèi)流體對流換熱的熱量通過管壁傳遞給礦漿。礦漿與換熱器以導(dǎo)熱方式進行熱量傳遞,則單位時間內(nèi)的導(dǎo)熱量為:

        (7)

        式中:K—冷熱水管線導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);A—冷熱水管線表面積,m;Te—礦漿溫度,K;Tr—管線中水的溫度,K;Δt—導(dǎo)熱所需時間,s;δ—冷熱水管線厚度,mm;L—調(diào)節(jié)閥開度,(°)。

        根據(jù)能量平衡方程,可得氧化槽系統(tǒng)單位時間內(nèi)溫度變化數(shù)學(xué)公式:

        (8)

        式中:c—礦漿比熱容,J/(kg·℃);m—礦漿質(zhì)量,kg。

        2.3 氧化槽熱交換流失熱量Q3

        1)熱傳導(dǎo)散熱Q3a

        反應(yīng)槽與周圍環(huán)境換熱以熱傳導(dǎo)方式進行,其熱傳導(dǎo)公式為:

        (9)

        式中:Q3a—熱傳導(dǎo)換熱量,kJ;K1—反應(yīng)槽導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);T1—礦漿溫度,K;T2—周圍環(huán)境溫度,K;A1—反應(yīng)槽表面積,m;δ1—槽壁厚度,mm。

        2)對流傳熱量Q3b

        Q3b=hA1(T3-T4)。

        (10)

        式中:h—對流換熱系數(shù),W/(m2·K);T3—槽壁溫度,K;T4—環(huán)境溫度,K。影響對流換熱系數(shù)的因素較多,試驗主要考慮反應(yīng)槽外壁溫度對熱量損失的影響。

        3)輻射換熱Q3c

        當(dāng)環(huán)境溫度與物體表面溫度差異較大時,罐體自身與周圍環(huán)境的輻射換熱量與對流換熱基本處于同一數(shù)量級,因此,輻射換熱對氧化槽溫度的影響同樣明顯。氧化槽罐體與周圍環(huán)境輻射換熱方程式為

        Q3c=ε1A1σ(T5-T6)4。

        (11)

        式中:ε1—物體發(fā)射率,其值總是小于1,表面光滑的不銹鋼發(fā)射率為0.9;σ—斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù),5.67×10-8W/(m2·K4);T5—罐體表面溫度,K;T6—環(huán)境溫度,K。

        4)攪拌損失的熱量Q3d

        攪拌加快槽內(nèi)熱量流失,也影響反應(yīng)槽熱平衡。漿液熱量損失Q3d公式:

        Q3d=c(Tt-Tt-1)m。

        (12)

        式中:c—礦漿比熱容,4.5 kJ/(kg·℃);Tt—攪拌時間t時的礦漿溫度,K;Tt-1—攪拌時間t-1時的礦漿溫度,K;m—漿液的質(zhì)量,kg。

        3 數(shù)學(xué)建模與分析

        3.1 控制方程

        生物氧化預(yù)處理過程中,礦漿的熱量交換遵循能量守恒定律,控制方程如下:

        (13)

        式中:ρ—材料密度,kg/m3;c—材料比熱容,kJ/(kg·℃);T—溫度,K;τ—時間,s;λ—傳熱系數(shù),W/(m·K);φ—單位體積內(nèi)熱源的生成熱,W/m3。x、y、z—x、y、z坐標(biāo)軸方向的分熱量,W。

        3.2 仿真模型

        氧化槽內(nèi)部是多參數(shù)復(fù)雜流場,目前處理這類流場主要采用k-ε湍流模型數(shù)值計算方法。k-ε湍流模型分為標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-ε和可實現(xiàn)化k-ε模型。其中,可實現(xiàn)化k-ε模型主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、邊界流、循環(huán)流、自由流等,應(yīng)用范圍廣泛,精度高,能更準(zhǔn)確描述氧化槽內(nèi)的實際情況。

        利用Fluent軟件仿真模擬,基于有限元法對生物氧化槽的熱量傳遞過程進行數(shù)值仿真。首先設(shè)置動、靜區(qū)域交界面,打開能量方程,流動模型為可實現(xiàn)化k-ε模型,采用強化壁面函數(shù),輻射模型為P1模型,計算方法為COUPLE算法,差分格式為二階迎風(fēng)格式(二階迎風(fēng)格式是對一階差分格式的修正,是一種離散化的方法,通過之前兩網(wǎng)格的計算結(jié)果而得到下一網(wǎng)格的值,收斂精度為二階)[10-12],其他相關(guān)參數(shù)均采用默認(rèn)參數(shù)。其中:中心軸直徑0.1 m,反應(yīng)槽直徑9.5 m,高10 m,礦漿工作液面高8 m;攪拌器為雙層斜葉式,攪拌槳直徑5 m,厚0.08 m,寬0.8 m,距槽底2 m,兩攪拌槳相距3.5 m。材料物性參數(shù)見表1。

        表1 材料物性參數(shù)

        結(jié)合實際生產(chǎn)情況,對反應(yīng)槽模型做如下分析:

        1)氧化槽內(nèi)流動狀態(tài)較為復(fù)雜,攪拌導(dǎo)致各種物質(zhì)的流動方向和流速不同,攪拌槳周圍易產(chǎn)生渦流及旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。攪拌一段時間后,內(nèi)部流場趨于穩(wěn)定,流動狀態(tài)基本不再變化,為穩(wěn)態(tài)。

        2)氧化槽內(nèi)微生物發(fā)生氧化還原反應(yīng)所釋放熱量及換熱管中通入水所傳遞的熱量都是改變反應(yīng)槽內(nèi)溫度的主要因素。為簡化模型,將其設(shè)置為等效內(nèi)熱源。此內(nèi)熱源采用與換熱管等面積的長方體等效。

        3)對氧化槽罐體進行局部區(qū)域細(xì)化處理。罐體工作液面高度為8 m,將罐體頂面設(shè)置為自由面,與空氣相接觸,可有效反映生物氧化過程的實際狀況。

        4)氧化槽外部風(fēng)場環(huán)境變化多端,多為不可控因素。將氧化槽外壁面設(shè)置為對流換熱面,通過改變換熱系數(shù)和環(huán)境溫度,同時調(diào)節(jié)內(nèi)熱源熱量,使外部對流換熱和輻射換熱所帶走的熱量與內(nèi)熱源所供給的熱量達到動態(tài)平衡,維持槽內(nèi)溫度。氧化槽外壁通過系統(tǒng)耦合計算,不改變其他參數(shù),最終達到槽內(nèi)外熱量動態(tài)平衡。

        通過分析生物氧化預(yù)處理過程、假設(shè)及模型簡化,用GAMBIT軟件建立三維仿真模型,分別對攪拌槳、反應(yīng)槽等進行網(wǎng)格劃分。為使仿真模擬具有高精度,對動。靜區(qū)域交界面、近壁面處及攪拌槳進行網(wǎng)格細(xì)化處理。經(jīng)過反復(fù)仿真計算,當(dāng)三維模型網(wǎng)格劃分總數(shù)為739 847個時,仿真結(jié)果不再發(fā)生變化(采用有限元法分析時,若網(wǎng)格劃分太少,則模型太粗糙,仿真結(jié)果偏差較大;若網(wǎng)格劃分精細(xì),則計算結(jié)果會更加準(zhǔn)確,但會導(dǎo)致計算時間太長,占用計算機資源:所以,數(shù)值仿真時,需要不斷實驗,當(dāng)計算結(jié)果不再發(fā)生較大變化時,選擇此時的網(wǎng)格數(shù)量較為合理)。經(jīng)檢查,此時網(wǎng)格畸變度較小,網(wǎng)格質(zhì)量較佳[13-14],其模型如圖2所示。

        圖2 網(wǎng)格劃分狀況

        3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

        為保證氧化槽內(nèi)反應(yīng)充分,還需要保證適宜的攪拌速度。攪拌速度過高,會導(dǎo)致礦漿溢出,并造成氧化槽熱量損失加劇;攪拌速度過低,則各反應(yīng)物混合可能不充分,不能完全反應(yīng)[15]。參考文獻[16],確定攪拌速度為290 r/min,并在不同環(huán)境溫度下進行仿真分析。不同環(huán)境溫度下的氧化槽縱截面(YZ平面,x=0)礦漿溫度分布如圖3所示。可以看出:不同環(huán)境溫度下槽內(nèi)溫度分布差異較小,且呈現(xiàn)出徑向溫度分布相對均勻,軸向溫度分布存在溫差,整體溫差2~4 ℃。因為采用的是雙層攪拌槳,且安裝位置合適,所以攪拌效果較好,溫度分布較均勻。

        對比不同環(huán)境溫度云圖可知,不改變換熱器的生熱量,則隨環(huán)境溫度降低,槽內(nèi)溫度也不斷降低,且呈現(xiàn)出中心軸處的溫度略高于槽邊緣處。環(huán)境溫度為273.15 K時,槽內(nèi)溫度能較穩(wěn)定地保持在315.15 K左右,生產(chǎn)可正常運行;環(huán)境溫度為268.15 K及以下時,對實際生產(chǎn)產(chǎn)生影響。而增達換熱器的換熱量,可以較好地改善槽內(nèi)溫場,但會造成換熱器近壁面處局部溫度過高,同樣也會影響工業(yè)生產(chǎn)。

        a—273.15 K;b—268.15 K;c—263.15 K;

        為了說明不同環(huán)境溫度對槽內(nèi)礦漿溫度的影響,取距底部3 m處的橫截面,沿中心向徑向分布,并分析槽內(nèi)溫度分布狀況,結(jié)果如圖4、5所示。因各環(huán)境溫度下槽內(nèi)溫度分布情況相似,此處僅考察環(huán)境溫度263.15 K條件下的槽內(nèi)溫度分布情況。

        圖4 環(huán)境溫度為263.15 K條件下,橫截面3 m處槽內(nèi)溫度分布

        由圖4看出:槽內(nèi)溫度分布相對均勻,四周溫度略低于中心溫度,但整體上溫差不大,這主要是由四周壁面與周圍環(huán)境發(fā)生對流換熱和輻射換熱造成。由圖5看出:環(huán)境溫度對槽內(nèi)溫度影響顯著,隨溫差增大,熱損失呈線性增加。

        圖5 不同環(huán)境溫度條件下,橫截面3 m處槽內(nèi)溫度分布對比

        為了改善周圍環(huán)境對槽內(nèi)溫場的影響,對氧化槽壁面加裝保溫材料,在Fluent中選取氧化槽外壁面并設(shè)置為殼傳導(dǎo)。保溫材料為巖棉板,其具有阻燃性,導(dǎo)熱系數(shù)較低且透氣性好,具有保溫和防火雙重作用,為氧化槽提供良好的節(jié)能保溫系統(tǒng)[17-20]。其材料參數(shù)為:密度150 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)0.040 W/(m·K),比熱容0.75 kJ/(kg·℃)。以環(huán)境溫度263.15 K為例,不改變其他參數(shù),分別對25、50、75、100 mm保溫層進行穩(wěn)態(tài)分析[18],不同厚度保溫層氧化槽縱截面(YZ平面,x=0)礦漿溫度分布如圖6所示。

        a—25 mm;b—50 mm;c—75 mm;d—100 mm。

        為了說明無保溫層和不同厚度保溫層對槽內(nèi)溫度的影響,取距底部3 m處的橫截面,沿中心向徑向分布,結(jié)果如圖7所示。可以看出:25 mm厚度的保溫層比無保溫層時槽內(nèi)溫度升高2 ℃左右,主要是巖棉板的導(dǎo)熱效率遠遠低于不銹鋼材質(zhì)的氧化槽,也降低了對流傳熱速率;每增加25 mm厚度保溫層,氧化槽內(nèi)溫度升高約0.5 ℃,保溫層越厚保溫效果越好,但需要結(jié)合實際情況,選取合適厚度的保溫層。

        圖7 橫截面3 m處不同厚度保溫層對槽內(nèi)溫度的影響

        4 結(jié)論

        極端天氣下的環(huán)境溫度對生物氧化槽內(nèi)的溫度場有明顯影響。通過建立三維模型,可明確不同環(huán)境溫度下槽內(nèi)溫度場狀況;在氧化槽外壁增設(shè)保溫層,改造氧化槽結(jié)構(gòu),增大換熱量,可以改善槽內(nèi)溫度場環(huán)境;內(nèi)熱源生熱量太大會導(dǎo)致局部溫度過高,應(yīng)合理增設(shè)換熱器,通過增加換熱面積改善槽內(nèi)溫場。

        環(huán)境溫度對槽內(nèi)溫場的影響呈線性增大趨勢,外壁增設(shè)保溫層,能較好改善槽內(nèi)溫場,保溫層厚度需要結(jié)合實際情況確定。

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