摘" " " 要：為了探究RKEF工藝中顆粒形狀及尺寸對煙道顆粒沉積率的影響，基于計算流體力學（CFD）和Det Norske Veritas（DNV）理論，建立了煙道中爐氣-顆粒氣固兩相的多尺度的顆粒沉積模型，精確預測了煙道中顆粒的沉積位置和沉積質量，并通過數值模擬來探究煙道內的沉積率與顆粒大小及形狀之間的關系。

關鍵詞：礦熱爐；RKEF；顆粒沉積；數值模擬

中圖分類號：TF806.7" " "文獻標識碼： A" " 文章編號： 1004-0935（2024）04-0552-03

回轉窯-礦熱爐（RKEF）工藝因其原料適應性強、有害物質少、工藝成熟、鎳鐵品位高等優(yōu)點，已成為我國應用最廣泛的鎳鐵冶煉工藝?[1]。但該工藝也存在電爐熔煉能耗高、廢棄物排放量大的缺點。由于煙道中的爐氣會攜帶大量顆粒物，煙道會隨著設備長期運行而出現磨損和堵塞現象，進而影響設備的運行和余熱余能的回收率。因此有必要對煙道內顆粒物沉積率的影響因素進行研究。

顆粒沉積不僅由運輸機制決定，還與顆粒撞擊壁面的行為有關[2]。LEE?[3]等認為顆粒與沉積表面多次撞擊中，撞擊顆粒的黏附率是由顆粒黏度、表面張力、撞擊速度、角度以及黏附層厚度等參數表示。并對沖擊速度、沖擊角和顆粒濃度3個重要參數做了深入研究。SCHADE[4]等用煤粉顆粒撞擊鋼材料的表面，并追蹤了顆粒的運動路徑。LIU?[5]等基于計算流體動力學建立了鋁合金滑閥壁磨損預測模型，探究了壓差、粒徑分布和顆粒形狀對鋁合金滑閥壁面磨損的影響。ZHOU?[6]等根據Johnson-Kendall-Roberts（JKR）理論來研究當粒子移動到表面時，使粒子發(fā)生沉積的條件，并指出臨界沉積速度ucr是比較顆粒正常撞擊速度與臨界沉積速度的判據依據。

綜上所述，國內外對管道沖蝕進行了大量的研究。研究發(fā)現顆粒沉積會對爐氣余熱回收造成影響，還會堵塞煙道影響煙道壽命。本文基于歐拉-拉格朗日法建立了氣-固兩相流動數學模型，結合灰色關聯(lián)分析法研究了顆粒粒徑和顆粒形狀對沉積速率的影響程度。通過對顆粒沉積的分析可為優(yōu)化煙道余熱余能回收提供有效參考。

1" 模型建立與網格劃分

煙道結構如圖1所示。本文以48MW三相電鎳鐵礦熱爐為原型，對其煙道建模后采用ICEM軟件進行網格結構劃分，如圖2所示。為滿足計算精度和計算效率，本研究進行了網格無關性驗證，其結果見圖3。最終確定物理模型的整體網格數量取為1750360個。

2" 數學模型

為了準確模擬煙道中顆粒沉積行為，本研究構建了顆粒運動模型及氣-固兩相傳熱傳質模型。本文采用歐拉-拉格朗日法進行數值研究。歐拉-拉格朗日方法中，離散相的求解是在連續(xù)相求解完成后進行的。

軟件通過計算守恒方程，首先得到連續(xù)相在流場中的分布，隨后用連續(xù)相的結果耦合離散相的運動方程，對其進行求解。為了研究煙道氣固兩相流動特性，在模擬氣相流動的過程中需要對質量守恒方程和動量守恒方程進行求解。

拉格朗日坐標系下，顆粒的運動軌跡是通過對該坐標系中顆粒運動方程積分求得的。根據牛頓第二定律，可建立顆粒運動的力平衡方程求解。

為了預測顆粒沉積的黏附效率，提出了JKR理論沉積模型。該模型假設初始存在一薄層顆粒。不考慮顆粒與顆粒碰撞過程中能量損耗，粒子的沉積可以發(fā)生在粒子的第一次撞擊中，也可以發(fā)生在后續(xù)的撞擊中，直到顆粒沉積或逃逸，如圖4所示。

3" 結果與討論

3.1" 顆粒粒徑對沖蝕沉積的影響

不同粒徑下顆粒流動軌跡情況如圖5所示，由于顆粒粒徑的增大會導致顆粒質量增大，顆粒在煙道中運行時受到慣性力作用逐漸增強。隨粒徑增大，進入盲管段顆粒的數量在逐漸減少，大量顆粒會隨著煙氣直接流入煙道出口段中。這是由于顆粒受慣性力影響隨粒徑的增大隨之增強，在爐氣流速較低時，慣性力對顆粒運動的影響大于曳力。如圖6所示，顆粒沉積速率則隨著粒徑增大而逐步提高。

當粒徑增加至280μm以后，沉積速率明顯增加。研究發(fā)現，小粒徑顆粒對爐氣的跟隨性較好，因此小顆粒與壁面的碰撞位置也較分散，更容易受到曳力影響進入盲管段；大粒徑顆粒受到的重力影響比較大，爐氣拖曳效果減弱，顆粒開始流向煙道底部，并在Ⅲ段煙道底部發(fā)生沉積。

3.2" 顆粒形狀對顆粒沉積的影響

通常情況下顆粒并非規(guī)則的球形，因此考慮顆粒形狀對煙道沉積的影響具有重要意義。本文通過調整形狀因子Φ，將顆粒形狀的影響通過改變運動控制方程中的曳力系數進行考慮，結果如圖7所示。

由圖7可知，顆粒主要沉積在盲管段的下部。隨著形狀因子的增大，盲管段的沉積也明顯，沉積也越集中。煙道的沉積速率也隨顆粒形狀因子增大而提高，如圖8所示。

受到的曳力越明顯，則顆粒受到的慣性力也就越小，顆粒更容易跟隨爐氣流入煙道出口段，不易造成沉積。反之，受到的曳力越小，慣性力越大，顆粒受到爐氣的影響也就越小，在重力和慣性力的相互影響下就越容易沉積。

顆粒形狀是實際勘測過程中一個很重要的因素，通過數值模擬發(fā)現，顆粒形狀越規(guī)則，沉積速率越大，這是受到曳力的影響。在實際生產過程中，可以盡可能減小形狀因子，這樣能降低沉積速率，節(jié)約產能。

4" 結 論

本文采用控制變量法，分別研究了顆粒粒徑、顆粒形狀對煙道中顆粒沉積位置和沉積量的影響，具體結論如下：較大的顆粒粒徑、規(guī)則的顆粒形狀和較大的顆粒質量流量會導致沖蝕速率增大。其中，當粒徑增大到280μm 后，會在自身重力影響下出現回落，從而使與出口段碰撞的顆粒數量減少，導致沖蝕速率降低。

參考文獻：

[1] 武兵強，齊淵洪，周和敏，等.紅土鎳礦火法冶煉工藝現狀及進展[J].礦產綜合利用，2020（3）：78-83.

[2]HAN H， HE YL， TAO W Q， et al.， A parameter study of tube bundle heat exchangers for fouling rate reduction[J]. International journal of heat and mass transfer， 2014. 72： 210-221.

[3]LEE BE，CLIVE AJ， FLETCHERC A J， SHIN S H， et al. Computational study of fouling deposit due to surface-coated particles in coal-fired power utility boilers[J].Fuel （Guildford）， 2002，81（15）： 2001-2008.

[4] SCHADE K P ERDMANN H J， HDRICH T， et al. Experimental and numerical investigationof particle erosion caused by pulverised fuel in channels and pipework of coal-firedpower plant[J].Powder Technology，2002，125（2-3）： 242-250．

[5] LIU J G， WANG G S， PENG T H， et al. Numerical simulation of solid particle erosion in aluminum alloy spool valve[J]. Mathematical Problems in Engineering， 2019，2019： 1-16.

[6] Zhou G，YE Q. Experimental investigations of thermal and flow characteristics of curved trapezoidal winglet type vortex generators[J]. Applied thermal engineering， 2012，37： 241-248.

Numerical Study on Particle Deposition Process in Submerged Arc Furnace Flue

SUN Chao， LIU Peng， YIN Bin， SONG Yuyang， ZHU Wenyue， ZHAN Hongren

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 113142，China）

Abstract：" In order to investigate the influence of particle shape and size on the deposition rate of particles in RKEF process， a multi-scale particle deposition model of furnace gas-particle gas-solid two-phase in flue was established based on computational fluid dynamics （CFD） and DetNorskeVeritas （DNV） theory.The particlesdeposition location and mass in flue were accuratelypredicted. The relationship between the deposition rate and particle size，shape in the flue was investigated by numerical simulation.

Key words：" Submerged arc furnace; RKEF; Particle deposition; Numerical simulation