Barracuda冶金行业应用技术方案 ——高炉炼铁与焙烧过程

1. 高炉炼铁
1.1. 高炉炼铁流态化过程简介
        高炉炼铁是将含铁烧结矿、球团矿以及焦炭、煤粉等加入钟炉炼制成铁水的过程。炼铁高炉实际上是一个巨大、复杂的逆流式气-液-固反应器，而高炉燃烧室是整个高炉生产的热量和能量之源，是高炉稳定操作不可缺少的重要反应区，堪称高炉的“心脏”。
         首先，高炉中的炉料由于燃料中碳的燃烧和熔化渣铁的不断滴落，逐渐降落到燃烧所出现的空间，使燃烧和熔化过程不断进行，从而导致了高炉中炉料的运动，使整个冶炼过程连续、稳定的顺利进行；其次，高炉回旋区的大小及形状对高炉下部气流及炉料下降影响相当大；再次，由于焦炭中的碳和由风口喷入的辅助燃料是在回旋区与鼓风中的氧进行燃烧而产生煤气的，而所产生的煤气又是高炉生产所需化学能和热能的主要供给和携带者。因此，燃烧室的形成和反应情况，将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降、以及整个高炉的传质传热过程；尤其是对大型高炉而言，炉内料层直径及高度均较大，风口回旋区的形成和反应过程对于炉内温度及煤气成分的合理控制显得尤为重要。

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        图1.1 燃烧室示意图 高炉燃烧室是一个典型的气-固两相流化燃烧过程，可以分为包含许多焦炭颗粒的风口燃烧带和燃烧带上方焦炭做回旋运动的回旋区，如图1.1所示。燃烧带内，气-粒两相处于层流状态；而回旋区内则是湍流状态。在高温鼓风的作用下，焦炭及煤粉颗粒在燃烧室不断进行着燃烧和气化反应，从而确保高炉上部炉料不断下降和高温还原煤气不断产生。 除炼铁高炉燃烧室外，高炉煤气的除尘亦是典型的工业气-固多相流应用问题，布袋式除尘器、旋风分离器等都是典型的除尘设备，其稳定运行与工艺优化是炼铁企业所关心的关键问题之一。
1.2. 高炉炼铁仿真模拟现状
        当前，在对高炉燃烧室的数值模拟研究中，主要有矩阵解析方法、一维模型模拟、二维模型模拟、以及计算流体力学法。前几种方法因问题本身的复杂性，都是着重于分析问题的某一方面，建立单方面的数学模型；而采用计算流体力学的方法因其独特的优势正逐渐应用于高炉燃烧室数值模拟研究中。 然而，因为通用CFD软件自身模型上的限制，以及燃烧室内颗粒浓度的特点，即焦炭及煤粉颗粒在燃烧带含量较大，而在回旋区又含量较低。所以，已有的研究都是将两个区域分开，分别采用欧拉-欧拉拟流体模型与DPM离散相模型，没有能够将两个区域联合起来进行总体分析。 高炉煤气除尘的数值模拟研究上，目前亦主要采用通用CFD软件的DPM离散相模型进行模拟。 以上两个方面，尤其是高炉燃烧室的数值模拟，Barracuda软件具有明显的应用优势，可以将燃烧带和回旋区合并模拟，综合分析整个燃烧室内的流化燃烧汽化状态。
2. 焙烧过程
2.1. 焙烧流态化过程简介
        按照处理的矿物种类可将焙烧过程分为非金属矿物焙烧与金属矿物焙烧。前者如碳酸盐型的石灰石、硫酸盐型的石膏、硫化物型的硫铁矿及硅酸盐型的黏土矿等，都是重要的化工原料。其经过高温焙烧得到的初级产品，或作为其他工业生产过程的原料，或经提纯精加工得到高品质产品，或作为生产其他产品的添加剂，还可作为特定元素工业产品的原料，具有非常广泛的应用。后者则是冶金工业中重要的预处理及冶炼过程，尤其对于低品位氧化矿与复杂矿的金属冶炼起着关键作用，通过矿物焙烧可实现元素富集、有害杂质脱除、不同金属分离提取等目的。 传统非金属矿物焙烧多采用块状固定式的静态煅烧方法，或采用一定的机械搅动及翻滚措施，这种方法不易控制煅烧炉内的温度分布及矿物停留时间、常出现“过烧”及“欠烧”情况、产品质量不稳定、生产周期长效率低、能耗大成本高，为了消除克服以上问题，利用流态化技术的流态化煅烧法日益得到了广泛的研究关注与应用。
        冶金行业常用的冶炼方法有火法冶金、电化冶金、湿法冶金等，其中火法冶金因其生产效率高，规模大而被广泛应用。然而，火法冶金对富矿品位要求高，众多的低品位矿石就需要通过预焙烧进行富集；同时，火法冶金的高温条件使反应过程远离化学动力学控制，故多通过强化传递的方法促进冶炼过程。流态化技术良好的传质传热能力为其在金属矿物焙烧提供了良好的应用前景。 除此之外，焙烧工艺还用于其他一些行业如石油焦煅烧、水泥煅烧等。石油焦又称生焦，是石化行业延迟焦化装置的副产品。经过煅烧除去挥发份和水分后称为煅烧焦或熟焦，是冶金工业及化学工业的原料，可用于电解铝中预焙阳极、碳素行业的增碳剂及石墨电极，还可作为燃料在某些场合代替煤粉。在水泥行业中，使用煤粉、煤灰、石油焦生产水泥的传统方法是立窑和回转窑煅烧，而近年来悬浮流态化煅烧以其特有的优点正在发达国家大规模采用，逐步取代了老式生产方法。
2.2. 焙烧过程仿真模拟现状
        目前为止，国内对焙烧过程的数值模拟研究普遍较少。已有的研究主要集中在水泥行业的石油焦、粉煤灰焙烧，采用通用CFD软件的欧拉-欧拉拟流体模型或DPM离散相模型，对水泥分解炉内的气-固两相流动、物料分解反应、NOx污染物生成及脱除规律等进行数值模拟研究。 除此之外，已有的研究还包括氧化铝悬浮焙烧、煤气化鼓泡床石灰石脱硫剂焙烧等，亦是采用通用CFD软件进行的，总体来说这些方面的数值模拟研究很少。 无论以上哪方面的数值模拟研究，均未采用Barracuda软件。而从发表的研究成果来看，Barracuda软件完全可以胜任该类研究工作，并在诸多方面具有明显优势。
3. Barracuda及CPFD技术
        Barracuda工程软件包是由美国的CPFD Software,LLC公司开发的专门用于模拟颗粒-流体流动及化学反应的商用软件包，它致力于工业尺度流态化装置的模拟。目前，众多的政府研究机构和世界财富500强企业已选用它来做工厂设计和工艺过程优化。使用Barracuda，我们客户就有了一个可靠的工程设计，我们的自信源自Barracuda的科学依据。
就像真正的梭鱼，Barracuda软件计算快速而功能强大。它是如此的独特，以至于无法找到第二个类似的工程软件!Barracuda在模拟复杂流体/颗粒/热/化学反应现象方面功能强大；它的计算速度快，能够在设计期限内得到一个有意义的准定常特性，允许你迅速地在不同设计之间做出权衡。

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3.1. 独有的网格生成技术
        Barracuda工程软件包包含一个自动化的网格生成器，它可以便利的生成求解器可以高效求解的高质量网格。在网格划分时，用户只需根据模拟对象的几何结构，定义一组封闭的轮廓面，点击一下按钮，即可快速完成网格的自动生成。对于复杂的结构，还允许用户进行网格局部加密。网格自动生成技术大大简化建模前处理工作，使得分析人员能够投入更多的时间来完成模型的求解计算与结果分析。

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3.2. 先进的数值求解技术
        CPFD是基于Eulerian – Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度，Eulerian – Eulerian模型可以模拟密集颗粒流附近的颗粒间应力，但若考虑到颗粒的类型和尺度分布，连续方程将异常复杂，因为需要对每一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian – Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法，它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度和速度等。尽管如此，对于颗粒体积分数较高的情况，颗粒间的碰撞频率极高，采用真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。 CPFD技术借鉴了MP-PIC（multiphase particle-in-cell）方法，对颗粒相进行了双重处理方法，即颗粒既被视为是连续介质，也被视为是离散体。将颗粒应力梯度（在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算）处理成流体网格上的梯度，然后插值到离散颗粒体上；而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子，这种算子计算速度高，且可以保证全局及局部的守恒。这样，CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖——网格上颗粒法相应力计算所需要的；更重要的是，颗粒相和流体相隐式的耦合起来，能够对稀疏到密集的任何颗粒体积分数的颗粒-流体系统求解计算，为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。 ——用户任意定义颗粒尺度分布 ——不受限的颗粒和气态物质组分 ——质量、动量和能量的完全守恒，流体、颗粒动量紧耦合(完全隐式） ——颗粒应力张量；颗粒-颗粒碰撞；颗粒-壁面反弹
3.3. Barracuda在流化模拟方面的三大优势
        Barracuda对流化模拟的需求完全匹配。它所具有的以下三大优势，确立了它在流化装置模拟中的领先地位。
3.3.1. 准确模拟颗粒流动的基本机理
        在最基本的层面，Barracuda可以正确地获得颗粒流动的机理。使用固定网格的欧拉方法模拟气相和液相，这与传统CFD方法一样；而将颗粒状固体用拉格朗日（无网格）方法模拟为大量离散体。Barracuda甚至可以捕获由颗粒尺度分布（PSD）引起的所有重要机理。 用户也可以指定任意的颗粒尺度分布，定义不限数量的组分，如煤和沙子。其它机理包括完全耦合的流体-颗粒曳力、真实的壁面冲击和反射、涉及颗粒固体的化学反应、由于气化而导致颗粒尺度缩小。
3.3.2. 经历流化实验数据的验证
        为了验证Barracuda软件的精确性和准确性、捕获大型实验系统里的复杂流化特性，CPFD Software,LLC公司加入并成为颗粒固体研究公司（PSRI）的完全会员，可以分享PSRI的实验数据。PSRI也是Barracuda的用户，它使用Barracuda设计实验。利用公开文献数据作了大量验证性研究，同时也经历了用户专有数据的多次验证，Barracuda软件已被证明是目前最好的流化模拟工具，尤其适用于各种过程工程行业。

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3.3.3. 快速计算——突破数值计算的瓶颈
        为了帮助工厂做出准确、高效的设计和工艺过程优化决策，对流化装置的模拟必须具备以下四个条件：
a) 完全三维模拟；
b) 所模拟颗粒的尺度范围宽、数量大。颗粒的最小尺度可达2微米，最大尺度则取决于流体网格的大小。一般情况下，Barracuda模拟颗粒的尺度范围在5微米～10毫米之间，模拟的颗粒数量可达到1016， 颗粒的总质量可达数百吨；
c) 计算速度必须满足设计反复迭代的需要，可以很快获得有意义的准稳态特性；一般情况下，对于实验室尺度的问题，计算可在数分钟至数小时内完成，对于工业尺度的大规模问题，一般计算时间为数小时至数天；
d) 必须包含参数化和快速权衡不同设计的能力。确保可以得到最优化的设计。
        Barracuda可以同时满足上述四个条件，这得益于CPFD Software,LLC公司专有的数值技术——CPFD（计算颗粒流体力学）。CPFD数值方法已经由公司的创始人之一——Dale 博士在计算物理杂志（Journal of Computational Physics）和其它行业认可的期刊上发表。
4. 应用案例
        海基科技公司与沈阳铝镁设计研究院合作采用Barracuda软件研究了流化床氢氧化铝焙烧制氧化铝工艺。
        焙烧炉主体由流化反应器及旋风分离器两部分构成，高约24米，其结构及工作原理如图4.1所示，计算模型的网格划分如图4.2所示。

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        含有O2与CO-H2-N2混合气体夹带Al(OH)3与Al2O3颗粒进入反应器中，通过CO与H2的燃烧提供热量，使Al(OH)3反应脱水生成Al2O3，随后在旋风分离器中对颗粒进行分离收集。

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        图4.3、图4.4所示为焙烧炉内温度变化情况，可见随着温度较低的原料气进入，炉内温度由初始的1373K逐渐降低，并趋于稳定。
        图4.5、图4.6所示为焙烧炉内颗粒运动情况，并以颜色来区分颗粒组分。可见，反应炉内的颗粒在气流带动下体现出了流化床的无规律运动状态。同时，Al(OH)2在高温气体加热焙烧下不断反应生成Al2O3。

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        图4.7所示为焙烧炉内CO2浓度分布变化情况。初始状态下反应器内充满O2与N2，随着时间的推进与反应的进行，CO2浓度逐渐升高，并且在侧壁入流的影响下呈现出一定的浓度分布，即近壁面入口一侧的浓度高于远侧的浓度。
        本应用案例模拟15s的运行工况所用实际计算时间约为72小时，可见，对于工业尺度焙烧炉的仿真模拟，所需计算时间不会超过一周，可完全满足设计周期的时间要求。