链条炉炉膛结构对热锗联产锗富集条件影响的CFD模拟
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摘要
锗是一种非常有价值的稀有金属,在半导体、军工以及医药学等方面都有比较广泛的应用。本文主要针对内蒙古锡林浩特锅炉房的热锗联产项目进行研究,在分析链条炉内燃烧环境的基础上,利用FLUENT软件对链条炉炉膛内的燃烧情况进行模拟,通过改变链条炉的前后拱结构以及燃烧条件,找到最适合炼锗的条件。
首先,通过查阅大量文献,了解了锗的一些基本性质和研究情况,以及锗的氧化物的一些性质,因为在链条炉中,锗是以氧化物的形式挥发出来,所以充分了解它们的性质,对于下一步研究会有很大的帮助。另外还了解了炉膛内温度、还原性气氛以及粒子停留时间对于锗挥发的影响。
本课题的重点部分,包括链条炉的实地测试和链条炉燃烧情况的CFD模拟。本课题利用的是CFD商用软件FLUENT6.3,该软件的计算方法是利用有限体积法。在软件的定义中,使用了标准k ?ε双方程模型和离散坐标辐射(DO)模型,并且利用prePDF软件,模拟了燃料的非预混燃烧.在模拟的基础上,分析了炉膛内的温度场,还原性气氛和粒子停留时间。在实验中,主要利用铂铑热电偶和光学高温计对炉膛内的温度分布进行了测量,测点1~4的温度分别为1184.8℃、1313.2℃、1014.8℃、643.8℃。并且收集了布袋除尘器、空气预热器和炉渣的样品,进行了分级测试,得出了各个部位的产锗量以及飞灰中不同粒径颗粒的含锗量。通过比较,发现了模拟结果和实验结果的误差,分析了其中的原因,得出了模拟结果是真实有效的结果。从而为下一步的模拟工作做好了准备。
最后,分别改变了链条炉前后拱的结构、一次风配比情况和炉膛烟气出口的结构,对炉膛内的燃烧情况进行了模拟。同时分析了在各种条件下,温度场、还原性气氛以及粒子停留时间的变化。通过大量模拟的结果,总结出了一套比较适合链条炉炼锗的炉膛结构以及燃烧条件。该项目的研究成果对于今后的炼锗工作有一定的指导作用。
Germanium is a very valuable rare metals. It in the semiconductor, military and medical science and other aspects of a comprehensive range of applications. This article mainly studys the heat germanium co-production project in the boiler room of Xilinhot in Inner Mongolia. We use the software FLUENT to simulate the burning furnace conditions in chain boiler on the analysis of it.And we change the structure of chain boiler to simulate.In this way,we can find the most suitable conditions of the enrichment of germanium.
In the first, through reading many literatures,we konw some of the basic nature of germanium and research.And we focus on the nature of Germanium oxide. Because in the chain boiler, germanium volatile in the form of germanium oxide.The fully understand of the nature will be helpful for the research. In addition, we analyse the impact of temperature, reducing atmosphere and the particles remain volatile time on germanium volatile.
Then we entered a key part of this subject. It includes field-tested of chain boiler and the CFD simulation. This issue use CFD software FLUENT6.3 to simulate. On the basis of simulation, we analyze the temperature in the furnace, reducing atmosphere and the particles stay.In the experiment, we mainly use the platinum and rhodium thermocouple to measure the temperature. The temperature of 1~4 is1184.8℃、1313.2℃、1014.8℃、643.8℃. And we collecte the samples in bag filter, air preheater and slag to test.In this way,we know the production of germanium on every part.This is the preparation for the next simulation.
Finally, we change the structure of chain boiler,the ratio of wind and the structure of the furnace flue gas exports to simulate.And we analyze the change of the temperature in the furnace, reducing atmosphere and the particles stay. Through the simulation results, we concluded a set of more appropriate chain of hearth furnace Lian germanium structure and burning conditions
首先,通过查阅大量文献,了解了锗的一些基本性质和研究情况,以及锗的氧化物的一些性质,因为在链条炉中,锗是以氧化物的形式挥发出来,所以充分了解它们的性质,对于下一步研究会有很大的帮助。另外还了解了炉膛内温度、还原性气氛以及粒子停留时间对于锗挥发的影响。
本课题的重点部分,包括链条炉的实地测试和链条炉燃烧情况的CFD模拟。本课题利用的是CFD商用软件FLUENT6.3,该软件的计算方法是利用有限体积法。在软件的定义中,使用了标准k ?ε双方程模型和离散坐标辐射(DO)模型,并且利用prePDF软件,模拟了燃料的非预混燃烧.在模拟的基础上,分析了炉膛内的温度场,还原性气氛和粒子停留时间。在实验中,主要利用铂铑热电偶和光学高温计对炉膛内的温度分布进行了测量,测点1~4的温度分别为1184.8℃、1313.2℃、1014.8℃、643.8℃。并且收集了布袋除尘器、空气预热器和炉渣的样品,进行了分级测试,得出了各个部位的产锗量以及飞灰中不同粒径颗粒的含锗量。通过比较,发现了模拟结果和实验结果的误差,分析了其中的原因,得出了模拟结果是真实有效的结果。从而为下一步的模拟工作做好了准备。
最后,分别改变了链条炉前后拱的结构、一次风配比情况和炉膛烟气出口的结构,对炉膛内的燃烧情况进行了模拟。同时分析了在各种条件下,温度场、还原性气氛以及粒子停留时间的变化。通过大量模拟的结果,总结出了一套比较适合链条炉炼锗的炉膛结构以及燃烧条件。该项目的研究成果对于今后的炼锗工作有一定的指导作用。
Germanium is a very valuable rare metals. It in the semiconductor, military and medical science and other aspects of a comprehensive range of applications. This article mainly studys the heat germanium co-production project in the boiler room of Xilinhot in Inner Mongolia. We use the software FLUENT to simulate the burning furnace conditions in chain boiler on the analysis of it.And we change the structure of chain boiler to simulate.In this way,we can find the most suitable conditions of the enrichment of germanium.
In the first, through reading many literatures,we konw some of the basic nature of germanium and research.And we focus on the nature of Germanium oxide. Because in the chain boiler, germanium volatile in the form of germanium oxide.The fully understand of the nature will be helpful for the research. In addition, we analyse the impact of temperature, reducing atmosphere and the particles remain volatile time on germanium volatile.
Then we entered a key part of this subject. It includes field-tested of chain boiler and the CFD simulation. This issue use CFD software FLUENT6.3 to simulate. On the basis of simulation, we analyze the temperature in the furnace, reducing atmosphere and the particles stay.In the experiment, we mainly use the platinum and rhodium thermocouple to measure the temperature. The temperature of 1~4 is1184.8℃、1313.2℃、1014.8℃、643.8℃. And we collecte the samples in bag filter, air preheater and slag to test.In this way,we know the production of germanium on every part.This is the preparation for the next simulation.
Finally, we change the structure of chain boiler,the ratio of wind and the structure of the furnace flue gas exports to simulate.And we analyze the change of the temperature in the furnace, reducing atmosphere and the particles stay. Through the simulation results, we concluded a set of more appropriate chain of hearth furnace Lian germanium structure and burning conditions
引文
[1]黄永勤,某含煤区域煤中锗的成因规律[J],地质学报,1965,45(2):183～196
[2]劳林娟,从茂名盆地第三纪褐煤的分离论锗与煤岩组分的相关性[J],沉积学报,1984,2(4):66～75
[3]李春阳,滕县煤田石炭二叠纪煤系锗镓分布特征[D],中国煤田地质,1991,3(1):30～36
[4]刘金钟,许云秋,次火山热变质煤中Ge、Ga、As、S的分布特征[D],煤田地质与勘探,1992,20(5):27～32
[5]王兰明,内蒙古锡林郭勒盟乌兰图嘎锗矿地质特征及勘查工作简介[D],内蒙古地质,1999,(3):16～20
[6]雷霆,张玉林、王少龙,锗的提取方法[M],北京:冶金工业出版社,2007,40～49
[7]雷霆,张玉林、王少龙,锗的提取方法[M],北京:冶金工业出版社,2007,118～122
[8]Miller JDA,Microbial Aspects of Metallurgy,Metical and Techenical[D] Publishing Co. Ltd. Chiltern House,Aylesbury,1971,66
[9]朱云,郭淑仙,胡汉,微生物从煤中浸出锗的动力学[D],有色金属,2001,53(4):22～25
[10]张家敏,雷霆,张玉林等,用干馏方法提取褐煤中锗并制备焦炭的研究[D],煤炭科学技术,2006,34(12):69～72
[11]雷霆,张玉林、王少龙,锗的提取方法[M],北京:冶金工业出版社,2007,75～77
[12]雷霆,张玉林、王少龙,锗的提取方法[M],北京:冶金工业出版社,2007,12～40
[13]刘飞燕,朱志敏,沈冰,我国煤中微量元素的赋存及开发利用[D],2006,05
[14]张双全,吴国光,煤化学[M],中国矿业大学出版社,2003,111～113
[15]贺永德,秦仲达,潘连生等,现代煤化工技术手册[M],化学工业出版社,2003,229～231
[16]奚士光,吴味隆,蒋君衍等,锅炉及锅炉房设备[M],中国建筑工业出版社,1992,66～67
[17]奚士光,吴味隆,蒋君衍等,锅炉及锅炉房设备[M],中国建筑工业出版社,1992,70～72
[18]Quann R.J.,Neville M.,Sarofim A.F.,Vaporization of refractory oxide during pulverised coal combustion[D],Nineteenth Symposium on Combustion,The Combustion Institute,1982,1429～1440
[19]李国纲王云春潘勇等,铂铑热电偶材料的生产及应用[D],重庆仪表材料研究所,重庆400700
[20]陈兴汉,影响铂铑热电偶细丝生产的主要问题的分析[D],重庆仪表材料研究所,中国重庆400700
[21]罗家伟,工业用光学高温计使用注意事项及常见故障排除[D],云南省计量测试技术研究院,昆明650041
[22]钱海闽,影响光学高温计准确读数的因素及其修正方法[D],马鞍山市质量技术监督局技术所,安徽马鞍山243000
[23]罗暾,Testo 350M/XL烟气分析仪比对实验及应用中的问题[D],宁波市环境监测中心站,浙江宁波315012
[24]费正中,Testo350XL烟气分析仪在加热炉运行监测中的应用[D],中国石化股份公司武汉分公司设备监测防护中心,武汉430082
[25]陈运铣,链条炉燃料层燃烧过程的初步分析[J],浙江大学学报,1963,14(2):1～22
[26]王福军,计算流体动力学分析[M],北京:清华大学出版社,2004年9月
[27]叶旭初,胡道和,CFD技术与工程应用[M],中国水泥,2002年2月号:29～32
[28]S.C.Hill,L.D.Smoot,A Comprehensive Three-Dimensional Model for Simulation of Combustion System:PCGC-3,Energy and Fuels[D],1993,(7):874~886
[29]F.C.Lockwood,C.Papadopoulos,A.S.Abbas,Prediction of a Corner-Fired PowerStation Combustor[D],Combust.Sci.and Tech.,1988,58:5~23
[30]Amano R S, Development of a turbulence near-wall model and its application to separated and reattached flows, Numer Heat Transfer[J],1984.7:59-75
[31]王志东,汪德爟,一种简单的结构网格边界正交化方法[J],华东船舶工业学院学报(自然科学版),2002年8月,16(4)。
[32]张正科,朱自强,庄逢甘复杂外形网格生成技术及应用[J],北京航空航天大学学报,1998年12月,24(6):642-645
[33]Thompson J F, Thames F C. Mastin C W。Automatic numerical generation of body-fitted curvilinear coordinate system for field containing any number of arbitrary two-dimensional bodies.J Comput Phys[J], 1974, 15:299-319
[34]Thompson J F, Warsi Z U A, Marstin C W, Numerical grid generation, foundation and application[J]. New York: North-Holland, 1985.95-140
[35]周天孝,白文,CFD多块网格生成新进展[J],力学进展,1999年8月,29(3)。
[36]刘学强,多重网格法在非结构网格中的应用[J],计算物理,2002年7月,19(4):357～361
[37]修荣荣,徐明海,黄善波等,网格单元形状对数值计算的影晌[J],工程热物理学报,2004年3月,25(2):317～319
[38]刘星,卞思荣,朱金福,非结构网格生成技术[J],南京航空航天大学学报,1999年12月,31(6):696～700
[39]范维澄,万跃鹏等,流动及燃烧的模型与计算[M],中国科技大学出版社,1991,14～36
[40]范维澄,万跃鹏等,流动及燃烧的模型与计算[M],中国科技大学出版社,1991,202～243
[41]FLUENT中文全教程[G],第十四章,非预混燃烧模拟
[42]刘德昌,陈汉平等,锅炉改造技术[M],中国电力出版社,2000,72～84
[43]李朝绪等,锅炉经济运行与改造[M],能源出版社,1985,310～340
[44]范柏樟,李之光,李清等,小型锅炉设计与改造[M],1987,51～91
[45]郑雪晶,热锗联产中锗富集规律的研究[D],2008,76～105
[2]劳林娟,从茂名盆地第三纪褐煤的分离论锗与煤岩组分的相关性[J],沉积学报,1984,2(4):66～75
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[34]Thompson J F, Warsi Z U A, Marstin C W, Numerical grid generation, foundation and application[J]. New York: North-Holland, 1985.95-140
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[37]修荣荣,徐明海,黄善波等,网格单元形状对数值计算的影晌[J],工程热物理学报,2004年3月,25(2):317～319
[38]刘星,卞思荣,朱金福,非结构网格生成技术[J],南京航空航天大学学报,1999年12月,31(6):696～700
[39]范维澄,万跃鹏等,流动及燃烧的模型与计算[M],中国科技大学出版社,1991,14～36
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[44]范柏樟,李之光,李清等,小型锅炉设计与改造[M],1987,51～91
[45]郑雪晶,热锗联产中锗富集规律的研究[D],2008,76～105