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文档简介
1、再生铜反射炉内多场耦合数值仿真与优化研究 英文题名 Numerical Simulation and Optimization on Coupled Multi-field in the Reclaimed Copper Reverberatory Furnace 关键词 再生铜; 反射炉; 热平衡; 数值仿真; 优化; 英文关键词 Reclaimed Copper; Reverberatory Furnace; Thermal Equilibrium; Numerical Simulation; Optimum; 中文摘要 反射炉是再
2、生铜生产的关键设备,但由于存在热效率低、金属回收率低、产品质量不稳定、炉子使用寿命低等问题,使其应用受到很大限制。本文以湖南某铜业公司反射炉系统为研究对象,采用数值仿真方法对炉内热工过程进行系统研究,为结构和操作参数的优化提供理论指导。 本文以商业软件FLUENT6.3为平台,建立了反射炉解析区域的物理模型,通过网格无关性的研究,确立了合适的非结构化网格,以热工测试数据为边界条件,应用标准k-模型、组分传输模型与P-1辐射模型,实现了反射炉内流场、温度场、浓度场和燃烧释热场的四场耦合的数值模拟,其主要结果如下: (1)当采用直流燃烧器时,反射炉炉膛内部燃烧器区域存在一个比较大的回流区域,烟气的
3、回流有效地加强了炉内气体的循环与混合,增加了炉内燃烧的稳定性;炉内最高温度出现在距离燃烧器喷口大约1.0m处,为2279K,反射炉底部温度水平在1400K左右,但过剩空气系数偏大,炉内温度分布不均匀,热效率较低;在烟道出口处仍存在少量未燃组分,表明炉内燃烧组织不够理想。 (2)将仿真计算结果与现场测试数据进行了比较,两者基本一致,相对误差小于7%,表明上述模型用于反射炉内燃烧过程的数值. 英文摘要 Reverberatory furnace is a key equipment for production of reclaimed copper. But its application is
4、 greatly limited due to the problems, such as low thermal efficiency, low recovery rate, unstable product quality, short life of the furnace. In this paper, based on the numerical simulation method, the thermal process of the furnace in 摘要 4-5 ABSTRACT 5-6 符号说明 10-11 第一章 绪论 11-22 &
5、#160; 1.1 铜及再生铜工业概述 11-14 1.1.1 世界铜及再生铜工业现状和发展 11-13 1.1.2 中国铜及再生铜工业现状和发展 13-14 1.2 再生铜生产工艺简述 14-19 1.2.1 含铜废料的预处理 14-15 &
6、#160; 1.2.2 铜的再生 15-16 1.2.3 反射炉的再生铜直接利用法生产工艺 16-19 1.2.4 反射炉运行中存在的问题 19 1.3 工业炉窑研究方法概述 19-21 1.3.1 研究方法的发展历程 19-20
7、 1.3.2 数值仿真技术在冶金炉窑研究中的应用 20-21 1.4 课题来源和研究内容 21-22 第二章 再生铜反射炉的热工测试与分析 22-30 2.1 热平衡测试 22-24 2.1.1 热平衡测试目的 22 2.1.2 热平衡测试内容 22
8、160; 2.1.3 热平衡测试仪器和设备 22-24 2.1.4 热平衡测试数据 24 2.2 物料平衡与热平衡计算结果 24-27 2.2.1 物料平衡计算结果 25-26 2.2.2 热平衡计算结果 26-27 2.3 系统热平衡分析 27-29
9、 2.4 本章小结 29-30 第三章 反射炉内多场耦合数学模型及其求解方法 30-45 3.1 基本守恒方程 30-31 3.2 反射炉内多场耦合类型 31-32 3.3 湍流模型 32-34 3.4 组分传输模型 34-37 3.5 辐射模型 37-38 3.6 基本方程的离散化 38-41 &
10、#160; 3.6.1 常用的离散化方法 39-40 3.6.2 有限容积法中常用的离散化格式 40-41 3.7 多场耦合离散方程的求解方法 41-42 3.7.1 流场数值计算的主要方法 41 3.7.2 SIMPLE算法 41-42 3
11、.8 基于FLUENT软件的求解步骤 42-44 3.9 本章小结 44-45 第四章 反射炉内多场耦合仿真 45-56 4.1 反射炉物理模型 45 4.2 边界条件 45-46 4.2.1 入口边界条件 45-46 4.2.2 出口边界条件 46 &
12、#160; 4.2.3 壁面边界条件 46 4.3 网格及其无关性研究 46-49 4.4 流场 49-50 4.5 温度场 50-51 4.6 浓度场 51-53 4.7 仿真结果与测试结果的比较及其误差分析 53-54 4.7.1 结果比较 53-54
13、60; 4.7.2 误差分析 54 4.8 本章小结 54-56 第五章 反射炉的结构和操作参数优化研究 56-72 5.1 燃烧器结构和安装角度对温度场的影响 56-64 5.1.1 旋流式燃烧器 56-61 5.1.2 安装角度 61-64 5.2 过剩空气系数对炉内温度场的影响 64
14、-66 5.3 高温低氧燃烧技术对温度场的影响 66-71 5.3.1 高温低氧燃烧仿真 66-70 5.3.2 节能分析 70-71 5.4 本章小结 71-72 第六章 结论与建议 72-74 6.1 结论 72-73 6.2 建议 73-74 参考文献 74-78
15、160; 3.1 基本守恒方程 30-31 3.2 反射炉内多场耦合类型 31-32 3.3 湍流模型 32-34 3.4 组分传输模型 34-37 3.5 辐射模型 37-38 3.6 基本方程的离散化 38-41 3.6.1 常用的离散化方法 39-40
16、160; 3.6.2 有限容积法中常用的离散化格式 40-41 3.7 多场耦合离散方程的求解方法 41-42 3.7.1 流场数值计算的主要方法 41 3.7.2 SIMPLE算法 41-42 3.8 基于FLUENT软件的求解步骤 42-44 3.9 本章小结 44-45
17、第四章 反射炉内多场耦合仿真 45-56 4.1 反射炉物理模型 45 4.2 边界条件 45-46 4.2.1 入口边界条件 45-46 4.2.2 出口边界条件 46 4.2.3 壁面边界条件 46 4.3 网格及其无关性研
18、究 46-49 4.4 流场 49-50 4.5 温度场 50-51 4.6 浓度场 51-53 4.7 仿真结果与测试结果的比较及其误差分析 53-54 4.7.1 结果比较 53-54 4.7.2 误差分析 54 4.8 本章小结 5
19、4-56 第五章 反射炉的结构和操作参数优化研究 56-72 5.1 燃烧器结构和安装角度对温度场的影响 56-64 5.1.1 旋流式燃烧器 56-61 5.1.2 安装角度 61-64 5.2 过剩空气系数对炉内温度场的影响 64-66 5.3 高温低氧燃烧技术对温度场的影响 66-71
20、0; 5.3.1 高温低氧燃烧仿真 66-70 5.3.2 节能分析 70-71 5.4 本章小结 71-72 第六章 结论与建议 72-74 6.1 结论 72-73 6.2 建议 73-74 参考文献 74-78 3.1 基本守恒方程 30-31 3.2 反射
21、炉内多场耦合类型 31-32 3.3 湍流模型 32-34 3.4 组分传输模型 34-37 3.5 辐射模型 37-38 3.6 基本方程的离散化 38-41 3.6.1 常用的离散化方法 39-40 3.6.2 有限容积法中常用的离散化格式 40-41
22、60; 3.7 多场耦合离散方程的求解方法 41-42 3.7.1 流场数值计算的主要方法 41 3.7.2 SIMPLE算法 41-42 3.8 基于FLUENT软件的求解步骤 42-44 3.9 本章小结 44-45 第四章 反射炉内多场耦合仿真 45-56 4.1 反射炉物理模型 45
23、0; 4.2 边界条件 45-46 4.2.1 入口边界条件 45-46 4.2.2 出口边界条件 46 4.2.3 壁面边界条件 46 4.3 网格及其无关性研究 46-49 4.4 流场 49-50 4.5 温度场 50-5
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