Vol.28 No.6 夏德宏等：金属镁还原炉中烟气流动对传热过程的影响 567, x:(ouk)=x +Gk+Gh-Pe 时间后，就直接从过火孔排出炉膛，烟气排出炉 膛时的温度就是炉子内的炉温，因此烟气带走的 (3) 热量非常大，计算显示，烟气热损失已占到整个 E方程： 炉子能耗的80%以上.可见，烟气对还原罐的对 ) 流换热效率非常低， 1647 h1S2-c2P 1604 ci k' (4) 4 1561 能量方程： 1518 1475 G-Y 2 axj (5) 图2烟气在炉内流动的立体示意图 Fig.2 3D view of gas flow in reduction hearth 有效粘度： 由图3可以看出，高温烟气进入炉膛后，由于 E (6) 倾斜炉顶的作用，在还原罐冷端（图3右侧）流线 上面各式中参数的取值见表1，其中“：为有效湍 比较密集，与还原罐对流换热比较好，而在另一端 动粘度，表示分子粘度，G是由于平均速度 除了少数回流外，对还原罐对流换热作用很弱， 梯度引起的湍动能k产生项，G是由于浮力引 因此，还原罐在这种还原炉内的传热过程中，与烟 起的湍动能k的产生项（对于不可压流体，G= 气的对流换热在轴向上存在明显的不均匀 2.16 0),相关计算公式参见文献[4]，在流场近壁区， 1.62 采用改进型壁面函数法进行处理，计算区域的边 1.08 界条件为进口速度和出口压力条件可，按照现场 054 炉子内维持零压（相对于大气压p。=101325Pa), 出口压力Pm=0Pa,进口烟气流速为u= 1.2ms1.炉内的气体辐射计算时采用P1近似 模型，烟气视为灰体，不考虑还原罐内部还原料 图3烟气在炉内流动的侧视图 Fig.3 Cross sectional view of gas flow in reduction hearth 的辐射问题，认为还原罐内部还原料内只存在导 热，并引入有效导热系数λ[]，炉料的反应吸热简 2.2还原炉内部温度场 化为整体炉料存在一个吸热源，引入附加源项 还原炉内还原料加热到1150~1200℃的 S,假设内部炉墙为绝热面. 时候，还原罐内的镁还原料才能迅速的反应完全， 表1k一飞双方程模型中的系数及主要计算参数间] 因此，温度是皮江法镁还原工艺的一个十分重要 Tab.1 Parameters of k-double equations and most simulating 的参数，本文在计算流场的同时，模拟了炉内的 calculation variables 耦合传热，并计算出了关闭上层罐对应的过火孔 物理参数 取值 物理参数 取值 后的炉内温度分布， /(Wm-1.K-) 1.3 S/(W.m3) -38 图4是还原炉内的温度分布图，图中显示的 CH 0.09 c1 1.44 是炉膛内轴向距冷端0.5m处的温度分布.由图 1.92 1.0 可以看出，在上下层还原罐之间和沿炉长方向的 1.3 1.0 还原罐之间，还原罐内中心区域的温度分布十分 不均匀：整体来看，上层罐中心区域温度要比下层 2 计算结果 罐高，靠近端部炉墙的还原罐中心区域的温度要 比中间的高，这说明上层罐与烟气的对流换热要 2.1还原炉内部流场 比下层罐好；靠近炉墙的地方由于炉墙辐射作用 图2为计算出的还原炉内部流场示意图.可 强，还原罐的加热明显优于其他区域 以看出，高温烟气从烟气入口进入炉膛后，对还原 2.3模型验证 罐由上到下进行对流加热，在炉膛内停留很短的 由于本模型的建立是以WINCA(鹤壁)镁基∂ ∂xi （ρuik）＝ ∂ ∂xi σkμeff ∂k ∂xi ＋ Gk＋ Gb－ρε （3） ε方程： ∂ ∂xi （ρuεi ）＝ ∂ ∂xi σεμeff ∂ε ∂xi ＋ c1 ε k μ1S 2－c2ρ ε2 k （4） 能量方程： ∂ ∂xi （ρuicpT）＝ ∂ ∂xi σT μeff ∂T ∂xi ＋ ∂ui ∂xj × μeff ∂ui ∂xj ＋ ∂uj ∂xi － 2 3 μeff ∂uk ∂xk （5） 有效粘度： μeff＝μmol＋ ρcμk 2 ε （6） 上面各式中参数的取值见表1‚其中 μeff为有效湍 动粘度‚μmol表示分子粘度‚Gk 是由于平均速度 梯度引起的湍动能 k 产生项‚Gb 是由于浮力引 起的湍动能 k 的产生项（对于不可压流体‚Gb＝ 0）‚相关计算公式参见文献［4］．在流场近壁区‚ 采用改进型壁面函数法进行处理‚计算区域的边 界条件为进口速度和出口压力条件［5］．按照现场 炉子内维持零压（相对于大气压 po＝101325Pa）‚ 出口 压 力 pout ＝0Pa‚进 口 烟 气 流 速 为 v ＝ 1∙2m·s －1．炉内的气体辐射计算时采用 P1近似 模型‚烟气视为灰体．不考虑还原罐内部还原料 的辐射问题‚认为还原罐内部还原料内只存在导 热‚并引入有效导热系数 λ［6］‚炉料的反应吸热简 化为整体炉料存在一个吸热源‚引入附加源项 S●．假设内部炉墙为绝热面． 表1 k－ε双方程模型中的系数及主要计算参数［5］ Tab．1 Parameters of k－εdouble equations and most simulating calculation variables 物理参数 取值 物理参数 取值 λ／（W·m －1·K －1） 1∙3 cμ 0∙09 c2 1∙92 σε 1∙3 S●／（W·m －3） －38 c1 1∙44 σk 1∙0 σT 1∙0 2 计算结果 2∙1 还原炉内部流场 图2为计算出的还原炉内部流场示意图．可 以看出‚高温烟气从烟气入口进入炉膛后‚对还原 罐由上到下进行对流加热‚在炉膛内停留很短的 时间后‚就直接从过火孔排出炉膛．烟气排出炉 膛时的温度就是炉子内的炉温‚因此烟气带走的 热量非常大．计算显示‚烟气热损失已占到整个 炉子能耗的80％以上．可见‚烟气对还原罐的对 流换热效率非常低． 图2 烟气在炉内流动的立体示意图 Fig．2 3－D view of gas flow in reduction hearth 由图3可以看出‚高温烟气进入炉膛后‚由于 倾斜炉顶的作用‚在还原罐冷端（图3右侧）流线 比较密集‚与还原罐对流换热比较好‚而在另一端 除了少数回流外‚对还原罐对流换热作用很弱． 因此‚还原罐在这种还原炉内的传热过程中‚与烟 气的对流换热在轴向上存在明显的不均匀． 图3 烟气在炉内流动的侧视图 Fig．3 Cross sectional view of gas flow in reduction hearth 2∙2 还原炉内部温度场 还原炉内还原料加热到1150～1200℃［7］的 时候‚还原罐内的镁还原料才能迅速的反应完全． 因此‚温度是皮江法镁还原工艺的一个十分重要 的参数．本文在计算流场的同时‚模拟了炉内的 耦合传热‚并计算出了关闭上层罐对应的过火孔 后的炉内温度分布． 图4是还原炉内的温度分布图‚图中显示的 是炉膛内轴向距冷端0∙5m 处的温度分布．由图 可以看出‚在上下层还原罐之间和沿炉长方向的 还原罐之间‚还原罐内中心区域的温度分布十分 不均匀；整体来看‚上层罐中心区域温度要比下层 罐高‚靠近端部炉墙的还原罐中心区域的温度要 比中间的高．这说明上层罐与烟气的对流换热要 比下层罐好；靠近炉墙的地方由于炉墙辐射作用 强‚还原罐的加热明显优于其他区域． 2∙3 模型验证 由于本模型的建立是以 WINCA（鹤壁）镁基 Vol．28No．6 夏德宏等： 金属镁还原炉中烟气流动对传热过程的影响 ·567·