Повышение эффективности и моделирование использования камеры дожигания в печи Ванюкова

В исследуемом процессе повышения эффективности использования камеры дожигания в печи Ванюкова изучены различные эксплуатационные варианты работы печи и камеры, найдены режимы оптимального окисления и дожигания серы, выявлены способы снижения настылеобразования. Проведены измерения и анализ отходящих газов. Определен состав пыли. По результатам выполненных расчетов применяли ряд упрощений и допущений, позволяющих представлять движение газов, термодинамические процессы, профиль скоростей, области взаимодействия. Некоторые варианты термодинамических расчетов взаимопроникающих встречных струй построены на гипотезах, заимствованных из теории теплообмена в смешивающих аппаратах. Представлены экспериментальные результаты численного моделирования и варианты некоторых прогнозных симуляций, происходящих в камере дожигания печи Ванюкова. Проведены замеры параметров, построены графики аэродинамических характеристик фурм при среднем значении подачи кислорода в пространство камеры дожигания не более 2500 н.м³/ч (38 н.м³/т загрузки шихты). Предложены мероприятия для эффективной технологической эксплуатации. Опыт специалистов Среднеуральского медеплавильного завода, результаты испытаний и моделирования процесса способствовали выбору наилучшего распределения дутья по фурмам. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно сложных аэродинамических и термодинамических процессах, происходящих в пространстве камеры дожигания, представлении в одной проекции взаимодействий явлений динамики фурменных дутьевых потоков охлаждения, выделения тепловой энергии экзотермических реакций окисления, принудительной и естественной конвекции отходящих расплавных газов с различными температурными градиентами.

1. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Плавильные агрегаты: теплотехника, управление и экология. М.: Теплотехник, 2005. 912 с.

2. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. М.: Теплотехник, 2004. 832 с.

3. Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П., Жуков В.П., Елисеев Е.И. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2005. 700 с.

4. Сборщиков Г.С., Володин А.М., Валавин В.С. Свободная конвекция расплава в печи с барботажным слоем при его продувке через боковую фурму, установленную под уровнем слоя. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015;(2):58—68. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2015-2-58-68

5. Гофман Г.О. Металлургия меди. Свердловск: ГНТИ, 1934. 475 с.

6. Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Шлаки и штейны цветной металлургии. М.: Металлургия, 1969. 408 с.

7. Vaisburd S., Berner A., Brandon D.G., Kozhakhmetov S., Kenzhaliyev E., Zhalelev R. Slags & mattes in Vanyukov’s process for the extraction of copper. Metallurgical and Materials Transactions. 2002;(33):551—559. https://doi.org/10.1007/s11663-002-0034-1

8. Zhang H.L., Zhou C.Q., Bing W.U, Chen Y.M. Numerical simulation of multiphase flow in a Vanyukov furnace. Journal of Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2015;(115):457—463.

9. Ануфриев В.П., Лисиенко В.Г., Чесноков Ю.Н., Лаптева А.В. Возможности реализации углеродной политики в российских регионах. В сб: Материалы XII Международной конференции «Российские регионы в фокусе перемен» (16—18 ноября 2017 г.). Екатеринбург: УМЦ УПИ, 2018. Ч. 2. С. 536—550.

10. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

11. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979. 416 с.

12. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт О.К., Филипповский Н.Ф. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

13. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. 710 с.

14. Colagrossi A., Marrone S., Colagrossi P., Le Touze D. Da Vinci’s observation of turbulence: A French-Italian study aiming at numerically reproducing the physics behind one of his drawings, 500 years later. Physics of Fluids. 2021;(33):1—16. https://doi.org/10.1063/5.0070984

15. Проданов С.А., Воронов Г.В. Особенности движения газовой среды в надфурменной зоне печи Ванюкова. В сб. докл.: Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (12—13 мая 2016 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2016. С. 91—98.

16. Oliver T. Schmidt, Aaron Towne, Georgios Rigas, Tim Colonius, Guillaume A. Bres. Spectral analysis of jet turbulence. Journal of Fluid Mechanics. 2017;(855):953—982. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.675

17. Khansa Mahjoub Mohammed Merghani. Experimental study of a human-like exhaled airflow configuration and droplets dynamics in indoor environment. Paris: Universite Paris-EstCreteilVal-de-Marne, 2021. 183 p. https://theses.hal.science/tel-04022879

18. Barois T., Viggiano B., Basset T., Cal R.B., Volk R. Compensation of seeding bias for particle tracking velocimetry in turbulent flows. Physical Review Fluids. 2023;(8):1—16. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.8.074603

19. Viggiano B., Basset T., Bourgoin M., Cal R.B., Chevillard L., Meneveau Ch., Volk R. Lagrangian modeling of a nonhomogeneous turbulent shear flow: Molding homogeneous and isotropic trajectories into a jet. Physical Review Fluids. 2024;(9):1—13. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.9.044604

20. Xinchen Zhang, Zhen Zhang, Alfonso Chinnici, Zhiwei Sun, Javen Qinfeng Shi, Graham J. Nathan, Rey C. Chin. Physics-informed data-driven unsteady Reynolds-averaged Navier—Stokes turbulence modeling for particle-laden jet flows. Physical Review Fluids. 2024;(36):1—23. https://doi.org/10.1063/5.0206090

21. Timothy C.W. Lau, Graham J. Nathan. Influence of Stokes number on the velocity and concentration distributions in particle-laden jets. Journal of Fluid Mechanics. 2014;(757):432—457. https://doi.org/10.1017/jfm.2014.496

22. Aitor Amatriain, Corrado Gargiulo, Gonzalo Rubio. Generalized wall-modeled large eddy simulation model for industrial applications. Physics of Fluids. 2024;(36): 1—21. https://doi.org/10.1063/5.0180690

23. Jonathan B. Freund. Nozzles, turbulence, and jet noise prediction. Journal of Fluid Mechanics. 2019;(860):1—4. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.823

24. Muppidi S., Mahesh K., Direct numerical simulation of round turbulent jets in crossflow. Journal of Fluid Mechanics. 2007;(574):59—84. https://doi.org/10.1017/S0022112006004034

25. Yu Zhou, Dewei Fan, Bingfu Zhang, Ruiying Li, Bernd R. Noack Artificial intelligence control of a turbulent jet. Journal of Fluid Mechanics. 2020;(897): 1—46. https://doi.org/10.1017/jfm.2020.392

26. Худяков П.Ю. Газодинамика и теплообмен при соударении прямоточных газовых струй: Автореф. Дис. … канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2013.

27. Phoebe Kuhn. Linear modeling of coherent structures in the self-similar region of a round turbulent jet: Diss. … Dr. Eng. Berlin: Technischen Universität Berlin, 2023. https://doi.org/10.14279/depositonce-18798

28. Велькин В.И., Школьный А.В., Кириллов М.П., Ачкеев М.В., Гурин А.А. Завихритель: Патент 2321779 (РФ). 2006.

29. Francis B.J., Joubert H., Bakker M.L., Nikolic S., Gwynn-Jones S. Lance for use in a top submerged lance furnace. WO 2017/195105. 2017.

30. Шатохин И.М., Кузьмин А.Л. Способ циркуляционного вакуумирования жидкого металла, система и устройства для его осуществления: Патент 2213147 (РФ). 2003.

31. Земцов Г.А., Пучков А.Е., Фролов Л.И. Фурма: Патент 2355779 (РФ). 2009.