DOC《U形炉操作参数正交试验法优化》

U形炉操作参数正交试验法优化 艾元方1,周睿1,帕提玛・柯孜尔亚1 中南大学 能源科学与工程学院,湖南 长沙,410083) 摘要:为提高U形废线路板焚烧冶炼炉作业强度,并防止大量污染物生成、排放,针对炉内焚烧冶炼过程建立数值模型,提出U形废线路板焚烧冶炼炉操作参数优化方案,采用4因素4水平L16(44)正交试验法分析炉内空气预热温度、空气含氧量、过剩空气系数和颗粒粒径对出口烟气含氧浓度、焦炭燃烬率、CO燃烬率和污染物排放的影响程度.

研究结果表明:U形废线路板焚烧冶炼炉最优操作参数的特点为高温、低氧、小过剩空气系数和小粒径. 关键词:U形焚烧冶炼炉;

数值仿真;

正交试验;

参数优化 中图分类号:TF811 文献标志码:A Optimization of operational parameters for U-Shaped furnace based on orthogonal experiment AI Yuanfang, ZHOU Rui1, Patima・Kezierya1 School of Energy Science &

Engineering, Central South University, Changsha 410083, China) Abstract: In order to increase the smelting intensity of the U-shaped waste circuit boards incineration smelting furnace and prevent the mass of pollutants, the paper built the simulation model according to the smelting process, optimized the operational parameters of the U-shaped waste circuit boards incineration smelting furnace, designed a

4 factors

4 levels L16(44) orthogonal plan, the simulation study is carried out to investigate the effects of the operational parameters(i.e. the preheating temperature, the air oxygen concentration, the excess air ratio and the waste circuit boards particle size) on gas oxygen concentration、C burning rate、CO burning rate and pollutant emissions. The simulation results show that the best features of the U-shaped waste circuit boards incineration smelting furnace are high temperature、low air oxygen concentration、small excess air ratio and small waste circuit boards particle size. Key words: U-shaped incineration smelting furnace;

numerical simulation;

orthogonal experiment;

parameter optimization U形废线路板焚烧冶炼炉采用高温空气燃烧、分级燃烧和旋流燃烧技术,通过炉内高温焚烧冶炼,将废线路板颗粒转化为粗铜合金和无毒炉渣[1-3].随着产量提高,冶炼强度和污染物排放量都会增加[4].通过多年技术研究和现场实践,技术人员意识到这些问题与炉内的操作参数具有重要关联,相关学者便对炉内气、粒两相流的部分参数进行试验验证.对多参数的试验验证,可选择正交试验法,这种方法的试验次数和方案科学、合理,能够简化影响因素组合[5-6].ZHOU Tian等[7]设计5因素5水平的L25(55)正交试验方案,采用FLUENT仿真软件对不同结构参数组合的沉降槽数值模拟,探究沉降槽中心桶结构参数规律,并通过极差法和方差法分析5个因素对考察指标的敏感性.GAO Jie等[8]采用正交试验法分析液相流速、气相流速和温度对吸收塔内CO2吸收效率的影响,发现影响CO2吸收效率最大的因素是温度,影响最小的因素是气相流速.彭其春等[9]按正交表L16(45)分析相同燃烧条件下,CaCO

3、MnO2和CeO2含量与燃烧率的关系,发现CaCO3对燃烧率具有显著性影响.周俊等[10]采用正交试验法,研究闪速炉3个主要配风参数(工艺风、分散风和中央氧)对炉内气、粒混合的影响关系,优化操作参数.综合目前国内外关于冶炼技术的研究发现:多数研究都是基于冶炼炉结构的优化,对U形废线路板焚烧冶炼炉操作参数的详细研究不多,没有形成明确的操作参数制度.实际生产中,合理的操作参数是强化气、粒两相流的有力手段,也是实现炉子大型化的基础[11-14].基于正交试验法,以U形废线路板焚烧冶炼炉内反应效果最优为目标,采用Fluent6.3.26软件对冶炼过程的操作参数(空气预热温度、空气含氧量、过剩空气系数和颗粒粒径)进行仿真优化研究.

1 仿真计算模型 入炉料为废线路板颗粒,粒径取90μm、109μm、120μm、150μm和250μm.经筛分、测试得到元素分析和工业分析(采用5E全自动工业分析仪)结果如表1和表2,可知废线路板挥发分含量较低,低位发热量较高.挥发分的标准生成焓为?5.22*106 kJ/mol;

挥发分完全燃烧反应放热量为520.856 kJ/mol. 表1 废线路板的元素分析 Tab.1 Elemental analysis of the waste printed circuit boards 项目 (收到基) 符号 数据/% 碳含量 C 19.26 氢含量 H 2.15 氮含量 N 0.68 硫含量 S 0.07 氧含量 O 7.05 溴含量 Br 5.14 铜含量 Cu 25.01 铁含量 Fe 6.87 铝含量 Al 4.90 表2 废线路板工业分析 Tab.2 Industrial analysis of the waste printed circuit boards 项目 (收到基) 符号 数据 挥发分含量 V 28.65% 焦炭含量 C 11.35% 灰分含量 A 59% 水分含量 M 1% 低位发热量 Q低10140kJ/kg 1.1 物理模型 借助GAMBIT2.3.16根据U形废线路板焚烧冶炼炉实际尺寸建立计算域物理模型,采用结构化六面体网格将计算域划分为278块,包括六面体网格总数505372块,歪斜度在0-0.4之间的网格数占了99.74%,网格质量良好.计算域网格如图1. (a) 俯视图 (b) 剖视图 图1 计算域网格视图 Fig.1 Grid view of the computational domain 1.2 数学模型 1.2.1 燃烧机理 废线路板颗粒由喷嘴进入焚烧塔后不断受热升温,发生异相多表面燃烧反应,主要反应机理如表3. 表3 废线路板粉料焚烧反应机理 Tab.3 Reaction mechanism of the waste printed circuit boards powder 反应名称 反应方程 挥发分燃烧 热解气燃烧 H2+0.5O2=H2O、CO+0.5O2=CO

2、 CH4+2O2 =2H2O+CO

2、CO2=CO+0.5O2 焦炭燃烧 C+0.5O2=CO、C+CO2 =2CO2 Al粉表面燃烧 Al+0.75O2=0.5Al2O3 1.2.2 流动传热燃烧模型 (1)焚烧冶炼过程满足质量守恒、动量守恒和能量守恒;

(2)选用重整化群RNG k??模型、有限化学反应速率/漩涡破碎模型模拟燃烧反应;

(3)采用离散相模型研究炉内气、粒流动规律;

(4)辐射换热模型采用P?1模型. 1.3 模型验证 现场实验装置和测试点分布如图2. 图2 现场实验装置及温度测试点分布图 Fig.2 Field experimental device and temperature test point distribution 为验证U形废线路板焚烧冶炼炉数学模型有效性,对比现场实测数据和数值模拟数据结果如表4. 表4 仿真结果与现场测试数据 Tab.4 Simulation results and field test data (a) 温度对比 项目 仿真/℃ 实测/℃ 误差/% 焚烧塔测点A

989 907 +9.04 焚烧塔测点B

1405 1309 +7.33 熔炼池测点C

1404 1360 +3.23 消毒塔测点D

1225 1182 +3.64 消毒塔出口E

1132 1082 +4.62 (b) 烟气成分浓度对比 项目 仿真 实测 误差/% O2 9% 9.5% -5.26 SO2 325mg/m3 316mg/m3 +2.85 NO 242mg/m3 221mg/m3 +9.50 与现场实测数据对比,数值模拟误差在2.85%~9.5%;

由于忽略了温度对比热的影响和反应中间产物,数值模拟的温度普遍高于实测数据,计算模型可靠.

2 正交试验方案设计 2.1 正交试验设计 选择U形废线路板焚烧冶炼炉中最重要的4个参数(空气预热温度、空气含氧量、过剩空气系数和颗粒粒径)为研究对象;

选择出口烟气含氧浓度、焦炭燃烬率、CO燃烬率和污染物排放为冶炼效果的考察指标.根据实际可调查范围,设计如表5的4因素4水平L16(44)正交试验方案[15].为便于描述,用A、B、C、D表示4个因素,用数字1~16表示各试验号. 表5 正交试验方案 Tab.5 Orthogonal test scheme 序号 A/K B/% C D/μm

1 353

14 1.2

90 2

353 18 1.4

109 3

353 21 1.6

152 4

353 27 1.8

250 5

673 14 1.4

152 6

673 18 1.2

250 7

673 21 1.8

90 8

673 27 1.6

109 9

973 14 1.6

250 10

973 18 1.8

152 11

973 21 1.2

109 12

973 27 1.4

90 13

1273 14 1.8

109 14

1273 18 1.6

90 15

1273 21 1.4

250 16

1273 27 1.2

152 2.2 正交试验结果和分析 利用建立的模型对16个试验方案数值模拟,得到出口烟气含氧浓度、焦炭燃烬率、CO燃烬率和污染物排放结果如表6. 表6 焚烧塔中心线试验数据 Tab.6 Test data of central line of incineration tower 出口烟气含氧浓度 / % 焦炭 燃烬率 / % CO 燃烬率 /mg.m-3 SO2 /mg.m-3 Br2 /mg.m-3 4.31

100 18.11 33.33 1333.10 6.72

100 23.07 41.62 1664.95 9.51 99.21 30.64 53.01 2120.56 15.93 56.45 34.96 104.01 4158.73 6.22 90.1 8.65 33.61 1344.47 8.18 54.67 12.79 55.07 2202.77 8.93

100 7.68 48.62 1944.67 10.10

100 12.51 68.66 2746.38 9.05 35.58 0.16 38.15 1526.42 9.07 95.34 7.32 41.49 1659.72 5.69

100 5.75 50.41 2018.11 8.59

100 5.67 67.18 2687.48 7.25 99.85 0.36 29.19 1167.77 7.96

100 0.26 42.29 1691.61 9.67 75.49 0.24 60.35 2413.99 7.11

100 3.63 52.57 2101.09 注:焦炭燃烬率为渣面处颗粒已燃焦炭与入炉颗粒中焦炭的百分比,CO燃烬率为出口烟气CO浓度,污染气体SO2和Br2排放量为出口烟气SO2和Br2浓度. 极差法分析U形废线路板焚烧冶炼炉4个主要操作参数的最佳水平,结果见表7. 表7 各指标因素主次顺序 Tab.7 The order based on different factors to different indicators 指标名称 因素主次顺序(主........