مجله مهندسی مکانیک مدرس مهر 1396 دوره 17 شماره 7 صص 108-101 ماهنامه علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس mme.modares.ac.ir شبیه سازی عددی اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر دمای شعله و تولید آالیندههای کوره فلش ذوب مس ندا رجبی 1 محمد مقیمان 2* 1- دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک دانشگاه فردوسی مشهد 2- استاد مهندسی مکانیک دانشگاه فردوسی مشهد * مشهد صندوق پستی 91775-1111 moghiman@um.ac.ir اطالعات مقاله مقاله پژوهشی کامل دریافت: 13 فروردین 1396 پذیرش: 05 خرداد 1396 ارائه در سایت: 22 تیر 1396 کلید واژگان: گوگرد کوره فلش چکیده در این مطالعه شبیهسازی عددی کوره فلش ذوب مس با هدف بررسی آالیندههای حاصل از احتراق کنسانترههای سولفیدی و سوخت کمکی انجام شد. این شبیهسازی با استفاده از روش اویلری برای فاز پیوسته جریان و روش الگرانژی برای فاز گسسته ذرات صورت گرفته است. برای مدلسازی جریان احتراقی و اعمال اثرات آشفتگی بر نرخ واکنشهای شیمیایی از ترکیب مدلهای تابع توزیع چگالی احتمال (pdf) و k-ε RNG استفاده شده است. با توجه به شرایط ترمودینامیکی کوره ذوب فلش احتراق گوگرد موجود در ذرات کنسانتره به صورت انفجاری و با تشعشع زیاد صورت میگیرد. محاسبه اثرات انتقال حرارت تابشی با استفاده از مدل تشعشع مختصات گسسته (DOM) انجام شده است. نتایج شبیهسازی عددی نشان می دهد در شرایط احتراقی با هوای اضافی و در دماهای نسبتا باال (1273K<) مقدار قابل توجهی از گوگرد به گاز SO 2 تبدیل و در نقاط سردتر بخشی از گاز SO 2 به SO 3 تبدیل میشود. در مناطقی از کوره که با کمبود اکسیژن همراه است کسر جرمی گاز SO و نیز مقدار گوگرد نسوخته افزایش پیدا میکند. نتایج همچنین نشان می دهد با افزایش مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره به علت افزایش شدت تابش بیشینه دمای کوره کاهش و کمینه دمای آن افزایش مییابد و درنتیجه توزیع دمای کوره یکنواختتر میشود. این رفتار اثر زیادی بر کاهش انتشار آالینده NO x دارد. SOx NOx prepdf Numerical simulation of the effect of existing sulfur in the concentrate particles on flame temperature and pollutants in the flash furnace copper smelting Neda Rajabi, Mohammad Moghiman * Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University, Mashhad, Iran. * P.O.B. 91775-1111 Mashhad, Iran, moghiman@um.ac.ir ARTICLE INFORMATION Original Research Paper Received 02 April 7 Accepted 26 May 7 Available Online 13 July 7 Keywords: Sulfur Flash Furnace SOx NOx prepdf ABSTRACT In this study numerical simulation of the flash furnace copper smelting was carried out to investigate the pollutants formation in combustion of sulfide concentrates and ancillary fuels. This simulation was done with use of Eulerian framework for continuous phase flow field and Lagrangian approach for discrete phase particles. For modeling of combustion flow and applying turbulence effects on the rate of chemical reactions the composition of Probability Density Function (PDF) and RNG, k-ε model were used. Due to the thermodynamic condition of flash smelting furnace, the combustion of sulfur which exists in concentrate particles, occurs explosively and with high radiation. To calculate the effect of radiative heat transfer the discrete ordinate method (DOM) was used. The numerical simulation results show, under combustion conditions with extra air and at partly high temperatures (>1273K) the only noteworthy sulfurous species are SO 2 and in colder points SO 2 is transformed to SO 3. In the points where there is not sufficient oxygen, the concentration of SO, and S 2 unburned are increased. The results also show, the maximum temperature is decreased with increase of existing sulfur in the concentrate particles and the minimum temperature is increased, because the radiation intensity is increased, so the furnace temperature is more uniform. This behavior has a significant influence on reduction of thermal NO x emission. 1- مقدمه 1 ذوب کنسانترههای سولفیدی است که ذوب فلش یک روش پیرومتالورژی امروزه به عنوان یک تکنولوژی غالب برای استخراج مس مورد توجه قرار گرفته است. به طور کلی فرایند ذوب فلش بر پایه بهرهگیری از گرمای واکنش اکسیداسیون کنسانترههای سولفیدی استوار است[ 2,1 ]. احتراق ذرات 1 Pyro metallurgical کنسانتره سولفیدی که شامل مقدار زیادی گوگرد (2 S) و آهن (Fe) میباشند به شدت گرمازاست بطوریکه که با افزایش درصد اکسیژن موجود در هوا کورههای ذوب فلش میتوانند به صورت خودسوز گرمای الزم برای ذوب ذرات کنسانتره سولفیدی را تأمین کنند[ 4,3 ]. کوره ذوب فلش از سه بخش اصلی محفظه واکنش ستلر و آفتیک تشکیل شده است. در شکل 1 نمایی از کوره ذوب فلش و بخشهای اصلی آن نشان داده شده است[ 2,1 ]. Please cite this article using: برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید: N. Rajabi, M. Moghiman, Numerical simulation of the effect of existing sulfur in the concentrate particles on flame temperature and pollutants in the flash furnace copper smelting, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 7, pp. 101-108, 7 (in Persian)
Fig. 1 Flash smelting furnace with its structure and material flows[1, 2] شکل 1 ساختار کوره ذوب فلش و جریانهای مواد[ 2,1 ] اطالعات موجود درباره احتراق ذرات کنسانتره داخل کوره ذوب فلش با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی اندازهگیریها و مدلسازیهای فیزیکی و ریاضی حاصل شدهاند. مطالعه در زمینه کوره ذوب فلش همواره با هدف کاهش میزان مصرف سوخت آالیندههای زیستمحیطی و افزایش سطح ایمنی عملکرد کورهها مورد توجه بوده است[ 5 ]. در سال 2001 یورگنسن و همکارش ک ه [4] طی آزمایشی اثر دمای هوا ترکیب فاز گازی زمان ماند و اندازه ذرات را بر میزان گوگرد باقیمانده در ذرات کنسانتره و سرعت واکنشها مورد بررسی قرار دادند. آنها بیان کردند با افزایش دمای هوای ورودی و غلظت اکسیژن موجود در هوا سرعت واکنشها افزایش و میزان گوگرد باقیمانده در ذرات کنسانتره کاهش مییابد. همچنین اندازه ذرات نقش مؤثری بر زمان ماند ذرات در محفظه واکنش زمان افزایش دمای ذرات و سرعت واکنشها دارد. در سال همکاران[ 6 ] 2002 ژینگ فنگ لی و جریان سیال انتقال حرارت و احتراق کوره فلش را با درنظرگرفتن محفظه واکنش و ناحیه ستلر مدلسازی کردند. این مدلسازی با استفاده از روش اویلری برای جریان گاز و روش الگرانژی برای ذرات کنسانتره انجام شد. از جمله نتایج این مدلسازی میتوان به بررسی توزیع جریان دما غلظت گونههای SO 2 و O 2 و مسیر حرکت ذرات اشاره کرد. با توجه به استفاده از مدل احتراقی مگنسن در پژوهش ژینگ فنگ لی و همکاران سایر آالیندههای گوگردی SO) (SO,3 مورد بررسی قرار نگرفتهاند. در سال 4 جانژو و همکاران[ 7 ] به بررسی اثر نسبت مومنتم جریان هوا بر توزیع ذرات و احتراق کوره ذوب فلش پرداختند. آنها بیان کردند افزایش نسبت مومنتم منجر به افزایش میزان پخش جریان گازی و ذرات میشود. گروهی از ذرات همجهت با جریان گازی حرکت میکنند اما ذرات بزرگتر از مسیر حرکت جریان گازی خارج میشوند. همچنین ممکن است ذرات ریز در نواحی جریان برگشتی به دام افتند. افزایش نسبت مومنتم باعث شروع زودتر واکنش احتراق شده است. در تحقیق جان ژو و همکاران صرفا به بررسی اثر مومنتم پرداخته شده است و آالیندههای گوگردی SO) (SO,3 SO,2 حاصل از احتراق مورد مطالعه قرار نگرفتهاند. در سال 5 حسن زعیم و منصوری[ 8 ] به شبیهسازی شرایط کارکرد کوره ذوب فلش خاتونآباد پرداختند. این شبیهسازی برای سه فاز گاز ذرات کنسانتره و سوخت کمکی مازوت انجام شده است. آنها گزارش کردند تغییرات دما در نواحی باالی محفظه واکنش شدید و در نواحی پایین به صورت یکنواخت است. دمای دیواره محفظه واکنش در جهت محوری از باال به پایین افزایش مییابد و حداکثر دما نیز در نزدیک شعله مازوت مشاهده شده است. در این نقاط کسر جرمی اکسیژن بسیار کم بوده و ذرات با حرارت دریافتی از شعله مازوت بدون انجام هیچ واکنش اکسیداسیونی ذوب میشوند. در تحقیق حسن زعیم و منصوری به بررسی آالیندهه یا گوگردی کوره ذوب فلش پرداخته نشده است. بخش عمده آالیندههای کوره ذوب فلش را گوگرد دیاکسید (2 (SO و مقادیر کمی گوگرد تریاکسید و گوگرد منواکسید (3 (SO تشکیل (SO) میدهد. آالیندههای گوگردی اثرات جدی بر سالمتی انسان و اسیدی شدن محیطزیست دارند[ 9 ]. با این حال به حداقل رساندن مصرف سوختهای کمکی و جمعآوری کارآمد گوگرد دیاکسید حاصل برای تولید اسیدسولفوریک مهمترین انگیزههای استفاده از کوره ذوب فلش میباشند[ 10 ]. در این مطالعه احتراق جریان سه فازی هوا ذرات کنسانتره سولفیدی و سوخت کمکی با استفاده از مدل احتراقی تعادل شیمیایی مدلسازی شده است. هدف از انجام این تحقیق بررسی خاصیت احتراقی گوگرد موجود در ذرات کنسانتره که به صورت انفجاری و با تابش زیاد صورت میگیرد میباشد. اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر توزیع دما و تغییر غلظت آالیندهها مورد بررسی قرار گرفته است. در مطالعات سایر محققان که با استفاده از مدل احتراقی مگنسن مدلسازی شدهاند تنها گونه گوگردی محاسبه شده آالینده SO 2 است. همچنین در این مطالعات نقش گوگرد موجود در ذرات کنسانتره و خاصیت احتراقی آن که با تابش زیاد منجر به یکنواختتر شدن دمای کوره میگردد مورد توجه قرار نگرفته است. با توجه به اینکه بر خالف مدل مگنسن مدل احتراقی تعادل شیمیایی قادر به محاسبه تعداد قابل توجهی گونه میانی حاصل از احتراق میباشد با بهرهگیری از توانایی آن تمام آالیندههای حاصل از احتراق شامل SO 3 SO 2 وSO محاسبه شدهاند. همچنین اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر تولید آالینده NO x حرارتی نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. 2- احتراق ذرات کنسانتره سولفیدی شارژ کوره محتوی ذرات کنسانتره جریان سیلیسی )کمک ذوب( و غبار بازگردانی همراه با جریان هوای پیشگرم شده از طریق مشعلهای کنسانتره واقع در سقف محفظه واکنش به داخل آن تزریق میشود )معموال مقدار کمی سوخت کمکی مانند گاز طبیعی و مازوت برای تأمین گرمای الزم برای شروع واکنشهای احتراقی و حفظ دمای کوره در حالت استراحت استفاده میگردد([ 4 ]. ذرات کنسانتره با حرکت در طی محفظه واکنش با حرارت دریافتی از طریق انتقال حرارت جابجایی از فاز گاز انتقال حرارت تابشی از دیوارهها و محیط و همچنین حرارت دریافتی از احتراق سوخت کمکی گرم میشوند[ 11,8 ]. مکانیزیم واکنشهای شیمیایی ذرات کنسانتره شامل دو مرحله تجزیه و اکسیداسیون است[ 4 ]. این واکنشها با توجه به ترکیبات ذرات شارژ ورودی به کوره ذوب فلش متنوعاند. در جدول 1 ترکیب شارژ ورودی به کوره ذوب فلش مورد مطالعه نشان داده شده است[ 8 ]. با توجه به ترکیب شارژ ورودی ابتدا ترکیبات پیچیده کالکوپیریت و پیریتی به ترکیبات سادهتر سولفید آهن (FeS) سولفید مس (2S (Cu و گوگرد تجزیه میشوند. سپس گوگرد رها شده طی یک واکنش به شدت گرمازا سریعا به گوگرد دیاکسید تبدیل میشود[ 12 ]. بر اساس محاسبات تعادلی زمانیکه گوگرد در دماهای باال در تماس با جدول 1 ترکیب مخلوط کنسانتره تغذیه شده به کوره [8] Table 1 Composition of concentrate mixture fed into furnace[8] درصد جرمی نام ترکیب نام ترکیب کالکوپیریت پیریت کالکوسیت سایر 50.3 20 4.6 24.5 CuFeS2 FeS2 Cu2S Other
Fig. 3 Schematic diagram of furnace geometry شکل 3 نمایی از هندسه کوره اکسیژن قرار میگیرد در شرایط غنی از اکسیژن مقدار قابل توجهی گوگرد دیاکسید و مقادیر ناچیزی گوگرد تریاکسید و گوگرد منواکسید حاصل میشود. در یک کوره احتراقی زغال سنگ در نواحی که دمای جریان گازی محصوالت احتراقی کاهش مییابد در اثر واکنش گوگرد دیاکسید با اکسیژن اضافی موجود غلظت گوگرد تریاکسید افزایش مییابد[ 13 ]. بیشتر مطالعات برای درک مکانیزم احتراق گوگرد بر احتراق H 2S متمرکز بودهاند. در شکل 2 منحنی مربوط به حدود انفجار H 2S-O 2 نشان داده شده است. این منحنی نواحی احتراق سریع )انفجاری( و آهسته را نشان میدهد[ 14 ]. با توجه به شکل 2 و شرایط ترمودینامیکی (T>1500K) کوره ذوب فلش واکنش احتراق گوگرد در این کوره به صورت انفجاری صورت میگیرد. واکنشهای اصلی کوره ذوب فلش مطابق جدول 2 انجام میشوند. ابتدا ذرات با حرارت دریافتی از محیط گازی و دیوارهها تا دمای تجزیه ترکیبات سولفیدی )500K( گرم میشوند. در این دما واکنشهای تجزیه کالکوپیریت و پیریت رخ میدهند. همزمان با واکنشهای تجزیه گوگرد آزاد شده از تجزیه ترکیبات سولفیدی مطابق رابطه (1) با اکسیژن واکنش میدهد و گرمای زیادی آزاد میکند. وقتی که دما به اکسیداسیون اتفاق میافتند[ 11,8 ]. 800K )1( 3- مدلسازی ریاضی میرسد سایر واکنشهای S 2+2O 2 2SO 2 h = 722 (kj/mol) کورهای که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است دارای ظرفیت 46 تن بر ساعت کنسانتره سولفیدی است. ارتفاع و قطر محفظه واکنش به ترتیب 7 و 6 متر است. با توجه به اینکه محفظه واکنش و ناحیه ستلر در ساختار به صورت متقارن هستند فقط نیمی از کوره به عنوان محیط حل درنظر گرفته شده است. در شکل 3 هندسه و بخشهای مختلف کوره نشان داده شده است. محیط محاسباتی شامل 83015 سلول و 36269 گره محاسباتی است. با افزایش تعداد گرههای محاسباتی نتایج کمتر از %10 تغییر کردهاند. در نواحی نزدیک مشعل کنسانتره از شبکه ریزتر و در نواحی پایین محفظه واکنش از شبکه با تراکم کمتری استفاده شده است. در شکل 4 محاسباتی مورد استفاده در محیط حل نشان داده شده است. نمایی از شبکه جریان سه فازی هوا ذرات جامد شارژ و قطرات سوخت مازوت با استفاده از روش اویلری برای فاز پیوسته جریان و روش الگرانژی برای ذرات جامد شارژ و قطرات مایع مدلسازی شده است. جهت مدلسازی جریان آشفته از مدل RNG,k-ε و برای اعمال اثرات آشفتگی بر نرخ واکنشهای شیمیایی از مدل تابع توزیع چگالی احتمال (pdf) استفاده شده است. واکنشهای تجزیه گونههای پایدار تأثیر قابل توجهی بر کاهش دمای شعله دارند. با استفاده از Fig. 2 Approximate explosion limits of a stoichiometric H 2S-O 2 mixture[14] شکل 2 تقریبی از حدود انفجار مخلوط استوکیومتریک H[14] 2S-O 2 Fig. 4 Three-dimensional grid of flash smelting furnace شکل 4 شبکه سه بعدی کوره ذوب فلش جدول 2 واکنشهای شیمیایی فرایند ذوب فلش برای انجام شبیهسازی[ 8 ] Table 2 Chemical reactions to simulate the flash smelting process[8] واکنش نوع واکنش CuFeS2 0.5Cu2S+FeS+0.25S2 FeS2 FeS+0.5S2 FeS+1.5O2 FeO+SO2 Cu2S+O2 2Cu+SO2 تجزیه (T=500K) اکسیداسیون (T>800K)
مدل تعادل شیمیایی که توانایی محاسبه تعداد زیادی گونه محصول را دارد تعداد 60 گونه حاصل از این واکنشها محاسبه شدهاند. تابش حرارتی نیز نقش موثری در توزیع یکنواخت دما دارد. به طوری که دمای مناطق داغتر کاهش و دمای مناطق سرد افزایش پیدا میکند. این پدیده نقش مؤثری بر کاهش آالینده NO x حرارتی دارد. اثر انتقال حرارت تابشی توسط مدل تابشی مختصات گسسته (DOM) مورد بررسی قرار گرفته است. در مدل تعادل شیمیایی با فرض اینکه سرعت واکنشها بسیار باال است با ورود جداگانه سوخت و هوا به محفظه واکنش یک مخلوط تعادلی بین سوخت اکسیدکننده و محصوالت واکنش ایجاد میشود. پارامترهای دما کسرگونهها و چگالی با کمینه کردن انرژی آزاد گیبس مخلوط حاصل محاسبه میگردند. در این مدل با وجود اتالف حرارتی حالت ترموشیمیایی مخلوط حاصل تابعی از آنتالپی و کمیتی به نام کسر مخلوط است. (f) معادالت بقاء برای هر گونه شیمیایی به طور مجزا حل نمیشود بلکه صرفا معادالت بقاء برای کسر مخلوط واریانس کسر مخلوط ( '2 ) و آنتالپی f * H حل میگردد. کسر مخلوط واریانس آن و آنتالپی از طریق معادالت بقاء (2) تا (4) محاسبه میشوند[ 15 ]: (ρu x i f ) = ( μ t f ) + S i x i σ t x m i (2) (ρu x i f 2 = ( μ t f 2 ) + C i x i σ t x g μ t ( f ) 2 i x i (3) (ρu x i H ) = ( k t H ) + S i x i c p x h i (4) آنتالپی لحظهای * H از طریق رابطه (5) محاسبه میشود: H = m j H j = m j j j T [ c p,j dt + h j (T ref,j )] (5) T ref,j همانطور که بیان شد برای اعمال اثرات آشفتگی بر نرخ واکنشهای شیمیایی از مدل تابع چگالی احتمال استفاده شده است. تابع توزیع چگالی احتمال که با p(f) نشان داده میشود به عنوان یک تابع وزنی در محاسبات وارد میشود. این تابع توصیف کننده نوسانات لحظهای کمیت f در جریان آشفته است. از آن به عنوان کسری از زمان که سیال خاصیت f را دارد استفاده میگردد. شکل تابع p(f) به طبیعت اغتشاشات متغیر f در جریان آشفته وابسته است. در جریانهای واقعی توزیع p(f) مشخص نمیباشد به همین دلیل در روش تابع چگالی احتمال با توزیع فرضی بر اساس مشاهدات تجربی یک تابع ریاضی برای p(f) در نظر گرفته میشود که تقریبی از شکل واقعی آن است[ 15 ]. در تحقیق حاضر از تابع توزیع چگالی احتمال β که مقادیر متوسط کسر جرمی گونهها دما و چگالی مخلوط را به واریانس کسر مخلوط ارتباط میدهد استفاده شده است. شکل تابع β به صورت رابطه (6) که تابعی '2 f و f است محاسبه میشود[ 16 ]. p(f) = fα 1 (1 f) β 1 f α 1 (1 f) β 1 df α = f [ f (1 f ) f 2 1] )6- الف( β = (1 f ) [ f (1 f ) -6( ب( 1] f 2 در صورت وجود جریان ثانویه در یک سیستم غیرآدیاباتیک چگالی دما و کسر جرمی متوسطگیری شده با توجه به رابطه (7) محاسبه میشوند [15]: و مقادیر کسر جرمی گونهها چگالی و دما برحسب مقادیر مختلف '2 f و f * H در جداول مشخصی ذخیره شده و در حین حل عددی از آنها استفاده میشود. مقادیر این کمیتها در طی حل اصالح و بروز رسانی میشوند[ 17,16 ]. 4- نتایج و بحث 1-4- نتایج شبیهسازی عددی در شکل 5 توزیع دما و گونههای احتراقی حاصل از کوره ذوب فلش نشان داده شده است. با توجه به شکل 5 دما در نواحی مشعل کنسانتره که محل عبور ذرات کنسانتره است و گرما صرف افزایش دمای ذرات میگردد کمترین مقادیر را دارد. در شرایط احتراقی با وجود هوای اضافی و در دماهای نسبت ا باال )1273K<( مقدار زیادی از گوگرد به SO 2 تبدیل و در نقاط سردتر بخشی O 2 از SO 2 با واکنش داده و به SO 3 تبدیل میشود. در مناطقی از کوره که با کمبود اکسیژن همراه است کسر جرمی SO و نیز مقدار گوگرد نسوخته افزایش مییابد. در نواحی مشعل کنسانتره غلظت اکسیژن بیشترین مقدار را دارد زیرا در این نواحی همانطور که بیان شد گرم شدن ذرات صورت میگیرد و واکنشهای احتراقی محدود هستند. غلظت آالینده NO x حرارتی در دماهای باال افزایش یافته است. )الف( )ب( 1 1 i = p 1 (f fuel )p 2 (p sec ) i (f fuel, p sec, H )df fuel dp sec 0 0 (7)
)ج( )د( )و( Fig. 5 Temperature and combustion species distribution at flash furnace شکل 5 توزیع دما و گونههای احتراقی در کوره فلش در شکل 6 به ترتیب نمودار اثر تغییرات دما غلظت کسر جرمی آالیندههای گوگردی SO O 2 و غلظت S 2 بر تغییر SO 2 و SO 3 در محور گذرنده از مشعل کنسانتره نشان داده شده است. با توجه به شکل 6 کسر جرمی SO 3 در نواحی O 2 باالی محور مشعل کنسانتره دو مرحله افزایش و یک مرحله کاهش را طی میکند و از فاصله 4 متر به بعد دچار افت شدید میشود. کاهش کسر جرمی و افزایش غلظت SO 2 و همچنین تشکیل سایر گونهها مانند SO بر تغییرات کسر جرمی SO 3 اثرگذار هستند. با توجه به اینکه SO 3 در نواحی سردتر در اثر واکنش SO 2 با اکسیژن هوای اضافی تولید میشود در فاصله 4 متری به بعد از محور مشعل کنسانتره با افزایش دما کسر جرمی SO 3 کاهش مییابد. کسر جرمی SO 2 از ابتدا تا انتهای محور مشعل کنسانتره با افزایش دما افزایش پیدا میکند. در شرایط غنی از اکسیژن و در دماهای نسبتا باال )1273K<( محصول اصلی احتراق گوگرد SO 2 است. کسر جرمی SO نیز ابتدا دچار افزایش میشود و از فاصله 5.5 متر به بعد یک مسیر کاهشی را طی میکند. آالینده SO در نقاطی که کمبود اکسیژن وجود دارد در اثر احتراق ناقص گوگرد ایجاد میشود. غلظت SO و غلظت جرمی اکسیژن کاهش مییابند. S 2 نسوخته با افزایش کسر در شکل 7 اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر توزیع دمای کوره فلش نشان داده شده است. با توجه به شکل 7 با افزایش کسر جرمی گوگرد توزیع دمای یکنواختتری در کوره فلش ایجاد شده است. در شکل 8 )ه( )ی( )الف(
اتوکمپو مقایسه شدهاند. برای انجام شبیهسازی از شرایط واقعی کوره آزمایشگاهی استفاده شده است )جدول 3( [18]. مخلوط کنسانتره و جریان هوا از طریق دهانه ورودی به داخل کوره که به شکل یک استوانه عمودی است تزریق میشوند. در شکل 10 نمایی از هندسه و شبکهبندی کوره نشان داده شده است. محیط حل از 20835 گره محاسباتی تشکیل شده است. با توجه به تغییرات شدید در نواحی باالی کوره در این نقاط از شبکه با تراکم بیشتر استفاده شده است. )ب( )الف( 2=0.15 S )ج( Fig. 6 Effect of temperature and O 2 and S 2 concentration on SO x pollutants formation شکل 6 اثر دما و غلظت O2 و S2 بر تولید آالیندههای SOx )ب( 2=0.3375 S Fig. 7 The effect of existing sulfur in the concentrate particles on temperature distribution شکل 7 اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر توزیع دما Fig. 8 The effect of existing sulfur in the concentrate particles on maximum and minimum temperature within shaft شکل 8 اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر بیشینه و کمینه دما در محفظه نیز اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر کمینه و بیشینه دما در محفظه واکنش نشان داده شده است. با توجه به شکل 8 مشخص است که افزایش مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره باعث افزایش کمینه دمای کوره و کاهش بیشینه دما شده است. احتراق گوگرد موجود در ذرات کنسانتره در کوره ذوب فلش به صورت انفجاری و با تابش زیادی رخ میدهد این رفتار باعث کاهش دمای نقاط داغ و افزایش دما در نقاط سردتر میگردد. در نتیجه با افزایش مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره توزیع دمای کوره یکنواختتر میگردد. در شکل 9 اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر بیشترین مقدار NO x حرارتی نشان داده شده است. با توجه به شکل 9 با افزایش کسر جرمی گوگرد موجود در ذرات کنسانتره مقدار بیشترین NO x حرارتی کاهش مییابد. زیرا همانطور که بیان شد با افزایش گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بیشینه دمای کوره کاهش پیدا میکند. در نتیجه احتراق گوگرد که با تابش زیادی صورت میگیرد اثر قابل توجهی بر کاهش 2-4- اعتبار سنجی NO x حرارتی دارد. برای ارزیابی صحت مدلسازی ریاضی انجام شده در کار حاضر نتایج حاصل از شبیهسازی عددی با مقادیر اندازهگیری شده کوره آزمایشگاهی شرکت واکنش
حاصل از شبیهسازی عددی با مقادیر اندازهگیری تطابق مناسبی را نشان میدهد. با توجه به شکل 12 با شروع احتراق و مصرف اکسیژن ورودی در امتداد محور کوره بتدریج کسر جرمی آن کاهش مییابد تا درنهایت به صفر میرسد. کسر جرمی SO 2 نیز در امتداد محور مرکزی کوره تا رسیدن به مقدار ثابتی افزایش پیدا میکند. مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی عددی و مقادیر اندازهگیری غلظت گونههای SO 2 و O 2 تطابق مناسبی را نشان میدهد. 5- نتیجهگیری Fig. 9 The effect of existing sulfur in the concentrate particles on NO x formation شکل 9 اثر مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بر تولید NOx حرارتی جدول 3 شرایط مرزی کوره فلش آزمایشی اتوکمپو[ 18 ] Table 3 Boundary Conditions for an Outokumpu Pilot Flash Furnace[18] 882Nm 3 /h دبی هوای ورودی دمای هوای ورودی اکسیژن موجود در هوا دبی کنسانتره ورودی ترکیب شیمیایی کنسانتره ورودی اندازه ذرات کنسانتره چگالی ذرات کنسانتره دمای دیوارههای کوره در این مطالعه کوره فلش کارخانه ذوب مس با هدف بررسی اثر خاصیت احتراق انفجاری گوگرد بر دمای شعله و آالیندههای تولیدی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیهسازی عددی نشان داد در شرایط غنی از اکسیژن و در دماهای باال محصول اصلی احتراق گوگرد به صورت SO 2 (1273K<) ظاهر میشود. در کوره فلش در ناحیه مشعل کنسانتره که دما نسبتا پایین است و اکسیژن اضافی وجود دارد SO 3 در اثر اکسیداسیون SO 2 تشکیل میشود. زمانیکه اکسیژن کافی برای احتراق گوگرد در دسترس نیست کسر جرمی SO و گوگرد نسوخته افزایش پیدا میکند. با افزایش مقدار گوگرد موجود در ذرات کنسانتره بیشینه دمای کوره کاهش و کمینه دما افزایش یافته مییابد و توزیع دمای یکنواختتری در کوره ایجاد میشود. این رفتار اثر زیادی بر کاهش انتشار NO x حرارتی دارد. 463K 28% 960kg/h Cu=18.1 Fe=35.8 S=35.5 SiO2=5 50 μm 4300 kg/m 3 1473K 0.2m Axial Distance from Top (m) Fig. 11 Comparison between the predicted and measured temperature شکل 11 مقایسه دمای پیشبینی شده و اندازهگیری شده 5m 0.6 m Gas Content (%) Fig. 10 Geometry diagram and three-dimensional grid of an Outokumpu Pilot Flash Furnace شکل 10 هندسه و شبکهبندی سه بعدی از کوره فلش آزمایشی اتوکمپو Axial Distance from Top (m) Fig. 12 Comparison between the predicted and measured SO 2 and O 2 concentration در شکلهای 11 و 12 نتایج شبیهسازی عددی و نتایج اندازهگیری آزمایشگاهی به ترتیب برای تغییرات دما و تغییر غلظت گونههای O 2 و SO 2 در محور مرکزی کوره نشان داده شده است. در شکل 11 مشاهده میشود که در نواحی ورودی کوره با ورود واکنش دهندههای سرد دما بتدریج افزایش مییابد تا به یک مقدار نسبتا ثابتی در امتداد محور کوره برسد. مقایسه نتایج شکل 12 مقایسه غلظت SO2 و O2 پیشبینی شده و اندازهگیری شده
[5] J. Vaarno, J. Jarvi, T. Ahokainen, T. Laurila, P. Taskinen, Development of a mathematical model of flash smelting and converting processes, Third Internatianal Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, Melbourne, Australia, pp. 147-154, 10-12, 2003. [6] C. M. Xinfeng Li, T. Xiao, Numerical modeling of Jinlong CJD burner copper flash smelting furnace, Journal of University of Sience and Technology Beijing, Vol. 6, No. 6, pp. 417-421, 2002. [7] J. Z. Juz, Z. Chen, Y. Mao, Influence analysis of air flow momentum on concentrate dispersion and combustion in copper flash smelting furnace by cfd simulation, The Minerals, Metals & Materials Society, Vol. 66, No. 9, pp. 1629-1637, 4. [8] E. H. Zaim, S. H. Mansouri, A new mathematical model for copper concentrate combustion in flash smelting furnaces, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, Vol. 231, No. 2, pp. 119-130, 5. [9] P. Gaudin, S. Dorge, H. Nouali, J. Patarin, J. F. Brilhac, E. Fiani, M. Vierling, M. Molière, Synthesis of CuO/SBA-15 adsorbents for SO x removal applications, using different impregnation methods, Comptes Rendus Chimie, Vol. 18, No. 10, pp. 1013-1029, 5. [10] R. Moskalyk, A. Alfantazi, Review of copper pyrometallurgical practice: today and tomorrow, Minerals Engineering, Vol. 16, No. 10, pp. 893-919, 2003. [11] C. B. Solnordal, F. R. Jorgensen, P. T. Koh, A. Hunt, CFD modelling of the flow and reactions in the Olympic Dam flash furnace smelter reaction shaft, Applied Mathematical Modelling, Vol. 30, No. 11, pp. 1310-1325, 2006. [12] H. Müller, Sulfuric acid and sulfur trioxide, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. 25, pp. 635-703, 1994. [13] D. Fleig, K. Andersson, F. Normann, F. Johnsson, SO3 formation under oxyfuel combustion conditions, Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 50, No. 14, pp. 8505-8514, 1. [14] G. Irvin, Y. Richard, Combustion, Academic Press is an Important of Elsevier, 2008. [15] A. Inc., Ansys Fluent 14 theory guide, 1. [16] M. Moghiman, S. Javadi, A. Moghiman, S. B. Hosseini, A numerical study on thermal dissociation of H2S, World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, Vol. 4, No. 2, pp. 244-249, 0. [17] M. Javadi, M. Moghiman, Hydrogen and carbon black production from thermal decomposition of sub-quality natural gas, International Journal of Spray and Combustion Dynamics, Vol. 2, No. 1, pp. 85-101, 0. [18] Y. Hahn, H. Y. Sohn, Mathematical modeling of sulfide flash smelting process: Part I. Model development and verification with laboratory and pilot plant measurements for chalcopyrite concentrate smelting, Metallurgical Transactions B, Vol. 21, No. 6, pp. 945-958, 1990. 6- فهرست عالیم عدد ثابت عدد ثابت ظرفیت گرمایی ویژه (kj/kg-k) کسر مخلوط واریانس کسر مخلوط آنتالپی واکنش (J/kg) آنتالپی تشکیل گونه j در دمای مبنا (J/kg) انرژی جنبشی تالطمی ) 2 (m 2 /s هدایت حرارتی (W/m-K) کسر جرمی گونه j کسر مخلوط بیبعد جریان ثانویه جمله چشمه ناشی از انتقال حرارت جمله چشمه ناشی از انتقال جرم دما (K) سرعت (m/s) آنتالپی واکنش ) -1 (kjmol نرخ اتالف تالطمی ) 3 (m 2 /s C d C g c p f f' H h ( T ) k k t j m j p sec S h S m T u ref, j عالیم یونانی لزجت گردابهای (kg/(m.s)) چگالی ) 3 (kg/m عدد ثابت ε h t t 7- مراجع [1] Y. F. Xie, J. H. Liu, D. G. Xu, W. H. Gui, C. H. Yang, Optimal control strategy of working condition transition for copper flash smelting process, Control Engineering Practice, Vol. 46, pp. 66-76, 6. [2] J. H. Liu, W. H. Gui, Y. F. Xie, C. H. Yang, Dynamic modeling of copper flash smelting process at a smelter in china, Applied Mathematical Modelling, Vol. 38, No. 7, pp. 2206-2213, 4. [3] D. Higgins, N. Gray, M. Davidson, Simulating particle agglomeration in the flash smelting reaction shaft, Minerals Engineering, Vol. 22, No. 14, pp. 1251-1265, 2009. [4] F. Jorgensen, P. Koh, Combustion in flash smelting furnaces, JOM, Vol. 53, No. 5, pp. 16-20, 2001.