本發明屬于鍋爐建模與數值計算，特別涉及一種冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐分析方法及系統。

背景技術：

1、隨著世界發展對各種金屬以及非金屬冶煉產品的需求不斷增加，冶煉工業的規模也在逐年擴大，而無論是金屬還是非金屬的冶煉過程中會產生大量高溫或富含可燃組分的尾氣，如銅的冶煉過程中會產生大量1100℃以上的高溫尾氣，生產一噸黃磷會產生2500～3000標方含90％?co的高熱值尾氣。隨著冶煉行業對于尾氣能源化或資源化利用相關政策的出臺及升級，冶煉工業尾氣余熱回收鍋爐需求量快速增加，但目前相關的余熱回收鍋爐常存在流場組織不合理與相關設計缺乏理論依據等問題，且冶煉工業尾氣中往往含有大量高溫氧化物爐渣或具有腐蝕性的雜質顆粒，導致冶煉工業尾氣余熱回收鍋爐大多使用周期短，安全性缺乏保障，冶煉工業尾氣的能源化或資源化利用已成為冶煉行業發展的一大難題。

2、此前，對冶煉工業尾氣余熱回收鍋爐的性能評估主要通過實驗手段，而其設計基礎基本來自從業人員的生產經驗，因此存在周期長、成本高、缺乏系統規范、雜質顆粒的影響不明晰等問題，導致難以形成一套針對冶煉工業尾氣余熱回收鍋爐性能評估與結構優化設計的方法論。

3、目前，數值模擬計算方法是大型設備性能評估與結構優化設計過程中最重要的工具之一，通過精細建模、合理子模型的選取、參數的準確定義可以獲得相當準確的預測數據，且數值模擬計算方法還具有成本低，效率高等優勢。然而經檢索，關于冶煉工業含雜質顆粒尾氣余熱回收鍋爐的相關數值模擬分析方法尚未見報道。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐分析方法及系統，解決了現有數值模擬計算方法不適合冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐的問題。

2、本發明是通過以下技術方案來實現：

3、本發明公開了一種冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐分析方法，包括以下步驟：

4、s1、收集冶煉工業含雜質顆粒尾氣，靜置冷卻后將氣體與雜質顆粒分離，測量后得到實驗數據；

5、實驗數據包括尾氣中氣體組分構成與比例，尾氣中雜質顆粒的粒徑分布與真實密度；

6、s2、構建用于處理所述冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐的三維幾何模型；

7、s3、對三維幾何模型進行網格劃分，得到網格模型；

8、s4、在網格模型基礎上設置符合實際運行情況的邊界條件；

9、根據s1得到的實驗數據設置鍋爐內部流體相與顆粒相參數；

10、根據余熱回收鍋爐的實際運行情況為數值模擬設置計算模型、離散格式、數值求解方法與松弛因子；

11、s5、對網格模型進行數值模擬計算，先對數值模擬計算域進行初始化并開始求解，得到溫度場、壓力場、組分場、速度場及顆粒軌跡；

12、s6、對溫度場、壓力場、組分場、速度場及顆粒軌跡進行數據后處理，得到數據后處理結果；

13、s7、依據數據后處理結果調整所述余熱回收鍋爐的結構參數，重復s2-s6進行冶煉工業含雜質顆粒尾氣余熱回收鍋爐的結構優化設計，直至s6中的后處理結果中的參數達到預設要求。

14、進一步，s1中，在實際工業流程中用密封氣袋收集冶煉工業含雜質顆粒尾氣；

15、若尾氣溫度高于密封氣袋的使用溫度，則對尾氣進行預降溫處理后再進行收集，在收集過程中保證尾氣無泄漏，所收集尾氣與實際尾氣成分相同，用于確保后續分析的準確性；

16、s1中，在冶煉工業含雜質顆粒尾氣靜置冷卻至室溫后，將氣體與雜質顆粒分離，利用氣相色譜測量尾氣中氣體組分構成與比例，利用馬爾文噴霧粒度分析儀與真密度測試儀測量尾氣中雜質顆粒的粒徑分布與真實密度。

17、進一步，s2具體為：基于實際用于處理冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐圖紙參數，利用solidworks軟件對余熱回收鍋爐的流體域進行1:1的三維幾何建模，并在ansys軟件的workbench平臺中利用designmodeler模塊對余熱回收鍋爐的三維幾何模型進行計算域命名。

18、進一步，s3具體為：采用六面體網格對三維幾何模型進行網格劃分，對余熱回收鍋爐壁面、旋流燃燒器葉片、雜質顆粒捕捉部件區域進行網格加密，得到網格模型，并在完成網格劃分之后進行網格質量檢查。

19、進一步，s3中，根據冶煉工業含雜質顆粒尾氣的實驗數據設置鍋爐內部流體相與顆粒相參數，具體為：

20、根據s1得到的的尾氣中氣體組分構成與比例，設置鍋爐內部混合流體相的組分，所述混合流體相的熱物性按照組分比例混合計算，輻射特性選擇wsggm-domain-based模型；余熱回收鍋爐內部運行時需考慮co與ch4的燃燒反應；

21、根據s1得到的尾氣中雜質顆粒的粒徑分布與真實密度，設置鍋爐內部顆粒相的粒徑分布與真實密度；

22、若尾氣中雜質顆粒含量小于10％，忽略顆粒之間的相互作用，選取dpm離散相模型；若雜質顆粒含量大于10％，則考慮顆粒之間的相互作用，選取ddpm離散相模型，離散模型中顆粒均是以surface?injection的形式從鍋爐入口噴入，噴入速度與流體相保持一致。

23、進一步，s4中，所述邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件；

24、入口邊界條件包括速度、溫度、湍流強度、組分比例；

25、出口邊界條件包括壓力、流量占比、雜質顆粒逃逸；

26、壁面邊界條件需要結合實際情況設置為等溫/絕熱、有/無滑移、雜質顆粒被捕捉/反彈。

27、進一步，s4中，所述計算模型包括湍流模型、輻射模型、氣相化學反應模型、離散相模型和曳力模型；

28、湍流模型選取應用于中等旋流強度的realizablek-ε模型；

29、輻射模型選擇do模型；

30、氣相化學反應模型選擇用于處理部分預混火焰與湍流的有限速率/渦耗散燃燒模型；

31、離散相模型根據實際情況在dpm模型與ddpm模型中選擇；

32、曳力模型選擇wen-yu曳力模型，用于計算離散相及流體相之間的相互作用力；

33、s4中，離散格式中的壓力項采用standard離散格式，其他項采用二階迎風格式；其他項包括組分、速度和溫度；

34、數值求解方法選擇phase?coupled?simple算法；

35、壓力松弛因子設定為0.2，組分相關松弛因子設定為1，其他項的松弛因子設定為0.4。

36、進一步，s6中，所述數據后處理具體為：

37、對溫度場進行后處理，得到鍋爐煙氣出口平均溫度、爐膛內溫度分布均勻水平；

38、對壓力場進行后處理，得到整體與局部壓降；

39、對組分場進行后處理，得到可燃組分燃盡率；

40、對速度場進行后處理，得到鍋爐回流區體積、水冷壁附近氣流溫度與速度；

41、對顆粒軌跡進行后處理，得到雜質顆粒的爐膛出口逃逸率、水冷壁附著率、過濾捕捉構件的捕集率；

42、以鍋爐煙氣出口平均溫度、可燃組分燃盡率與爐膛內溫度分布均勻水平評估鍋爐熱性能；

43、以鍋爐回流區體積、水冷壁附近氣流溫度與速度、整體與局部壓降評估鍋爐流場組織性能；

44、以尾氣中雜質顆粒的爐膛出口逃逸率、水冷壁附著率、過濾捕捉構件的捕集率評估鍋爐受雜質顆粒腐蝕或磨損的影響程度。

45、進一步，s7中，所述余熱回收鍋爐的結構參數包括燃燒器配風情況、爐膛尺寸、雜質顆粒過濾捕捉構件位置及尺寸。

46、本發明還公開了一種冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐分析系統，包括：

47、數據獲取模塊，用于獲取實驗數據；實驗數據包括尾氣中氣體組分構成與比例，尾氣中雜質顆粒的粒徑分布與真實密度；

48、構建模塊，用于構建用于處理所述冶煉工業含雜質顆粒尾氣的余熱回收鍋爐的三維幾何模型；

49、網格劃分模塊，用于對三維幾何模型進行網格劃分，得到網格模型；

50、條件設置模塊，用于在網格模型基礎上設置符合實際運行情況的邊界條件；

51、根據實驗數據設置鍋爐內部流體相與顆粒相參數；

52、根據余熱回收鍋爐的實際運行情況為數值模擬設置計算模型、離散格式、數值求解方法與松弛因子；

53、模擬模塊，用于對網格模型進行數值模擬計算，先對數值模擬計算域進行初始化并開始求解，得到溫度場、壓力場、組分場、速度場及顆粒軌跡；

54、數據后處理模塊，用于對溫度場、壓力場、組分場、速度場及顆粒軌跡進行數據后處理，得到數據后處理結果；

55、結構調整優化模塊，用于依據數據后處理結果調整所述余熱回收鍋爐的結構參數，重復進行冶煉工業含雜質顆粒尾氣余熱回收鍋爐的結構優化設計，直至后處理結果中的參數達到預設要求。

56、與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

57、本發明公開一種基于數值模擬的冶煉工業含雜質顆粒尾氣余熱回收鍋爐性能評估分析方法，首先通過實地收集與實驗表征獲得所述冶煉工業含雜質顆粒尾氣真實的信息，然后再通過精細幾何建模、合理網格劃分、合適邊界條件及內部相參數與計算子模型的設置構建所述尾氣余熱回收鍋爐的數值計算模型，使得所述數值計算模型處于所述鍋爐真實運行的狀態中，進行數值模擬計算，可有效模擬并可視化所述鍋爐內部溫度場、速度場、壓力場、顆粒軌跡等信息，從而對所述鍋爐的熱性能、流場組織性能、受雜質顆粒腐蝕或磨損的影響程度進行有效評估，評估結果的可靠性強。

58、該方法基于冶煉工業含雜質顆粒尾氣余熱回收鍋爐原型的數值模擬結果，以提升鍋爐熱性能、優化鍋爐流場組織性能、降低所述尾氣中雜質顆粒的爐膛出口逃逸率與水冷壁附著率、提高鍋爐內過濾捕捉構件對所述尾氣中雜質顆粒捕集率為優化目標，利用上述的數值模擬計算方法，從調整燃燒器配風情況、爐膛尺寸、雜質顆粒過濾捕捉構件位置及尺寸等結構參數對所述鍋爐進行有效的結構優化，該結構優化方法的成本低、效率高、可靠性強。

59、該方法經過驗證可用于不同來源的冶煉工業含雜質顆粒尾氣所搭配的不同類型余熱回收鍋爐進行性能評估與結構優化，具有一定的普適性。