高寒礦區(qū)生物氧化槽供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

李 寧，高丙朋，方 圓

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

1 引言

生物氧化預(yù)處理工藝因其工藝簡(jiǎn)單、參數(shù)易控制以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速[1]。溫度適宜是預(yù)處理過(guò)程中的關(guān)鍵，冬季高寒礦區(qū)霜凍期長(zhǎng)且環(huán)境溫度較低，需要供給大量熱以滿足生產(chǎn)需要[2]。目前高寒礦區(qū)氧化槽內(nèi)供熱方式主要是煤炭燃燒，燒煤供熱不僅生產(chǎn)效率較低，還會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染。本文由此提出高寒礦區(qū)生物氧化槽復(fù)合供熱模式，提高生產(chǎn)效率，改善環(huán)境污染問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物氧化提金技術(shù)已經(jīng)做了大量的研究。丘曉斌、溫建康等人結(jié)合生物預(yù)氧化氰化提金實(shí)驗(yàn)分析了碳質(zhì)在實(shí)際生物預(yù)氧化提金工藝中的影響[3]。Guohua Wang等人提出包含高溫化學(xué)氧化階段和生物氧化階段的兩個(gè)階段化學(xué)-生物氧化方法，從而提高高硫和高砷難處理金精礦的氧化速率[4]。Chenghui Zheng等學(xué)者通過(guò)評(píng)估多相歐拉模型研究?jī)上嗔骱腿嗔?，揭示了影響生物浸出效率關(guān)鍵因素并分析發(fā)生細(xì)胞死亡的主要區(qū)域[5]。N.MARCHEVSKY等人采用構(gòu)建確定的嗜溫聚生體的方法進(jìn)行評(píng)估分析礦生物浸出浮選精礦的效率[6]。王紅、王兆印等人通過(guò)混合浸礦菌氧化難處理金精礦的實(shí)驗(yàn)研究，分析探討了礦漿溶氧水平和初始狀態(tài)Fe2+濃度對(duì)生物氧化效率的影響[7]。目前大量學(xué)者主要研究了生物氧化反應(yīng)的相關(guān)問(wèn)題，關(guān)于氧化供熱模式涉獵甚少，但由于生物氧化槽體積大數(shù)量多，尤其對(duì)于高寒礦區(qū)生物氧化過(guò)程熱量需求極大，燃燒煤炭供熱會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，供熱問(wèn)題亟待解決。

本文主要針對(duì)高寒礦區(qū)生物氧化預(yù)處理工藝提出以太陽(yáng)能改進(jìn)生物氧化槽內(nèi)供熱模式，并設(shè)計(jì)分析了太陽(yáng)能-燃煤復(fù)合供熱系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)CFD軟件對(duì)槽內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 生物氧化槽結(jié)構(gòu)原理

生物氧化槽是生物氧化預(yù)處理工藝的核心反應(yīng)器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本研究暫不考慮微小因素。氧化槽及換熱器尺寸規(guī)格如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)規(guī)格表

生物氧化槽大致可以分為六部分：反應(yīng)池、供熱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)和攪拌器。為進(jìn)行有效的分析，本研究以新疆某金礦生物氧化槽為工程背景，其氧化槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 生物氧化槽結(jié)構(gòu)圖

適量礦漿和氧化細(xì)菌按照一定比例充入反應(yīng)池中，在攪拌器的混合作用下充分接觸反應(yīng)，在此過(guò)程中供熱系統(tǒng)保證氧化菌生存繁殖的適宜溫度[8]，使氧化還原反應(yīng)充分進(jìn)行。

溫度作為氧化預(yù)處理階段的前提條件，是氧化提金率和能源利用率最重要的影響因素之一。高寒礦區(qū)因其經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)條件的限制，目前仍大量采用燃煤供熱模式，通過(guò)調(diào)節(jié)冷、熱水流量實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化槽內(nèi)部溫度的控制。冷水是地下水，熱水則是經(jīng)鍋爐加熱至100℃的高溫水[9]。高寒礦區(qū)日照充足但氣候條件較為惡劣，尤其冬季極端天氣(氣溫極低、大風(fēng)、暴風(fēng)雪)反復(fù)無(wú)常，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量煤炭來(lái)保證溫度。從環(huán)境因素來(lái)看，大量燃煤導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，從生產(chǎn)效率方面來(lái)看，菌群生存的溫度范圍為38-45℃，直接使用100℃高溫水調(diào)節(jié)會(huì)造成換熱管附近局部溫度過(guò)高，細(xì)菌活性降低甚至死亡，氧化提金率下降，能源利用率降低。

因此，為了改善目前高寒礦區(qū)的環(huán)境污染問(wèn)題，提高氧化提金率，本文提出以太陽(yáng)能改進(jìn)的生物氧化槽供熱模式，設(shè)計(jì)分析太陽(yáng)能-鍋爐復(fù)合供熱系統(tǒng)。

3 復(fù)合供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能-燃煤復(fù)合供熱系統(tǒng)[11]設(shè)計(jì)原則為：本系統(tǒng)熱源分別為集熱水箱(一級(jí)熱源)、儲(chǔ)熱水箱(二級(jí)熱源)和鍋爐輔助加熱(三級(jí)熱源)，為了保證太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)為主供熱系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)熱源使用優(yōu)先級(jí)為：一級(jí)熱源無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)需求時(shí)啟動(dòng)二級(jí)熱源，若前兩級(jí)熱源仍無(wú)法滿足生產(chǎn)需要時(shí)，啟動(dòng)三級(jí)熱源。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其原理

太陽(yáng)能-燃煤復(fù)合供熱系統(tǒng)由太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)、鍋爐輔助加熱循環(huán)系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成，圖2為復(fù)合供熱系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)中共有三個(gè)水箱，集熱水箱直接收集由集熱器加熱過(guò)的高溫水，儲(chǔ)熱水箱作為集熱水箱的備用水箱，供熱水箱作為氧化槽的工作水箱提供所需熱量。

圖2 復(fù)合供熱系統(tǒng)原理圖

為保證供熱系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行，對(duì)必要的調(diào)節(jié)閥和泵均設(shè)有備用設(shè)備和保護(hù)設(shè)備，在溫度適宜的情況下，供熱水箱內(nèi)的水溫和水位限制在較大范圍，在極端天氣時(shí)，供熱水箱內(nèi)的水溫和水位的限制范圍根據(jù)運(yùn)行工況適當(dāng)縮小。

經(jīng)集熱器加熱過(guò)的高溫水由相關(guān)控制機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際工況分配給供熱水箱和儲(chǔ)熱水箱，在保證水位的條件下作出相應(yīng)判斷，若供熱水箱內(nèi)的水溫不滿足要求，則第一時(shí)間開(kāi)啟儲(chǔ)熱水箱供熱功能，一旦前兩者同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下仍無(wú)法滿足供熱需求，則立馬啟動(dòng)鍋爐輔助供熱，對(duì)供熱水箱內(nèi)的水進(jìn)行再次加熱。若供熱水箱內(nèi)水溫偏高，則通入地下水進(jìn)行調(diào)節(jié)平衡。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，集熱水箱重新收集未被完全消耗的熱量，對(duì)其進(jìn)行循環(huán)利用。

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 集熱器模型

考慮到槽式太陽(yáng)能集熱器具有投資成本低廉、占用面積少等優(yōu)點(diǎn)[12]，本系統(tǒng)采用槽式太陽(yáng)能集熱器。由能量守恒定律可得

Qg=Qc+Ql+Qp

(1)

式中，Qg為太陽(yáng)對(duì)集熱器的輻射量，單位為W；Qc為集熱器實(shí)際集熱量，單位為W；Ql為過(guò)程熱損失，單位為W；Qp為送入集熱器的熱量，單位為W。

其中

Qg=kAcIt

(2)

Ql=Acηl(Ti-Tamb)

(3)

(4)

式中，k為反射鏡透射率和吸熱管吸收率的乘積，取值0.8；Ac為集熱器采光面積，單位為m2；It為單位面積太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，單位為W/m2·°C；ηl為過(guò)程熱損失系數(shù)，取值0.27；Ti為集熱器中平均水溫，單位為°C；Tamb為環(huán)境溫度，單位為°C；Ce為集熱器的熱容量，單位為J/kg·°C。

考慮到集熱器自身存在熱損失，定義集熱器集熱效率為

(5)

3.2.2 水箱模型

復(fù)合供熱系統(tǒng)中雖然包含三個(gè)不同功能的水箱，但是均滿足能量守恒定律，本文采用集總參數(shù)法對(duì)水箱進(jìn)行分析研究[13-14]。水箱內(nèi)部熱量關(guān)系滿足

(6)

式中，Vs為水箱的設(shè)計(jì)容量，單位為m3；Qin為上一級(jí)設(shè)備傳給水箱的熱量，單位為W；Qout為水箱提供給下一級(jí)設(shè)備的熱量，單位為W；Qt為水箱自身的散熱量，單位為W；Cp為換熱介質(zhì)的定壓比熱容，單位為kJ/kg·°C；ρ為傳熱介質(zhì)的密度，單位為kg/m3；ΔT為蓄熱溫差，單位為°C。

水箱內(nèi)部溫度為

Ts=Ts(h，t)

(7)

式中，Ts為水箱溫度，單位為°C；h為水箱內(nèi)液位高度，單位為m。

3.2.3 氧化槽內(nèi)換熱模型

生物氧化槽內(nèi)熱交換主要是共軛傳熱[15]，熱量來(lái)源Qy包含換熱管傳導(dǎo)的熱量Qh和氧化還原反應(yīng)放熱Qf，熱量消耗則是氧化槽在環(huán)境中的熱量損失Qs。它們之間的關(guān)系表示為

Qy=Qs

(8)

Qy=Qh+Qf

(9)

其中

Qh=kAΔT·l/(Δt·L)

(10)

式中，k為換熱管的熱傳導(dǎo)系數(shù)；A為換熱管接觸表面積；ΔT為礦漿和換熱管中水的溫差；l為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度；Δt為熱量傳遞所需的時(shí)間；T為換熱管壁厚。

Qf=aΔn(FeS2)+bΔn(FeS)+cΔn(FeAsS)

(11)

式中，a、b、c分別為FeS2、FeS、FeAsS的摩爾熱，a=1464kJ，b=605.6kJ，c=905.3kJ，Δn(FeS2)、Δn(FeS)、Δn(FeAsS)分別為氧化反應(yīng)消耗的FeS2、FeS、FeAsS的物質(zhì)的量。

Qs=hA(Te-T∞)

(12)

式中，h面平均傳熱系數(shù)，取為16W/(m2K)；A流換熱面積；Te熱表面平均溫度；T∞界環(huán)境溫度。

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文將推理分析法、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，以新疆某金礦生物氧化槽為工程背景，通過(guò)CFD軟件搭建其模型[16-19]，分別對(duì)復(fù)合供熱模式下不同供熱需求時(shí)氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真測(cè)試，并與現(xiàn)有供熱模式下的溫度場(chǎng)對(duì)比分析，對(duì)該復(fù)合供熱系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)新疆地區(qū)氣候條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)方案如表2。本文共設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)一是燃煤供熱模式下正常氣候條件時(shí)對(duì)氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)仿真模擬，并根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校驗(yàn)，以準(zhǔn)確分析生物氧化槽內(nèi)部的溫度特性。高寒礦區(qū)因其地理特性常年伴隨極端天氣氣候，為研究燃煤供熱對(duì)極端天氣時(shí)氧化槽內(nèi)溫度調(diào)控效果設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)二，實(shí)驗(yàn)三和實(shí)驗(yàn)四分別為實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)改進(jìn)后復(fù)合供熱模式槽內(nèi)溫度場(chǎng)仿真模擬，驗(yàn)證研究復(fù)合供熱系統(tǒng)對(duì)生物氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。生物氧化槽相關(guān)物性參數(shù)如表3。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案表

表3 生物氧化槽物性參數(shù)表

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)生物氧化槽不同工況進(jìn)行仿真研究[20]，經(jīng)過(guò)4358步迭代各參數(shù)均達(dá)到收斂狀態(tài)，圖3為結(jié)果收斂曲線圖。圖4、圖5分別為正常氣候條件下燃煤供熱氧化槽內(nèi)部溫度場(chǎng)分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面圖。燃煤供熱氧化槽內(nèi)溫度分布整體滿足預(yù)處理工藝要求，溫度沿徑向分布比較均勻，其溫度梯度較軸向溫度梯度更為緩和，但在攪拌器上方局部溫度高于323K，攪拌器下方部分區(qū)域溫度低于310K，溫度分布總體良好。

圖3 仿真結(jié)果收斂曲線

圖4 正常氣候溫度場(chǎng)xz平面剖面圖

圖5 正常氣候溫度場(chǎng)xy平面剖面圖

圖6、圖7分別為極端氣候條件下燃煤供熱氧化槽內(nèi)部溫度場(chǎng)分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面圖。與正常氣候相比，槽內(nèi)整體溫度均有所下降，軸向和徑向的溫度梯度更大，大約占槽1/3容積的區(qū)域溫度低于310K，該區(qū)域內(nèi)氧化細(xì)菌生物活性會(huì)大幅下降甚至死亡。

圖6 極端氣候溫度場(chǎng)xz平面剖面圖

圖7 極端氣候溫度場(chǎng)xy平面剖面圖

改進(jìn)供熱方式后，正常氣候時(shí)氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況如圖8、圖9所示。復(fù)合供熱模式下生物氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)與燃煤供熱相比沿軸向和沿徑向分布均更均衡，超出適宜溫度范圍的區(qū)域得以縮小，溫度分布對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖更加友好，一定程度上提高了氧化率，理論上緩解了換熱器附近區(qū)域因水溫過(guò)高導(dǎo)致的細(xì)菌死亡問(wèn)題。

圖8 復(fù)合供熱正常氣候溫度場(chǎng)xz剖面圖

圖9 復(fù)合供熱正常氣候溫度場(chǎng)xy剖面圖

圖10、圖11分別為極端天氣時(shí)復(fù)合供熱槽內(nèi)溫度場(chǎng)分布xz(y=0)、xy(z=5.5)平面剖面圖。將其與圖6、圖7對(duì)比可知，改進(jìn)供熱系統(tǒng)后槽內(nèi)軸向低溫分布區(qū)域有所緩和，徑向溫度梯度有效減小，總體溫度場(chǎng)更均勻，氣候條件對(duì)生物氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)的不利影響得以有效改善。

圖10 復(fù)合供熱極端氣候溫度場(chǎng)xz剖面圖

圖11 復(fù)合供熱極端氣候溫度場(chǎng)xy剖面圖

5 結(jié)論

1)針對(duì)高寒礦區(qū)現(xiàn)有供熱系統(tǒng)造成的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題，提出以太陽(yáng)能改進(jìn)燃煤供熱模式，分析設(shè)計(jì)太陽(yáng)能-燃煤復(fù)合供熱系統(tǒng)，進(jìn)而根據(jù)高寒地區(qū)氣候特性建立復(fù)合供熱系統(tǒng)模型。

2)以新疆某金礦為研究背景，通過(guò)CFD仿真對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，改進(jìn)供熱系統(tǒng)后不同工況下生物氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)分布更加均勻，有利于氧化反應(yīng)發(fā)生，提高氧化提金率和能源利用率。

3)高寒礦區(qū)生物氧化預(yù)處理進(jìn)程采用復(fù)合供熱系統(tǒng)不僅能效高、更經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好，而且系統(tǒng)互補(bǔ)性較強(qiáng)，運(yùn)行更加穩(wěn)定，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值。