CN115094244B - 一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，包括预热空气管道和烟气管道，所述预热空气管道包括主空气管道和多层水平支空气管道，所述水平支空气管道上布置有多个空气喷口，所述主空气管道延伸出气流分配腔，所述气流分配腔包括主腔室以及上下对称布置在主腔室一侧的支腔室，所述主腔室的上下侧对称设置有折弯挡板，所述烟气管道包括主烟气管道和水平支烟气管道，所述水平支烟气管道上布置有多个烟气口，底层的水平支空气管道内的顶部和底部交替设置有扰流板。本申请的气体管道结构，可以提高空气喷口流量的均匀性，改善炉内气体燃烧的流场和温度场，从而提高天然气的燃尽程度，释放更多热量，增大系统热效率。
Description
技术领域
本发明涉及塔式锌精馏炉技术领域，具体涉及一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构。
背景技术
在锌冶炼工艺中，火法炼锌工艺凭借其金属回收率高、产品质量好等优势受到广泛关注。火法炼锌工艺主要包括焙烧、还原、蒸馏和精炼等过程，通过焙烧形成高温环境，以碳为还原剂从氧化锌物料中还原提取金属锌，而后经过冷凝、精炼、浇铸等过程，最终得到高品质锌锭。塔式锌精馏炉作为火法炼锌工艺的关键设备，主要根据各种金属的沸点不同，运用连续分馏原理将杂质金属(主要是铅、铁、镉等)分离，以获得精锌或1-3级锌，其传热效率将直接影响精锌的生产效率和设备能耗。自20世纪80年代以来，塔式锌精馏炉凭借其产锌纯度高、原料适应性强、可同时富集其他金属的特点而被广泛应用。
塔式锌精馏炉的最小组合单元为三塔式，即两座铅塔配备一座镉塔，此外，根据无镉锌量可配备无镉锌塔(又称B#塔)，以减少镉塔负荷。粗锌物料(块状或液态)由吊车加入熔化炉中，熔化后的粗锌液经加料管导入铅塔塔盘。燃烧室内由燃气管道输送的天然气与经换热室预热后的高温空气快速混合燃烧，释放大量热量，进而向塔盘传热；塔盘内的粗锌液受热蒸发，低沸点的杂质镉随着锌蒸汽上升经过回流盘进入冷凝器，冷凝后的含镉锌液由加料管导入镉塔塔盘，进行相似的分馏过程，获取精锌并同时富集镉金属。高沸点的铅、铁、铜等杂质元素随液态混合物下降通过下延部进入精炼炉，经熔析精炼后可分别获得粗铅、硬锌以及B#锌。天然气燃烧产生的高温烟气在换热室内预热吸入的空气后排出精馏炉，汇集至总烟道内，并流向余热锅炉进一步实现余热利用，最后经收尘排向大气。铅塔、镉塔和B#塔结构相似，仅处理物料不同，即铅塔中粗锌液分馏获得含镉锌、B#锌、硬锌和粗铅，镉塔中含镉锌液分馏获得精锌和高镉锌，而B#塔中B#锌液分馏获得精锌、B#锌、硬锌和粗铅。
在塔式锌精馏炉的燃烧室中，空气在风机抽力的作用下通过预热空气管道的空气喷口被动进入燃烧室中参与天然气的燃烧，燃烧产生的烟气同样在抽力的作用下通过燃烧室底部的烟气口流出燃烧室。更加具体来说，如图1所示，现有的塔式锌精馏炉的气体管道结构，包括预热空气管道100和烟气管道200，所述预热空气管道包括相互连通的主空气管道101以及多层水平支空气管道102，每层水平支空气管道上均布多个空气喷口103，所述烟气管道包括相互连通的竖直主烟气管道201和水平支烟气管道202，所述水平支烟气管道上均布有多个烟气口203。
通过对现有气体管道进行数值仿真计算，分析其现有结构的流场信息，可知，各空气喷口处的气体速度分布不均匀，有些空气喷口存在气体速度很小的情况，有些空气喷口处气体速度较大，会出现冲刷塔盘的情况。为了更加直观地分析燃烧室内气体进出口处的气体运动情况，统计了气体进出口的流量，可知，每一层水平支空气管道的总流量分配相对均匀，而同一层的空气喷口的气体流量分配却不均，这一定程度上影响了炉内气体燃烧的流场。
此外，由于越靠近主烟气管道的烟气口，其所受的抽力也越大，烟气流量也越大，若各个烟气口的烟气流量分配的均匀性差，也会在一定程度上进一步影响炉内气体燃烧的流场与温度场。
综上所述，对于塔式锌精馏炉的气体管道结构而言，预热空气管道的结构直接影响空气入炉的状况，烟气管道的结构直接影响炉内流场，从而与燃烧室内天然气的燃烧状况紧密相关。现有的气体管道结构，存在各个空气喷口的流量分布不均，气体管道与燃烧室内的气体流场分布不合理的弊端，导致燃烧室内天然气燃烧不完全，炉内温度分布不均，这将对塔式锌精馏炉的实际生产造成不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，以便提高空气喷口流量的均匀性，改善炉内气体燃烧的流场和温度场，从而提高天然气的燃尽程度，释放更多热量，增大系统热效率。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，包括预热空气管道和烟气管道，所述预热空气管道包括主空气管道和多层水平支空气管道，所述水平支空气管道上布置有多个空气喷口，所述主空气管道延伸出气流分配腔，所述气流分配腔包括主腔室以及上下对称布置在主腔室一侧的支腔室，所述主腔室的上下侧对称设置有折弯挡板，所述上侧的折弯挡板与主腔室顶部之间、下侧的折弯挡板与主腔室底部之间均形成气流分配通道，所述两块折弯挡板的自由端之间的间隙形成气流分配孔，所述气流分配孔与气流分配通道及支腔室均连通；所述处于上层的水平支空气管道以及处于中层的水平支空气管道关于气流分配腔对称布置，并且二者的两侧均通过管道与对应的气流分配通道及支腔室连通。
进一步，所述主空气管道延伸出气流分配支管，所述处于底层的水平支空气管道与气流分配支管连通，并且该水平支空气管道内的顶部和底部交替设置有扰流板。
进一步，所述烟气管道包括主烟气管道和水平支烟气管道，所述主烟气管道与所述水平支烟气管道连通，所述水平支烟气管道上布置有多个烟气口，所述多个烟气口的通流截面积自靠近主烟气管道的一端至远离主烟气管道的一端逐渐增大。
进一步，所述主空气管道与气流分配支管的连接处设置有流量调节阀。
进一步，所述处于顶层的水平支空气管道上的各个空气喷口尺寸和处于中层的水平支空气管道上的各个空气喷口尺寸一一对应相同。
进一步，所述处于顶层的水平支空气管道上的空气喷口与处于中层的水平支空气管道上的空气喷口关于气流分配腔对称布置。
本发明的有益效果：
本发明的一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，包括预热空气管道和烟气管道，所述预热空气管道包括主空气管道和多层水平支空气管道，所述水平支空气管道上布置有多个空气喷口，所述主空气管道延伸出气流分配腔，所述气流分配腔包括主腔室以及上下对称布置在主腔室一侧的支腔室，所述主腔室的上下侧对称设置有折弯挡板，所述上侧的折弯挡板与主腔室顶部之间、下侧的折弯挡板与主腔室底部之间均形成气流分配通道，所述两块折弯挡板的自由端之间的间隙形成气流分配孔，所述气流分配孔与气流分配通道及支腔室均连通；所述处于上层的水平支空气管道以及处于中层的水平支空气管道关于气流分配腔对称布置，并且二者的两侧均通过管道与对应的气流分配通道及支腔室连通。本申请的气体管道结构，提高了空气喷口流量的均匀性，改善了炉内气体燃烧的流场和温度场，从而提高天然气的燃尽程度，释放更多热量，增大系统热效率。更加具体来说，本申请的优点体现在如下方面：
1.通过设置折弯挡板，在主腔室中形成气流分配通道，这不仅使得气体流量分配到各个水平支空气管道形成较好的对称性，有效避免了原结构流量不均的问题，而且可以改善同一根水平支空气管道两端进气的均匀性，从而提高了同一根水平支空气管道上空气喷口流量的均匀性。
2.通过设置扰流板，在处于底层的水平支空气管道的各个空气喷口附近形成涡流，有效提高了空气喷口流量的均匀性。
3.通过设计烟气口尺寸，可有效消除由于靠近主烟气管道一端风机抽力大导致的烟气流量不均匀问题，且能有效改善烟气口各气体成分浓度的均匀性。
4.通过在主空气管道和气流分配支管的连接处设置流量调节阀，可以控制进入底层水平支空气管道的气体流量，消除了由于在主空气管道与气流分配主腔室连接处设置折弯挡板所导致的主空气管道内气流分界点上升，引起进入底层水平支空气管道流量过大的问题，并能够避免由于增加扰流板而导致的沿程阻力与压头损失增加所引起的空气喷口流速、流量降低等不利现象，有利于提升各水平空气管道流量的均匀性。
5.通过重新设计空气喷口的尺寸，使得通过空气喷口进入的空气流量均匀，气体流场分布合理，有利于炉内天然气充分燃烧，产生有利于生产的炉内温度场。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1是现有气体管道结构示意图；
图2是本发明优选实例公开的新型气体管道结构示意图；
图3是本发明优选实例公开的预热空气管道示意图；
图4是本发明优选实例公开的预热空气管道剖面图；
图5是本发明优选实例公开的烟气管道示意图；
图6是现有的预热空气管道内气体速度矢量图；
图7是现有的各空气喷口截面的速度矢量图；
图8是新型气体管道结构与原有气体管道结构空气喷口流量对比结果图；
图9是各烟气口中CH4、CO2、CO和O2等化学组分的体积分数分布图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，为现有气体管道结构示意图，用于与本发明优选实例公开的新型气体管道进行对比，更加直观地体现本发明的优势特征。
如图2所示，本发明实施公开了一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，包括预热空气管道1和烟气管道2。如图3所示，所述预热空气管道包括主空气管道3和多层水平支空气管道4，所述水平支空气管道上布置有多个空气喷口5，所述主空气管道延伸出气流分配腔，所述气流分配腔包括主腔室6以及上下对称布置在主腔室一侧的支腔室7。
如图4所示，a-g为空气流通方向，所述主腔室的上下侧对称设置有折弯挡板8，所述上侧的折弯挡板与主腔室顶部之间、下侧的折弯挡板与主腔室底部之间均形成气流分配通道9，所述两块折弯挡板的自由端之间的间隙形成气流分配孔10，所述气流分配孔与气流分配通道及支腔室均连通；所述处于上层的水平支空气管道以及处于中层的水平支空气管道关于气流分配腔对称布置，并且二者的两侧均通过管道与对应的气流分配通道及支腔室连通。如a所示，空气在风机的作用下进入预热空气管道；如b所示，一部分空气由主空气管道经过气流分配腔；如c所示经由气流分配孔进入气流分配通道和支腔室中；如d所示，再通过管道进入水平空气支管道。在折弯挡板的作用下，进入主腔室的空气被均匀地分配到水平空气支管道。
所述主空气管道延伸出气流分配支管11，所述处于底层的水平支空气管道与气流分配支管连通，并且该水平支空气管道内的顶部和底部交替设置有扰流板12。所述主空气管道与气流分配支管的连接处设置有流量调节阀13。如e、f、g所示，进入预热空气管道的另一部分空气，经过流量调节阀，进入气流分配支管，再进入到处于底层的水平支空气管道。流量调节阀可以控制进入气流分配支管的气体流量大小，从而保证进入底层的水平支空气管道的气体流量满足工艺需求。如图3所示，所述顶层的水平支空气管道上设置有顶层第一空气喷口15、顶层第二空气喷口16、顶层第三空气喷口17和顶层第四空气喷口18；所述中层的水平支空气管道上设置有中层第一空气喷口19、中层第二空气喷口20、中层第三空气喷口21和中层第四空气喷口22；所述底层的水平支空气管道上设置有底层第一空气喷口23、底层第二空气喷口24、底层第三空气喷口25和底层第四空气喷口26。所述处于顶层的水平支空气管道上的各个空气喷口尺寸和处于中层的水平支空气管道上的各个空气喷口尺寸一一对应相同，所述处于顶层的水平支空气管道上的空气喷口与处于中层的水平支空气管道上的空气喷口关于气流分配腔对称布置。
如图5所示，所述烟气管道包括主烟气管道27和水平支烟气管道28，所述主烟气管道与所述水平支烟气管道连通，所述水平支烟气管道上设置有第一烟气口29、第二烟气口30、第三烟气口31和第四烟气口32，各烟气口的通流截面积自靠近主烟气管道的一端至远离主烟气管道的一端逐渐增大。
各空气喷口和各烟气口的气体流量大小与其通流截面积呈正相关性，因此对其通流截面积进行区别设计，以产生较均匀的气体分布效果。差异化的通流截面积，一方面可以避免有的空气喷口流速过大，冲刷塔盘；另一方面也可以避免有的空气喷口流速太小，导致天然气燃烧不充分，以至部分区域温度偏低，不利于生产的问题；同时还可以使烟气浓度均匀性获得较大改善，间接提高燃烧室内温度分布的均匀性。
效果分析：
对原有气体管道结构进行数值仿真计算，分析其流场信息。如图6所示，为预热空气管道内气体速度矢量图，可知进入管道内的空气具有斜向下的分速度，导致虚线框中标注的管道气体流速很小，而其对侧管路的气体流量较大，由此导致了部分空气喷口气体流量极小的现象。
如图7所示，为各空气喷口截面的速度矢量图，a1截面为顶层的水平支空气管道截面，下设1号至4号分别为顶层第一空气喷口至顶层第四空气喷口，a2截面为中层的水平支空气管道截面，下设1号至4号分别为中层第一空气喷口至中层第四空气喷口，a3截面为底层的水平支空气管道截面，下设1号至4号分别为底层第一空气喷口至底层第四空气喷口，可见在各空气喷口处气体速度分布不均，在某些空气喷口存在气体速度很小的情况，而在某些空气喷口气体速度过大，会出现冲刷塔盘的情况。
如图8所示，为本申请的新型气体管道结构与原有气体管道结构空气喷口流量对比结果图，上部分对应原有气体管道结构，下部分对应本申请的新型气体管道结构，其中air-1-1至air-1-4分别为顶层第一空气喷口至顶层第四空气喷口的流量比例，air-2-1至air-2-4分别为中层第一空气喷口至中层第四空气喷口的流量比例，air-3-1至air-3-4分别为底层第一空气喷口至底层第四空气喷口的流量比例，可见本申请的新型气体管道结构中空气喷口与烟气口的流量均匀性得到了显著提升，可以获得更加均匀地气体流量。
如图9所示，为各烟气口中CH4、CO2、CO和O2等化学组分的体积分数分布图，smoke-1至smoke-4分别对应第一烟气口至第四烟气口，可知本申请的新型气体管道结构应用于燃烧过程中，各烟气口内各气体成分的比例分配较为均匀，通过对各烟气口中各气体成分的体积分数计算标准差，对比原有结构，本申请的新型气体管道结构中各气体成分的标准差均较小，这表明各烟气口各气体成分的浓度均匀性也获得了较大改善。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，包括预热空气管道(1)和烟气管道(2)，所述预热空气管道包括主空气管道(3)和多层水平支空气管道(4)，所述水平支空气管道上布置有多个空气喷口(5)，其特征在于：所述主空气管道延伸出气流分配腔，所述气流分配腔包括主腔室(6)以及上下对称布置在主腔室一侧的支腔室(7)，所述主腔室的上下侧对称设置有折弯挡板(8)，所述上侧的折弯挡板与主腔室顶部之间、下侧的折弯挡板与主腔室底部之间均形成气流分配通道(9)，所述两块折弯挡板的自由端之间的间隙形成气流分配孔(10)，所述气流分配孔与气流分配通道及支腔室均连通；所述处于上层的水平支空气管道以及处于中层的水平支空气管道关于气流分配腔对称布置，并且二者的两侧均通过管道与对应的气流分配通道及支腔室连通；
所述主空气管道延伸出气流分配支管(11)，所述处于底层的水平支空气管道与气流分配支管连通，并且该水平支空气管道内的顶部和底部交替设置有扰流板(12)；
所述烟气管道包括主烟气管道(27)和水平支烟气管道(28)，所述主烟气管道与所述水平支烟气管道连通，所述水平支烟气管道上布置有多个烟气口(14)，所述多个烟气口的通流截面积自靠近主烟气管道的一端至远离主烟气管道的一端逐渐增大；
所述主空气管道与气流分配支管的连接处设置有流量调节阀(13)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，其特征在于：所述处于顶层的水平支空气管道上的各个空气喷口尺寸和处于中层的水平支空气管道上的各个空气喷口尺寸一一对应相同。
3.根据权利要求2所述的一种适用于塔式锌精馏炉的均匀喷口流量的气体管道结构，其特征在于：所述处于顶层的水平支空气管道上的空气喷口与处于中层的水平支空气管道上的空气喷口关于气流分配腔对称布置。
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