U形炉操作参数正交试验法优化.DOC

1、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（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；

2、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 experimentAI Yuanfang1, ZHOU Rui1, PatimaKezierya1(1. School of Energy Science numerical simulation; orthogonal experiment; parameter optimizationU 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

3、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

4、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， CaCO3、MnO 2 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基金项目：浙江省 2009 年重大科技专项和优先主题项目：废线路板超高温资源化处置系统研究与产业 化 （ 2009C03007-5）通 讯 作 者 ： 艾 元 方 (1968-)， 男 ， 湖 南 邵 阳 人 ， 博 士 ， 副 教 授 ， 从 事 可 控 燃 烧 反

5、 应 技 术 研 究 ； 电 话 ： 13574170397； E-mail： Comment L1: 请核实.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

6、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 90m、109m、120m、150m 和 250m。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5.2210 6 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 0.6

7、8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 boards1.1 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。项目（收到基） 符号 数据挥发分含量 V 28.65

8、%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/kgComment L2: 不清楚, 请修改.（已修改）(a) 俯视图 (b) 剖视图图 1 计算域网格视图Fig.1 Grid view of the computational domain1.2 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

9、反应方程挥发分燃烧 224air0.62.0482.1659 Br0.8SO.NH3COBSN 热解气燃烧H2+0.5O2=H2O、CO+0.5O 2=CO2、CH4+2O2 =2H2O+CO2、CO 2=CO+0.5O2焦炭燃烧 C+0.5O2=CO、 C+CO2 =2CO2Al粉表面燃烧 Al+0.75O2=0.5Al2O31.2.2 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 P1模型。1.3 模型验证现场实验装置和测

10、试点分布如图 2。Comment L3: 不清楚, 请修改.（已修改）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

11、 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% -5.26SO2 325mg/m3 316mg/m3 +2.85NO 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

12、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 116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/m1 353 14 1.2 902 353 18 1.4 1093 353 21 1.6 1524 353 27 1.8 2505 673 14 1.4 1526 673 18 1.2 2507 673 21 1.8 908 673 27 1.

13、6 1099 973 14 1.6 25010 973 18 1.8 15211 973 21 1.2 10912 973 27 1.4 9013 1273 14 1.8 10914 1273 18 1.6 9015 1273 21 1.4 25016 1273 27 1.2 1522.2 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/ %C

14、O燃烬率/mg.m-3SO2/mg.m-3Br2/mg.m-34.31 100 18.11 33.33 1333.106.72 100 23.07 41.62 1664.959.51 99.21 30.64 53.01 2120.5615.93 56.45 34.96 104.01 4158.736.22 90.1 8.65 33.61 1344.478.18 54.67 12.79 55.07 2202.778.93 100 7.68 48.62 1944.6710.10 100 12.51 68.66 2746.389.05 35.58 0.16 38.15 1526.429.07 95.

15、34 7.32 41.49 1659.725.69 100 5.75 50.41 2018.118.59 100 5.67 67.18 2687.487.25 99.85 0.36 29.19 1167.777.96 100 0.26 42.29 1691.61Comment L4: 图 3中的各图都不清楚,无法印刷.请修改 .（已修改）9.67 75.49 0.24 60.35 2413.997.11 100 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

16、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（主次）出口烟气含氧浓度 C B D A焦炭燃烬率 D B A CCO燃烬率 A B D C污染气体排放 B D A C图 3为各因素对不同指标的关系图，结合表 7可知：4 个指标因素的最佳工况都具有较高的空气预热温度、较低的空气含氧量、较低的过剩空气系数和较小的颗粒粒径。(a) 出口烟气含氧浓度 (b) 焦炭燃烬率 (c) C

17、O燃烬率 (d) 污染气体排放图 3 各因素对不同指标的关系图Fig.3 The relation schema of different factors on different indicators3 优化工况和设计工况对比将上文每个设计工况的最优指标综合，得到优化工况，仿真计算后发现：沉淀池出口烟气含氧浓度减小，说明气、粒混合完全，反应充分。优化工况和设计工况的结果对比见表 8。表 8 各最佳工况指标数据Tab.8 The best working condition index data工况 A/K B/% C D/m出口烟气含氧浓度/ %焦炭燃烬率/ %CO燃烬率/ mgm-3SO2

18、/ mgm-3Br2/ mgm-3设计工况 473 23 1.6 152 9.62 94.64 6.593e-6 65.95 2637.66优化工况 1273 14 1.2 90 4.53 100 0.402 34.47 1378.973.1 温度场对比分析设计工况和优化工况的炉内气相温度分布云图如图 4。可以看出：优化工况气相温度升高迅速，炉内温度分布均匀，有效增加废线路板颗粒焚烧冶炼区域长度，提高冶炼效率。(a) 设计工况 (b) 优化工况图 4 炉内温度分布Fig.4 Furnace temperature distribution3.2 氧浓度对比分析设计工况和优化工况的炉内氧浓度分布

19、云图如图 5。可以看出：优化工况喷嘴下方氧浓度较高，红色区域明显缩短，在高空气预热温度的作用下，炉内升温迅速，挥发分析出加快。(a) 设计工况 (b) 优化工况 图 5 炉内 O2 浓度分布Fig.5 O2 concentration distribution in furnace3.3 离散相对比分析设计工况和优化工况的炉内废线路板颗粒轨迹温度分布云图如图 6。可以看出：优化工况喷嘴下方低温区域明显缩短，气相温度升高较快，消毒塔内未燃尽颗粒减少。（a）设计工况 （b）优化工况图 6 颗粒温度分布云图Fig.6 Particle temperature distributional profi

20、le4 结论1) 优化工况出口烟气含氧浓度降低说明炉内氧气利用率提高；焦炭燃烬率提高说明废线路板颗粒燃烧反应更完全；高温低氧燃烧反应氛围抑制了污染物（SO 2 和 Br2）生成。2) 影响出口烟气含氧浓度的主要因素是过剩空气系数；影响焦炭燃烬率的主要因素是颗粒粒径；影响 CO 燃烬率的主要因素是空气预热温度；影响污染物排放的主要因素是颗粒粒径。3) 在实际可操作范围内，U 形废线路板焚烧冶炼炉空气预热温度、空气含氧量、过剩空气系数和颗粒粒径的最优方案是：空气预热温度越高越好，空气含氧量、过剩空气系数和颗粒粒径越小越好。4) 增加正交试验方案的水平数或缩小水平数取值范围可能会使分析结果更精确。参

21、考文献1 Jess A, Estrada A, Ramzy K. Decision factors for ewaste in Northern Mexico: To waste or tradeJ. Resources, Conservation and Recycling, 2014, 86: 93106.2 RUAN Jujun, QIAN Yiming, XU Zhenming. Environmentfriendly technology for recovering nonferrous metals from ewaste: Eddy current separationJ. R

22、esources, Conservation and Recycling, 2014, 87: 109116.3 LI Qinghai, MENG Aihong, JIA Jinyan, et al. Investigation of heavy metal partitioning influenced by flue gas moisture and chlorine content during waste incinerationJ. Journal of environmental sciences(China), 2010, 22(5): 760768 .4 Mazza G. No

23、nisothermal particle modeling of municipal solid waste combustion with heavy metal vaporizationJ. Combustion & Flame, 2010, 157(12): 23062317 .5 WEI Likun, HUANG Xuxiong, HUANG Zhenzheng, et al. Orthogonal test design for optimization of lipid accumulation and lipid property in Nannochloropsis ocula

24、ta for biodiesel productionJ. Bioresource Technology, 2013, 147: 534538 .6 Martin T M, YU Ying, CUI ZhiQin, et al. Optimization and orthogonal design of an ultrasonicassisted aqueous extraction process for extracting chlorogenic acid from dry tobacco leavesJ. Chinese Journal of Natural Medicines, 20

25、12, 4(10): 311320.7 ZHOU Tian. Numerical simulation of flow regions in red mud separation thickeners feedwell by analysis of residencetime distributionJ. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(4): 11171124.8 GAO Jie, YIN Jun, ZHU Feifei, et al. Orthogonal test design to optimiz

26、e the operating parameters of a hybrid solvent MEAMethanol in an absorber column packed with three different packing: Sulzer BX500, Y500 and Pall rings 1616 for post-combustion CO2 captureJ. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2016, 68: 218223.9 彭其春, 周飞, 陈永金, 等. 强化煤粉燃烧的混合添加剂的正交实验分

27、析J. 武汉科技大学学报(自然科学版), 2007, 30(5): 461464.10 周俊, 陈卓 , 谢德成, 等. 基于正交试验闪速熔炼过程操作参数的优化 J. 中国有色金属学报, 2013, (10): 29772984.11 陈卓, 毛永宁 , 赵荣升, 等. 闪速炉熔炼配风对反应过程的影响J. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(2): 730737.12 CHEN Zhuo, WANG Yunxiao, ZHOU Jun, et al. Simulation study of intensified flash smelting processC. Copper Ha

28、mburg, Germany: DGBM, 2010: 13131323.13 李永华. 低 NOx 旋流燃烧器改造数值模拟J. 动力工程学报, 2014, 34(04): 79.14 ZHOU Jun, CHEN Zhuo, ZHOU Ping, et al. Numerical simulation of flow characteristics in settler of flash furnaceJ. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, (6):15171525.15 Hlcio V J, Susan S. Generating and improving orthogonal designs by using mixed integer programmingJ. European Journal of Operational Research, 2011, 215(3): 629638.