Numerical simulation and parameter optimization of oxygen bottom blowing smelting process
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摘要: 采用数值模拟方法，分别研究熔池深度、气体流量、氧枪倾角、氧枪直径等参数变化对熔池气含率、熔体平均速度和平均湍动能的影响.结果表明：当熔池深度为1.3~1.5 m时，熔池内部气液两相搅拌强烈，气含率存在较大值为17.5 %，熔池处于较好的运动状态；气含率、熔体平均速度和平均湍动能随气体流量的增加呈现先减小后增大趋势，选取适宜气体流量为0.6~0.7 kg/s；熔池气含率随氧枪倾角的逐渐增大先增大后减小，而熔体平均运动速度和平均湍动能呈现先减小后增大趋势，选取适宜氧枪倾角为20°~25°；氧枪直径为30~35 mm时，熔池气含率和平均湍动能处于较大值，约为13 %和0.8 m2/s2，熔池处于较好的运动状态.Abstract: Using numerical simulation method, the influences of bath depth, gas flow and oxygen lance inclination, as well as lance diameter on gas holdup, melt average velocity and turbulent kinetic energy are studied respectively. The results show that, when the bath depth is around 1.3~1.5 m, the gas-liquid phase in the bath is agitated strongly and the bigger bath gas rate is 17.5 %. The bath motion is in the better state. With the gas flow increasing, the bath gas rate, melt average velocity and average turbulent kinetic energy decrease firstly, and then increase. The optimal parameter is in the range of 0.6~0.7 kg/s. The bath gas rate increases first and then decreases as oxygen lance inclination increases, while the melt average velocity and average turbulent kinetic energy decrease first and then increase. The proper parameter is in the range of 20°~ 25°.When the lance diameter is in the range of 30~35 mm, there exist bigger values for bath gas rate and turbulent kinetic energy which are 13 % and 0.8 m2/s2 respectively. At this moment, the bath motion is in the better state.
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0 前言
砷是一种有毒元素，它可以通过食物、饮水或皮肤接触进入人体，在肝、肾、骨骼、毛发等器官或组织内蓄积，从而引起砷中毒.在地下水中的存在形式有H2AsO4-、HAsO42-、H3AsO3和H2AsO3-.砷的毒性与它的形态有关，其中三价砷的毒性比五价砷和单质砷高[1-3].目前含砷废水的处理方法主要有[4-8]:沉淀法、离子交换法、氧化法、电解法和生物法等，但均存在处理效率低、费用高和易引起二次污染等缺点.
生物吸附法是目前处理重金属废水的一种行之有效的方法，特别是对于低浓度废水，其优势显著，而且可达到以废治废的目的.丰富的天然物质或者工农业生产的废弃物，也被认为是具有相当潜力的生物吸附剂，例如谷壳[9]，稻杆[10].麦糟是啤酒产业的主要副产物，有研究[11]表明麦糟含有大量的功能基团，如羟基、羧基、仲酰胺基等易与金属离子配合可用于去除重金属离子.目前已有关于麦糟处理含重金属镉、钴、铜、铅废水的研究报道[11-12].
微波技术是一种新型的热处理技术，其在环境污染控制领域已得到广泛的应用.罗峥等[13]研究发现，微波改性粉煤灰对含铬废水的吸附容量比未改性的高很多.本论文以可持续发展的思想为指导，以废治废，采用微波改性麦糟作为吸附剂对低浓度含砷水进行试验研究.
1 实验材料
1.1 吸附剂的制备
麦糟取自赣州某啤酒厂，将其用蒸馏水洗净，晒干，在80 ℃的条件下将其烘干，将烘干后的麦糟用研钵碾碎，通过198 μm筛子作为未改性麦糟，待用.
1.2 模拟含砷水的配制
准确量取1 mL的砷标准溶液[As (Ⅲ), 1 g/L]于1 000 mL容量瓶中，摇匀后加入2 mL浓盐酸，加入蒸馏水定容，置于冰箱中避光保存，待用.配制的模拟含砷水浓度为1 mg/L.
1.3 水质分析方法
溶液中砷含量的测定:二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法.
2 实验结果与讨论
2.1 微波改性麦糟对除砷效果的影响
室温下，配制0.5 mg/L的含砷水50 mL，调节pH值至7，分别加入0.5 g未改性和微波改性麦糟，反应30 min，过滤后测定滤液中的砷含量，其结果如图 1所示.
由图 1可以看出，在相同的试验条件下，与未改性的麦糟相比，微波改性麦糟的吸附效果有了很大的提高，主要是由于微波具有加热性和穿透性，能使麦糟受热均匀，且当其透入麦糟时，能对麦糟产生深层加热作用，将麦糟结构中的结合水蒸发，空隙率增大.
2.2 微波强度对改性麦糟除砷效果的影响
室温下，配制0.5 mg/L的含砷水50 mL，调节pH值至7，分别加入0.5 g不同微波强度改性的麦糟，其改性时间均为5 min，反应30 min，过滤后测定滤液中的砷含量，其结果如图 2所示.
由图 2可以看出，随着微波强度的增大，改性麦糟对砷的去除率呈下降趋势，可能是高微波强度下，麦糟温度迅速上升，过高的温度使麦糟中有利于吸附砷的结构被破坏.因此后续试验中采用低火微波改性麦糟作为后续实验的处理剂.
2.3 微波改性时间对改性麦糟除砷效果的影响
室温下，配制0.5 mg/L的含砷水50 mL，调节pH值至7，分别加入0.5 g低火强度下不同微波改性时间的麦糟，反应30 min，过滤后测定滤液中的砷含量，其结果如图 3所示.
由图 3可以看出，随着微波时间的延长，前7 min内改性麦糟对砷的去除率逐渐增大.超过7 min，微波时间延长，去除率反而降低.这可能是由于微波时间的延长导致麦糟的空隙增加，而太长的微波时间却可能破坏麦糟内部的结构，从而不利于砷的吸附.因此后续实验中采用低火微波改性时间为7 min.
2.4 pH值对改性麦糟除砷效果的影响
室温下，配制0.5 mg/L的含砷水50 mL，调节pH值至4、5、6、7、8、9、10、11、12，分别加入低火微波改性时间为7 min的改性麦糟0.5 g，反应30 min，过滤后测定滤液中的砷含量，其结果如图 4所示.
由图 4可以看出随着pH值的升高，砷的去除率基本呈现一个先升高后下降的趋势，在pH值为9时去除率最高，达到92.52 %.pH对改性麦糟除砷效果的影响一方面与麦糟表面官能团有关[14-15]:即在较低pH值下，溶液中的氢离子会结合麦糟表面的羟基，而使吸附位点减少，而且在低pH值时，羧基会被离解，因此也不利于麦糟与砷的结合；另一方面与砷在溶液中的存在形态有关，不同形态砷的化合物在溶液中很不稳定，会随着溶液的pH值、氧化还原电位等因素的变化而相互转化迁移.具体存在形式如图 5所示[16].
由图 5可知，在低pH值时，三价砷以H3AsO3分子形态存在，在pH值为7时才开始出现H2AsO3-离子形态.由于三价砷随着pH值的升高逐渐由分子形态转化为离子形态，且各离子转化速度较慢.所以砷的去除率也随着pH的升高而升高.而在高pH值环境下，去除率出现下降的趋势，这可能是由于麦糟在碱性较高的环境下，其内部的结构及官能团遭到破坏，所以导致去除率下降.所以综合考虑选择pH值为9作为后续试验溶液的pH.
2.5 反应时间对除砷效果的影响
室温下，配制0.5 mg/L的含砷水50 mL，调节pH值至9，分别加入0.5 g改性麦糟，改变反应时间，过滤后测定滤液中的砷含量，其结果如图 6.由图 6可知，砷去除率随着时间的延长而增强，当时间超过35 min，其去除率基本保持不变.这说明吸附已达到平衡.
准二级速率方程常被用来描述吸附过程中的反应动力学，其描述为:
(1) 式(1)中:q:t时刻的吸附量，mg/g；qe:平衡时刻吸附量，mg/g；t:时间，min；K2:二级吸附速率常数，g/(mg·min).
通过t/q对t作图结果如图 7所示.
从图 7可以看出，t/q-t图的相关系数R2较高，为0.9488.这表明准二级速率方程可以描述微波改性麦糟对砷的吸附动力学行为，速率常数K2=0.5845 g/(mg·min).
3 结论
实验结果表明:对麦糟进行微波改性后，其除砷性能比未改性麦糟大大提高，且最佳改性条件为低火强度下改性7 min.对初始浓度为0.5 mg/L的含砷水，当pH值为9，微波改性麦糟投加量为10 g/L时，可在35 min达到吸附平衡，最高去除率达到99.4 %.
微波改性麦糟对砷的吸附动力学行为符合准二级方程.采用毒性特征浸取实验(Toxicity Characteristics Leaching Procedure, TCLP)对吸附含砷水后的废麦糟生物吸附剂样品进行环境健康风险性的评估，得到的TCLP的试验数据与《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)中《生活垃圾焚烧飞灰和一般工业固体废物进入生活垃圾填埋场的污染控制指标限值》相比可知，本试验中净化过的含砷水的废麦糟可用于填埋场进行填埋处置.结合麦糟的特性，也可将麦糟稳定化固化处理后作为吸声材料.
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图 6 不同熔池深度下熔池气含率、熔体平均速度、平均湍动能变化趋势
Fig 6. Changing trends of gas holdup, average velocity and turbulent kinetic energy at various bath depths
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图 7 不同气体流量下熔池气含率、熔体平均速率、平均湍动能变化趋势
Fig 7. Changing trends of gas holdup, average velocity and turbulent kinetic energy at variousgas flows
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图 8 不同氧枪角度下熔池气含率、熔体平均速率、平均湍动能变化趋势
Fig 8. Changing trends of gas holdup, average velocity and turbulent kinetic energy at various oxygen lance inclinations
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图 9 不同氧枪直径下熔池气含率、熔体平均速度、平均湍动能变化趋势
Fig 9. Changing trends of gas holdup, average velocity and turbulent kinetic energy at various oxygen lance diameters
表 1 熔炼炉内铜锍和气体物性参数
Table 1 Property parameters of melt and gas in smelting furnace
物质 密度
/(kg·m-3)比热容
/(J·kg-1·K-1)粘度
/(Pa·S)表面张力
/(N·m-1)热导率
/(W·m-1·K-1)铜锍 4600 628 0.004 0.33 3 气体 1.225 952 1.9×10-5 / 0.0245 注：“/”指未测定该值. 
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