مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی احتراق همزمان زیست‌توده‌کنسانتره‌های سولفیدی و تولید آلاینده‌ها در کوره فلش ذوب مس

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
چکیده
احتراق همزمان زیست‌توده و سوخت‌های فسیلی در کوره‌های صنعتی روشی مناسب برای کاهش اثرات زیست‌محیطی ناشی از فعالیت بشر، با سرمایه‌گذاری قابل قبول است. در این مقاله نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی احتراق همزمان کنسانتره‌های سولفیدی و سه سوخت کمکی شامل گازوئیل، نفت و زیست‌توده خاک‌اره در کوره فلش ذوب مس با هم مقایسه شده‌اند. برای مدل‌سازی جریان آشفته و فرآیند احتراق به ترتیب از مدل‌های RNG,k-ε و تابع چگالی احتمال (pdf) استفاده شده است. این مطالعه با هدف بررسی توزیع دمای کوره و آلاینده‌های احتراقی انجام شده است. نتایج شبیه‌سازی عددی نشان می‌دهد که دمای شعله حاصل از احتراق گازوئیل و خاک‌اره به عنوان سوخت کمکی به ترتیب بیشترین و کمترین مقدار را دارد. وجود نیتروژن در ترکیب شیمیایی خاک‌اره منجر می‌شود در احتراق زیست‌توده علی‌رغم دمای پایین شعله، کسر جرمی آلاینده‌ NOx افزایش می‌یابد. همچنین در احتراق خاک‌اره با وجود اکسیژن زیاد، مقدار تولید آلاینده‌های‌ گوگردی SO۲ در نواحی دما بالای کوره و SO۳ در نواحی دما پایین مشعل سوخت کمکی افزایش می‌یابند. زیرا SO۲ در دماهای نسبتاً بالا (K۱۲۷۳>) و در شرایط غنی از اکسیژن و گونه SO۳ در دماهای نسبتاً پایین با وجود اکسیژن اضافی تشکیل می‌شود. مقدار تولید آلاینده CO در احتراق خاک‌اره نسبت به مقدار حاصل از احتراق گازوئیل و نفت بسیار ناچیز است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Simulation of Co-Firing of Biomass-Sulfide Concentrate and Pollutants Formation in the Flash Furnace Copper Smelting

نویسندگان English

N. Rajabi
M. Moghiman
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

Co-firing of biomass and fossil fuels in industrial furnaces is a suitable way to reduce the environmental impact from human activities, with acceptable investment. In this paper, the results of numerical simulation co-firing of sulfide concentrates and three auxiliary fuels including gasoil, kerosene and sawdust biomass are compared in the flash furnace copper smelting. For modeling of turbulent flow and combustion, RNG, k-ε model and probability density function model (pdf) have been used, respectively. This study has been carried out to investigate the furnace temperature and combustion pollutants distribution. The numerical simulation results show that the flame temperature resulting from the combustion of diesel fuel and sawdust as auxiliary fuel is the highest and lowest, respectively. In biomass combustion, despite that the flame temperature is low, but the NOx mass fraction increases because there is nitrogen in the sawdust chemical composition. Also in sawdust combustion that the oxygen content is high, the SO2 and SO3 sulfur pollutants increase in the high temperatures regions of the furnace and the lower temperature of the auxiliary fuel burner, respectively. Because SO2 is formed at high temperatures (> 1273K) and oxygen-rich and SO3 species is produced at relatively low temperatures with excess oxygen. The amount of CO emissions in sawdust combustion is much lower than the amount of combustion of diesel and oil.

کلیدواژه‌ها English

Biomass
Flash Furnace
Co-firing
pollutants
combustion
Barmina I, Valdmanis R, Zake M. The effects of biomass co-gasification and co-firing on the development of combustion dynamics. Energy. 2017;146:4-12. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2017.04.140]
Beagle E, Belmont E. Technoeconomic assessment of beetle kill biomass co-firing in existing coal fired power plants in the Western United States. Energy Policy. 2016;97:429-438. [Link] [DOI:10.1016/j.enpol.2016.07.053]
Agbor E, Oyedun AO, Zhang X, Kumar A. Integrated techno-economic and environmental assessments of sixty scenarios for co-firing biomass with coal and natural gas. Applied Energy. 2016;169:433-449. [Link] [DOI:10.1016/j.apenergy.2016.02.018]
Peña B, Bartolomé C, Gil A. Analysis of thermal resistance evolution of ash deposits during co-firing of coal with biomass and coal mine waste residues. Fuel. 2017;194:357-367. [Link] [DOI:10.1016/j.fuel.2017.01.031]
Priyanto DE, Ueno S, Sato N, Kasai H, Tanoue T, Fukushima H. Ash transformation by co-firing of coal with high ratios of woody biomass and effect on slagging propensity. Fuel. 2016;174:172-179. [Link] [DOI:10.1016/j.fuel.2016.01.072]
Pérez-Jeldres R, Cornejo P, Flores M, Gordon A, García X. A modeling approach to co-firing biomass/coal blends in pulverized coal utility boilers: Synergistic effects and emissions profiles. Energy. 2017;120:663-674. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2016.11.116]
Shirneshan A, Jamalvand H. Numerical investigation of combustion of biomass, methane, and gasoil fuels and emissions from a furnace chamber. Energy and Policy Research. 2016;3(1):19-26. [Link] [DOI:10.1080/23317000.2015.1135303]
Zaim EH, Mansouri SH. A new mathematical model for copper concentrate combustion in flash smelting furnaces. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. 2017;231(2):119-130. [Link] [DOI:10.1177/0954408915577545]
Li Xf, Mei C, Xiao T. Numerical modeling of Jinlong CJD burner copper flash smelting furnace. Journal of University of Science and Technology Beijing. 2002;9(6):417-421. [Chinese] [Link]
Ahokainen T, Jokilaakso A. Numerical simulation of the outokumpu flash smelting furnace reaction shaft. Canadian Metallurgical Quarterly. 1998;37(3-4):275-283. [Link] [DOI:10.1179/cmq.1998.37.3-4.275]
Jorgensen FRA, Koh PTL. Combustion in flash smelting furnaces. JOM. 2001;53(5):16-20. [Link] [DOI:10.1007/s11837-001-0201-x]
Wan Azlina WKG, Gabriel DS, Azil Bahari A. Physico-chemical characterizations of sawdust-derived biochar as potential solid fuels. The Malaysian Journal of Analytical Sciences. 2014;18(3):724-729. [Link]
Solnordal CB, Jorgensen FRA, Koh PTL, Hunt A. CFD modelling of the flow and reactions in the Olympic Dam flash furnace smelter reaction shaft. Applied Mathematical Modelling. 2006;30(11):1310-1325. [Link] [DOI:10.1016/j.apm.2006.03.017]
ANSYS. ANSYS fluent theory guide [Internet]. Canonsburg: ANSYS Inc; 2011 [Unknown cited]. Available from: Not Found. [Link]
Moghiman M, Javadi M, Moghiman AR, Baghdar Hosseini S. A numerical study on thermal dissociation of H2S. International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering. 2010;4(2):244-249. [Link]
Javadi M, Moghiman M. Hydrogen and carbon black production from thermal decomposition of sub-quality natural gas. International Journal of Spray and Combustion Dynamics. 2010;2(1):85-101. [Link] [DOI:10.1260/1756-8277.2.1.85]
Hahn YB, Sohn HY. Mathematical modeling of sulfide flash smelting process: Part I. Model development and verification with laboratory and pilot plant measurements for chalcopyrite concentrate smelting. Metallurgical Transactions B. 1990;21(6):945-958. [Link] [DOI:10.1007/BF02670265]