干煤粉加壓氣化爐對流廢熱鍋爐內(nèi)多相流場和溫度場的數(shù)值模擬

張傳美， 金 晶， 張 號， 蔣 杰， 高文靜， 董 振

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海200093）

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）發(fā)電是當(dāng)今世界備受關(guān)注的一項發(fā)電技術(shù)，學(xué)者們對IGCC系統(tǒng)整體性能進行了大量研究［1］.氣化爐后的廢熱鍋爐是IGCC系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備.在廢熱鍋爐的干煤粉氣化工藝中，氣化爐出口合成氣攜帶熔渣飛出，雖已經(jīng)過激冷，但合成氣仍具有較大的顯熱（900～1 000℃），采用廢熱鍋爐對其進行熱量回收能使IGCC供電效率提高4%～5%［2］.干煤粉氣流床氣化爐出口合成氣的流速大，在廢熱鍋爐內(nèi)的停留時間短，飛灰含量雖不高，但是顆粒較細，并且廢熱鍋爐在高溫高壓無內(nèi)熱源的工況下運行，操作條件苛刻［3］，因此對其進行實驗研究非常困難，而通過數(shù)值模擬可對系統(tǒng)運行情況進行比較全面的分析.

目前，國內(nèi)外對輻射廢熱鍋爐的研究比較多見，Brooker等［4－5］對 Cool Water電站輻射廢熱鍋爐內(nèi)的積灰結(jié)渣進行了采樣分析.倪建軍等［6］對輻射廢熱鍋爐內(nèi)的多相流流動、傳熱和熔渣行為進行了數(shù)值模擬研究.然而，有關(guān)對流廢熱鍋爐的研究尚不多見，Tampa電站實際運行的結(jié)果表明，粗煤氣經(jīng)輻射廢熱鍋爐冷卻后進入對流廢熱鍋爐內(nèi)，很容易被合成氣攜帶的灰渣顆粒堵塞，從而造成鍋爐停機［7］.王婧等［8］利用Thermalflex軟件研究了對流廢熱鍋爐內(nèi)合成氣的熱物性和鍋爐嚴(yán)重積灰時對傳熱的影響.牛玉奇等［9－10］根據(jù)永城5×105t／a甲醇煤化工裝置的運行情況，分析了Shell煤氣化后合成氣冷卻器的運行情況.鑒于研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)研究對流廢熱鍋爐內(nèi)部流場、溫度場和顆粒相的分布可為高壓下對流廢熱鍋爐的設(shè)計和運行提供一定的參考.

筆者利用多組分輸運模型、多相流模型和傳熱模型對廢熱鍋爐進行數(shù)值模擬.考慮顆粒相的傳熱，運用雙向耦合模型模擬兩相之間的影響；采用隨機軌道模型計算顆粒運動軌跡；采用DO模型求解輻射傳熱對廢熱鍋爐傳熱的影響［6］，其中高壓合成氣的基本參數(shù)由對比態(tài)方法、混合法則聯(lián)合壓力成分修正方法和 Hottel的實驗數(shù)據(jù)外推得到［11－12］.

1 物理模型的建立

以某250MW IGCC示范項目為例，廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)見圖1，整體高度為30m.廢熱鍋爐內(nèi)件由最外層圓筒形膜式水冷壁和3圈螺旋盤管形膜式壁組成，內(nèi)、中、外3圈盤管形膜式壁的半徑分別為0.5 m、0.6m和0.7m；盤管形膜式壁各圈之間密封分隔，縱向分為3段，即上段受熱面、中段受熱面和下段受熱面，對應(yīng)長度分別為5m、5.5m和6m；爐內(nèi)受熱面采用懸掛式支撐方式，形成多煙道的對流廢熱鍋爐.盤管形膜式壁內(nèi)芯使廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳熱面積增大.趙振興等［13］的研究表明，在保證橫縱向節(jié)距相等時，相同換熱條件下膜式盤管的傳熱系數(shù)大于膜式蛇形管，且隨著壓力的升高和流速的增大，盤管形膜式壁的優(yōu)勢更加明顯.

圖1 高壓對流廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the high－pressure convective waste heat boiler

2 數(shù)學(xué)模型的分析

合成氣組分較多，其中CO和H2的體積分?jǐn)?shù)約為85%［14］，且高溫高壓下各組分的物理化學(xué)特性各不相同，因此采用組分輸運模型模擬各組分間的相互作用.其中連續(xù)相在歐拉坐標(biāo)系下求解，離散相由于體積分?jǐn)?shù)很小（小于10%～12%），采用DPM模型結(jié)合雙向耦合法在拉格朗日坐標(biāo)系下求解.模擬中忽略附加力，考慮顆粒的熱輻射作用.由于合成氣出口溫度為900℃，廢熱鍋爐中對流為主要換熱方式，由高壓廢熱鍋爐的熱力計算得到，對流換熱量占總換熱量的85%，而輻射換熱量僅占15%.因此在求解納維－斯托克斯方程時，對流項采用二階迎風(fēng)插值法，輻射換熱的求解采用DO模型，并對空間八分體4π空間角進行離散化.

合成氣中的熱輻射氣體CO、CO2、CH4和水蒸氣的輻射特性采用灰氣體加權(quán)和模型求解，合成氣中煤渣顆粒的輻射能力遠強于合成氣，且輻射特性與顆粒本身結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分密切相關(guān).根據(jù)Mills測得的還原性氣氛下實際煤氣化爐顆粒輻射特性值，顆粒的發(fā)射系數(shù)取0.83［15］.

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

3.1 網(wǎng)格劃分與求解設(shè)置

對流廢熱鍋爐為軸對稱圖形，對其進行1／4六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為20萬，對環(huán)隙通道和靠近受熱面的區(qū)域進行網(wǎng)格加密.內(nèi)受熱面用堵板進行封閉，氣體不經(jīng)過此區(qū)域，只有少量回流，因此網(wǎng)格尺寸相對較大并不影響計算結(jié)果.氣流在壁面處采用邊界無滑移和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法.

采用控制體積法離散微分方程和穩(wěn)態(tài)方法計算傳熱穩(wěn)定后的流場和溫度場.為提高計算精度，對流項采用二次迎風(fēng)差值，壓力耦合的求解采用基于質(zhì)量、動量和能量傳遞方程的Simple半隱式方法，壓力采用Presto離散化方法.計算分不同的階段進行：首先計算冷態(tài)氣相流場，待收斂后加載顆粒相，對氣固耦合的兩相流場進行計算，最后啟動能量方程后計算溫度場，顆粒軌道跟蹤流場計算每迭代30步更新一次，總計算步數(shù)約為20 000步.

3.2 邊界條件

該對流廢熱鍋爐合成氣側(cè)的操作壓力為3.1 MPa，管內(nèi)水蒸氣側(cè)壓力為5.1MPa，合成氣入口溫度為900℃，質(zhì)量流量為160.9t／h，各組分的體積分?jǐn)?shù)見表1，灰渣顆粒的質(zhì)量流量為6 800kg／h，粒徑分布由工業(yè)運行采樣得到，計算時采用Rosin－Rammler分布.

表1 IGCC系統(tǒng)廢熱鍋爐合成氣各組分的體積分?jǐn)?shù)Tab.1 Syngas components in waste heat boiler of IGCC system

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 流場分析

圖2給出了對流廢熱鍋爐各段受熱面入口2m處的速度分布，其中L為距離廢熱鍋爐入口的長度，x為受熱面截面的軸向長度.由圖2可知，此時氣流在環(huán)隙內(nèi)的流動趨于穩(wěn)定.由于內(nèi)圈受熱面堵板的作用，氣流的最大速度波峰右移，且外圈環(huán)隙速度最大，最大值為6m／s，與熱力計算結(jié)果（6.13m／s）相比，誤差為2.1%，中圈環(huán)隙速度次之，內(nèi)圈環(huán)隙速度最小.

圖2 3段受熱面入口2m處速度沿半徑方向的分布Fig.2 Velocity distribution along radial direction at the position 2 m away from the entrance of heating surface

圖3給出了3圈環(huán)隙和中心軸線上合成氣速度沿鍋爐高度方向的分布，其中y為高度.由圖3可知，合成氣入口速度為3.32m／s，進入環(huán)隙后，由于截面積減小，氣流速度顯著增大，在環(huán)隙內(nèi)隨著溫度的降低，合成氣的密度增大，速度有所減小.合成氣到達大空間區(qū)域后，由于截面積突然增大，合成氣速度顯著減小，以此類推，在到達灰斗之前，合成氣的速度減小為3～4m／s，且整個過程中氣流速度由外圈環(huán)隙到內(nèi)圈環(huán)隙依次減小.由圖3還可以看出，在出口大空間區(qū)域，中心軸線上有一個速度為0.5～1.3m／s的回流區(qū)，這是由不同速度的合成氣從螺旋盤管受熱面出來后在大空間內(nèi)強烈交匯所產(chǎn)生的壓力梯度引起的.在堵板擋住的區(qū)域內(nèi)，充斥著較低速度的合成氣，這部分高壓合成氣通過自身的導(dǎo)熱能力和輻射作用與管內(nèi)工質(zhì)進行熱交換.

圖3 3圈環(huán)隙內(nèi)和中心軸線上合成氣速度沿鍋爐高度方向的分布Fig.3 Velocity distribution in three circles and on central axis along boiler height direction

4.2 溫度場分析

圖4和圖5分別為3圈環(huán)隙內(nèi)合成氣溫度的軸向分布和上段受熱面出口處的溫度分布，其中z為受熱面截面的徑向長度.由上述流場分布可知，從外圈環(huán)隙到內(nèi)圈環(huán)隙，合成氣流速逐漸減小，但由圖4可知，內(nèi)圈環(huán)隙內(nèi)氣體的出口溫度卻最低，外圈環(huán)隙次之，中圈環(huán)隙最高.因此，內(nèi)圈管內(nèi)水在換熱時受到單側(cè)沖刷結(jié)構(gòu)和堵板內(nèi)部回流氣體換熱的影響，單側(cè)沖刷換熱占主導(dǎo)作用，這與楊震等［16］的結(jié)論相符，即堵板區(qū)域內(nèi)高溫高壓氣體的導(dǎo)熱能力和輻射換熱能力不可忽略.沿鍋爐高度方向，隨著合成氣輻射作用的減弱，中段受熱面和下段受熱面合成氣的出口速度逐漸接近，到達出口時速度曲線基本重合.

圖4 3圈環(huán)隙內(nèi)合成氣溫度沿鍋爐高度方向的變化Fig.4 Temperature distribution of syngas in three circles along boiler height direction

由圖5可知，上段受熱面出口合成氣溫度約為700℃（即973K），圖4中中段受熱面入口處（距離廢熱鍋爐入口11m）合成氣溫度約為610℃（即883 K）.研究表明［17］，600～700℃為 Na和 K等堿金屬結(jié)晶的重要溫度范圍，而在該對流廢熱鍋爐中，這段溫度范圍恰好出現(xiàn)在大空間區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)無環(huán)形受熱面分布，故此區(qū)域內(nèi)的氣體換熱完全由外部膜式水冷壁完成，堿金屬類物質(zhì)變成固體灰粒后被氣流帶走，防止了受熱面的積灰磨損.

圖5 上段受熱面出口處合成氣的溫度（單位：K）Fig.5 Outlet syngas temperature of upper heating surface（unit：K）

各段受熱面和膜式水冷壁的傳熱系數(shù)見表2.由表2可以看出，最小的傳熱系數(shù)是相同流速下常壓廢熱鍋爐的3倍，因此采用高壓工況可大大提高熱回收效率.但是，高壓卻促進了積灰的形成［8］，因此，解決積灰問題是保證廢熱鍋爐高效運行的首要任務(wù).

表2 3段受熱面和膜式水冷壁的傳熱系數(shù)Tab.2 Heat－transfer coefficient of three sections of heating surface and of the membrance water wall

4.3 顆粒質(zhì)量濃度分析

圖6給出了高壓下對流廢熱鍋爐各段受熱面顆粒質(zhì)量濃度ρc的變化.由6（a）可以看出，上段螺旋盤管膜式受熱面入口處由于擊打沉積，飛灰質(zhì)量濃度很大，且由于每段受熱面出口處合成氣的回流作用，飛灰被卷進堵板擋住的區(qū)域，因此堵板以下中心區(qū)域飛灰的質(zhì)量濃度也很大，達到1kg／m3，甚至更大.相比之下，中段受熱面堵板以下區(qū)域只有下半部分飛灰的質(zhì)量濃度較大（見圖6（b）），下段受熱面最下部小回流區(qū)域中的局部區(qū)域出現(xiàn)飛灰質(zhì)量濃度較大的現(xiàn)象（見圖6（c））.在合成氣入口堵板處，各段受熱面底部容易產(chǎn)生積灰和磨損，尤其是整個上段受熱面的飛灰質(zhì)量濃度最大.河南鶴壁Shell煤化工氣化廠的運行工況表明，廢熱鍋爐內(nèi)典型的結(jié)垢位置為合成氣入口處、中壓蒸汽過熱器十字架、兩段蒸發(fā)器和換熱盤管底部［10］，故筆者模擬結(jié)果與實際運行情況相近.

數(shù)值計算中對10 000個顆粒進行了示蹤統(tǒng)計，得到了顆粒的停留時間和溫度變化.結(jié)果表明，顆粒的平均停留時間為20s左右，顆粒跟隨性良好，但有些顆粒停留時間較長，達到100s，因此飛灰滯留在鍋爐內(nèi)，這也是對流廢熱鍋爐運行過程中產(chǎn)生積灰現(xiàn)象的原因.國內(nèi)外某些Shell氣化爐已出現(xiàn)合成氣冷卻器的積灰問題，積灰成為制約裝置長周期運行的最大障礙.

圖6 廢熱鍋爐3段受熱面顆粒質(zhì)量濃度的分布Fig.6 Mass concentration distribution of particles in three sections of heating surface in waste heat boiler

目前，解決積灰問題多從氣化爐的操作進行考慮：（1）為保證激冷氣進入廢熱鍋爐時能夠冷凝，100%負荷時控制激冷比≥1.1，永城項目曾有一段時間激冷比控制為0.98，廢熱鍋爐的出口溫度在24 h內(nèi)升高了8K［9］；（2）煤灰組分尤其是其中的w（SiO2）／w（Al2O3）是影響積灰的主要因素，合理配煤也是減少積灰的一種方法，大量的試驗表明，當(dāng)w（SiO2）／w（Al2O3）＜1.7 時，可 與w（SiO2）／w（Al2O3）＞2的煤種混燒［9］；（3）盡量保證氣化爐在高負荷下運行，適當(dāng)控制氧煤比和石灰石配比等［10］.根據(jù)模擬結(jié)果，若從廢熱鍋爐側(cè)入手，吹灰裝置布置尤為重要，在合成氣入口處、上段受熱面堵板擋住的區(qū)域和每段受熱面出口處要布置吹灰器和敲擊裝置，以防止積灰堵塞，否則合成氣以4倍的正常流速通過換熱器，會使換熱管的振動頻率達到1×104次／min，換熱管極易產(chǎn)生疲勞和發(fā)生斷裂［10］.

5 結(jié) 論

（1）連續(xù)相的速度由內(nèi)圈環(huán)隙到外圈環(huán)隙逐漸增大，沿廢熱鍋爐高度方向逐漸減小，且由于堵板作用，環(huán)隙中的速度峰值出現(xiàn)偏移.在大空間交匯的區(qū)域出現(xiàn)回流.在上段受熱面堵板擋住的區(qū)域，顆粒的質(zhì)量濃度較大，需要布置吹灰裝置以保證鍋爐的正常運行.

（2）沿鍋爐高度方向，連續(xù)相的溫度逐漸降低，上段受熱面出口處內(nèi)圈環(huán)隙內(nèi)的溫度最低，且3圈環(huán)隙出口處合成氣的溫度均為700℃左右，使Na和K在大空間區(qū)域內(nèi)結(jié)晶，防止了受熱面的損壞.

（3）顆粒相停留時間為20s左右，顆粒跟隨性好，但也有少數(shù)顆粒停留時間較長，達到100s，易引起積灰.

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