帶徑向管屏水冷壁輻射廢鍋內(nèi)流場與傳熱的數(shù)值模擬

張 強，黃成龍，畢大鵬，劉淑媛，玄偉偉

(1.安徽科達潔能股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

實驗研究

帶徑向管屏水冷壁輻射廢鍋內(nèi)流場與傳熱的數(shù)值模擬

張 強1，黃成龍1，畢大鵬1，劉淑媛1，玄偉偉2

(1.安徽科達潔能股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

對低壓氣流床輻射廢鍋進行直接數(shù)值模擬，分析帶徑向管屏水冷壁輻射廢鍋內(nèi)流場與傳熱。結(jié)果表明：管屏水冷壁增強了輻射傳熱與湍流，降低了回流區(qū)的氣流及灰渣溫度，使得射流長度變短，回流區(qū)域及回流速度變小；無管屏與有管屏的截面平均溫度差隨截面高度增加而逐漸增加，到達出口處其截面平均溫度差達到80℃；管屏水冷壁有效提高氣流降溫速度和熱回收效率，但使細小灰渣顆粒更易于富集在輻射廢鍋頂錐及管屏水冷壁周邊區(qū)域。

輻射廢鍋；管屏水冷壁；輻射傳熱；回流區(qū)

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.002

廢熱鍋爐是能源化工行業(yè)顯熱回收的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛運用于煤化工與整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)過程中，回收氣化后合成氣與灰渣的高溫顯熱以提高能源利用率，但卻受其高度與直徑的限制，使得現(xiàn)有輻射廢鍋普遍存在造價高、設(shè)備龐大笨重及運行周期短等缺點。因此，如何在有限空間內(nèi)提高輻射廢鍋整體傳熱性能，成為眾多研究人員的研究重點。Kraft和Wessel等[1,2]提出了在輻射廢鍋內(nèi)設(shè)計鰭片與水激冷相結(jié)合的方式，可明顯縮小輻射廢鍋體積，但是鰭片布置得過密易造成結(jié)渣、堵渣等情況的出現(xiàn)。繼而Koog等人[3]提出了雙面水冷壁雙筒體結(jié)構(gòu)輻射廢鍋設(shè)計。同時，張廣全[4]針對輻射廢鍋結(jié)構(gòu)形式也提出了單層水冷壁結(jié)構(gòu)、雙層水冷壁雙筒體結(jié)構(gòu)以及部分雙面水冷壁結(jié)構(gòu)幾種方案。

CFD數(shù)值模擬方法已被大量用于工程應(yīng)用研究中，如Chen等[5,6]將數(shù)值模擬方法運用至兩段式氣化爐放大設(shè)計和內(nèi)部流動傳熱研究中；并且CFD數(shù)值模擬還常被用于計算燃煤鍋爐內(nèi)部的速度場、溫度場以及傳熱特性[7,8]。實踐證明了CFD數(shù)值模擬方法在大型化工設(shè)備研發(fā)和工業(yè)化放大中的重要性。本文旨在通過三維數(shù)值模擬研究分析帶管屏水冷壁輻射廢鍋內(nèi)流動與傳熱，為輻射廢鍋的研究提供理論支持。

1 三維物理模型

本文研究對象為輻射廢鍋，其由入口喉管、頂錐水冷壁、內(nèi)層水冷壁、管屏水冷壁及出口構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 輻射廢鍋簡化示意

對物理模型作如下簡化及假設(shè)：① 輻射廢鍋入口合成氣和灰渣流量穩(wěn)定不隨時間變化，合成氣主要成分CO2、H2O、CO和H2等按理想氣體處理；②合成氣中灰渣顆粒外形為球形；③水冷壁簡化見圖1。

2 數(shù)值計算模型

2.1 連續(xù)相模型

由圖1可以看出，輻射廢鍋入口喉段尺寸與合成氣流通通道尺寸的差距造成了較大的突擴比，可視為圓形湍流受限射流過程。通過對比分析多種湍流模型的適用性與準(zhǔn)確性，采用Realizable k-ε湍流模型模擬圓形湍流受限射流過程，所得的模擬結(jié)果與文獻[9,10]中實驗研究結(jié)果較一致，故本文采用Realizable k-ε湍流模型計算輻射廢鍋內(nèi)部流場。輻射廢鍋入口合成氣組分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 輻射廢鍋入口合成氣組成(v%)

在求解能量方程時，不同溫度下的合成氣比熱容為溫度的函數(shù)，表1為合成氣組分?jǐn)?shù)據(jù)。

2.2 離散相模型

輻射廢鍋內(nèi)離散相主要是合成氣中的灰渣顆粒，可在Lagrange坐標(biāo)系下，采用隨機軌道模型求解輻射廢鍋內(nèi)不同粒徑灰渣顆粒運動及分布情況。由于考慮到連續(xù)相與離散相之間的相互影響，故采用雙向耦合算法。

2.3 傳熱模型

輻射廢鍋內(nèi)以輻射傳熱為主要傳熱方式，輻射傳熱介質(zhì)主要由三原子氣體、非對稱雙原子氣體及灰渣顆粒構(gòu)成，其輻射傳熱方程可表示為：

(2-1)

上式中，αg和σs分別表示吸收系數(shù)和散射系數(shù)，r和s分別表示位置向量和方向向量，s'表示散射方向向量，s表示行程距離，n表示折射因子，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)5.67×10-8W/(m2·K4)，I表示輻射強度，T表示區(qū)域溫度，ψ為光譜散射相函數(shù)，Ω′表示立體角。P1和DO輻射模型能同時考慮散射和氣體與顆粒間輻射換熱的影響，在計算域較大時(比如本文)，采用P1模型也能得到較為理想的結(jié)果，且此時P1模型的計算量相比DO模型少，故本文采用P1輻射模型求解輻射方程。

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)輻射廢鍋的幾何對稱性，同時考慮到網(wǎng)格數(shù)及后續(xù)計算速度，故采用1/4模型網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并通過網(wǎng)格尺寸適應(yīng)性計算，最終網(wǎng)格數(shù)約為200萬，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 局部計算區(qū)域六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

3.2 邊界條件

本文研究對象為帶徑向管屏水冷壁輻射廢鍋，其入口合成氣溫度與流量分別是1 200 ℃、67 300 Nm3/h(標(biāo)況下)，合成氣具體組分見表1，操作壓力為0.6 MPa(g)，輻射廢鍋入口直徑為850 mm，輻射廢鍋內(nèi)層水冷壁內(nèi)徑為3 300 mm，管屏水冷壁管屏數(shù)為32。灰渣顆粒質(zhì)量流量為2 900 kg/h，粒徑分布采用不同粒徑的Uniform分布并以入口面形式射入，顆粒密度取2 000 kg/m3，壁面灰渣發(fā)射系數(shù)取0.83，水冷壁壁面溫度取300 ℃。為了獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果，合成氣采用質(zhì)量流量入口和壓力出口邊界條件。

4 結(jié)果和分析

4.1 速度場分析

圖3為輻射廢鍋Y=0 mm軸向截面速度分布，其中(a)無管屏水冷壁，(b)有管屏水冷壁。由圖3可知，合成氣進入輻射廢鍋時，其最高流速約為36 m/s，進入輻射廢鍋后迅速衰減耗散，沿氣流軸向，截面氣速逐漸降低并在輻射廢鍋入口射流周邊形成了一定區(qū)域的射流回流區(qū)，回流速度較小，且無管屏的回流速度大于有管屏的。隨著射流逐漸衰減，距輻射廢鍋入口9 m處，截面流速趨于均勻，近似于管流流動。

圖3 軸向截面速度場分布

由于合成氣進入輻射廢鍋內(nèi)流通截面的擴大，使得入口高速射流在射流周邊區(qū)域形成卷吸回流區(qū)，同時由于水冷壁的輻射傳熱作用，使衰減效果加快。由圖3(a)與圖3(b)對比可知，設(shè)置的管屏水冷壁增強了輻射傳熱與湍流，降低了回流區(qū)的氣流及灰渣溫度，使得射流長度變短，回流區(qū)域及回流速度變小，而且更易于在頂錐水冷壁與內(nèi)層水冷壁交界區(qū)域形成旋渦區(qū)。

4.2 溫度場分析

圖4為輻射廢鍋Y=0 mm軸向截面溫度分布圖，其中(a)無管屏水冷壁，(b)有管屏水冷壁。由圖4可知，輻射廢鍋入口射流溫度沿軸向分布呈火炬狀，其中心溫度最高約1 200 ℃，沿徑向截面的溫度由中心向壁面遞減。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是合成氣與入口距離增大，流速減小，以及輻射傳熱的緣故，使得合成氣整體溫度迅速下降。距輻射廢鍋入口8 m開始，雖然合成氣軸向溫度分布仍以中心溫度高，兩側(cè)低為主，但其火炬狀的溫度分布形態(tài)已不明顯，并漸漸趨于均勻。圖4(a)與圖4(b)對比可知，設(shè)置的管屏水冷壁使得合成氣整體溫度下降得更快，特別是靠近壁面區(qū)域，頂錐水冷壁與內(nèi)層水冷壁交界區(qū)域降至720 ℃以下。還可以看出，距離入口12 m后，無管屏的溫度分布差異較小，有管屏的溫度分布差異較大，中心溫度區(qū)呈縮小趨勢。由合成氣出口溫度看出，無管屏的出口溫度約740 ℃，有管屏的出口溫度比無管屏的低80 ℃。

圖4 軸向截面溫度場分布

圖5、圖6分別為無管屏水冷壁和有管屏水冷壁不同高度的徑向截面溫度場分布，可以看出，兩種工況均顯示中心區(qū)域溫度高，且溫度由中心向壁面逐漸降低。加設(shè)的管屏水冷壁使得處于同一高度截面的溫度由中心向壁面遞減的速度更快，無管屏與有管屏的截面平均溫度差隨截面高度增加而逐漸增加，到達出口處時其截面平均溫度差達到80 ℃。由于管屏水冷壁增加了總水冷壁換熱面積，加強其

換熱降溫的作用，使得內(nèi)層及管屏水冷壁附近區(qū)域氣流溫度有明顯的降低，降低了高溫灰渣顆粒碰壁沉積成灰渣沉積污垢的概率，同時管屏水冷壁也降低了回流區(qū)及管流區(qū)氣流速度，增加了飛灰在頂錐及管屏水冷壁壁面區(qū)域富集的概率。

圖5 徑向截面溫度場分布(無管屏)

圖6 徑向截面溫度場分布(有管屏)

4.3 顆粒濃度場及傳熱特性分析

圖7為輻射廢鍋Y=0 mm軸向截面顆粒濃度場分布，其中(a)無管屏水冷壁，(b)有管屏水冷壁，圖8、圖9分別為無管屏水冷壁和有管屏水冷壁不同高度的徑向截面顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)場分布。由圖7、圖8、圖9可看出，廢鍋內(nèi)顆粒流場的基本特性與氣相保持一致，灰渣顆粒分布于整個輻射廢鍋內(nèi)部，輻射廢鍋近壁面顆粒濃度相對較高，且絕大部分灰渣顆粒被合成氣攜帶出輻射廢鍋，這與實驗測量結(jié)果吻合。由圖7可看出，由于合成氣的回流作用，使得部分細小灰渣顆粒被卷吸進入輻射廢鍋頂錐水冷壁周邊區(qū)域。對比圖7(a)與圖7(b)可知，加設(shè)管屏水冷壁使細小灰渣顆粒更易于富集在輻射廢鍋頂錐水冷壁周邊區(qū)域，主要是設(shè)置的管屏水冷壁使回流區(qū)的氣流和灰渣顆粒溫度及速度降低的緣故。圖8與圖9的對比也同樣說明了同樣的現(xiàn)象，設(shè)置的管屏水冷壁使細小灰渣顆粒更易于富集在管屏及內(nèi)層水冷壁周邊區(qū)域。

圖7 軸向截面顆粒濃度場分布

圖8 徑向截面顆粒濃度場分布(無管屏)

圖9 徑向截面顆粒濃度場分布(有管屏)

5 結(jié)語

本文通過三維數(shù)值模擬對比分析無管屏水冷壁與有管屏水冷壁輻射廢鍋內(nèi)的流動與傳熱特性，主要可得以下幾點。

(1) 設(shè)置的管屏水冷壁增強了輻射傳熱與湍流，降低了回流區(qū)的氣流及灰渣溫度，使得射流長度變短，回流區(qū)域及回流速度變小，且更易于在頂錐水冷壁與內(nèi)層水冷壁交界區(qū)域形成旋渦區(qū)。

(2) 管屏水冷壁使得處于同一高度截面的溫度由中心向壁面遞減的速度更快，無管屏與有管屏的截面平均溫度差隨截面高度增加而逐漸增加，到達出口處時，其截面平均溫度差達到80 ℃。

(3) 管屏水冷壁有效提高了氣流降溫速度和熱回收效率，但使細小灰渣顆粒更易于富集在輻射廢鍋頂錐及管屏水冷壁周邊區(qū)域。

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Numerical Simulation of Flow Field and Heat Transfer in Radiant Syngas Cooler with Radial Tube Water Wall

ZHANG Qiang1, HUANG Cheng-long1, BI Da-peng1, LIU Shu-yuan1, XUAN Wei-wei2

(1.KEDACleanEnergyLimitedLiabilityCompany,Ma’anshanAnhui243041China;2.UniversityofScienceandTechnology,Beijing100083China)

This paper discusses the direct numerical simulation method applied to the low-pressure entrained-flow radiant syngas cooler, and analyzes the flow field and heat transfer in radiant syngas cooler with radial tube water wall.The research results show that the tube water wall enhances the radiation heat transfer and turbulence, reduces the temperature of ash and flow of recirculation zone, and shortens jet length, and decreases the recirculation zone and recirculation velocity.With the sectional height going up, the sectional mean temperature difference between the no-tube screen and tube screen increase gradually, reaching 80℃ at the exit.The tube water wall improves the airflow cooling speed and heat recovery efficiency, but it makes fine ash particles enriched more easily in the top cone of radiant syngas cooler and the surrounding area of tube water wall.

radiant syngas cooler; radial tube water wall; radiant heat transfer; recirculation zone

張強(1988年-)，男，安徽蕪湖人，2014年畢業(yè)于東南大學(xué)熱能工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事煤氣化工藝設(shè)計與研發(fā)等工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.003

TK 229.929

A

1004-8901(2016)06-0008-05

2016-08-20