雙層水冷壁輻射廢熱鍋爐受熱面粒子磨損狀況的數(shù)值預(yù)測(cè)

譚建宇，張彥軍，吳少華，劉慶江，邱朋華，唐 慧，趙彥華

(1．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 博士后工作站，黑龍江 哈爾濱 150046;

2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 博士后流動(dòng)站，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于煤氣化的多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)是提高能源利用率，減少燃煤污染物排放的重要利用方式［1－2］。輻射式廢熱鍋爐則是多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中高溫顯熱回收的重要裝置，采用輻射式廢熱鍋爐回收氣化爐出口高溫、高壓合成煤氣的高溫顯熱可以提高系統(tǒng)效率［3－4］，同時(shí)對(duì)排入的大量灰渣顆?？蛇M(jìn)行慣性分離，降低系統(tǒng)中輻射式廢熱鍋爐后續(xù)連接設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

雙層水冷壁輻射式廢熱鍋爐在相同熱容量回收的情況下，具有水冷壁結(jié)構(gòu)體積小、換熱效率高，造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)有的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中被大量使用，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)其它類(lèi)型廢熱鍋爐要復(fù)雜的多，且工作運(yùn)行條件復(fù)雜苛刻，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作難于開(kāi)展。因此，針對(duì)輻射式廢熱鍋爐的傳熱、多相流的實(shí)驗(yàn)研究較少，相關(guān)研究工作主要集中在數(shù)值模擬方面［5－9］。其中華東理工大學(xué)倪建軍、于廣鎖等［7－9］開(kāi)展了輻射式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)、傳熱、兩相流動(dòng)等多個(gè)方面的研究，從數(shù)值模擬的角度揭示了輻射廢熱鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)合成煤氣、灰渣粒子的流動(dòng)和傳熱的影響規(guī)律，并從實(shí)驗(yàn)角度給予了驗(yàn)證，該研究對(duì)輻射式廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)制造和安全運(yùn)行有著重要的指導(dǎo)意義。而針對(duì)鍋爐受熱面機(jī)械磨損的研究較多［10－17］，目前應(yīng)用最為廣泛的，針對(duì)煤灰粒子與塑性材料沖蝕磨損量的預(yù)測(cè)公式為T(mén)abakoff 等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定給出的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。此外，浙江大學(xué)樊建人等［12－15］從顆粒與鍋爐內(nèi)管束的碰撞和磨損機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，同時(shí)對(duì)電站鍋爐、流化床鍋爐的磨損量預(yù)測(cè)，以及相應(yīng)的防磨措施和效果進(jìn)行了探討。

針對(duì)某中試煤氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中雙層水冷壁輻射廢熱鍋爐，該鍋爐需要有針對(duì)性的進(jìn)行變工況和高負(fù)荷的連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行，由于其內(nèi)筒水冷壁和內(nèi)外水冷壁夾層空間較小，存在無(wú)法進(jìn)行檢修的缺點(diǎn)。本研究將輻射式廢熱鍋爐內(nèi)傳熱和兩相流動(dòng)的模擬與煤灰粒子與壁面的沖蝕磨損的計(jì)算相結(jié)合，通過(guò)對(duì)水冷壁壁面磨損區(qū)域磨損量的預(yù)測(cè)以提供進(jìn)行局部防磨處理的依據(jù)，在保證設(shè)備規(guī)定的試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，降低加工制造和運(yùn)行成本。

1 研究對(duì)象與設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

1．1 研究對(duì)象

本研究針對(duì)某煤氣化中試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中高溫顯熱回收的雙層水冷壁輻射廢熱鍋爐，圖1(a)給出了雙層水冷壁輻射式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)為加工后的外層水冷壁以及廢熱鍋爐出口。系統(tǒng)采用多段分級(jí)轉(zhuǎn)化流化床作為煤熱解氣化發(fā)生裝置［18－19］，氣化床后接高溫旋風(fēng)分離裝置，將高溫、高壓合成煤氣夾帶的部分大尺度固體顆粒分離，并輸送回流化床內(nèi)進(jìn)一步熱解，以提高碳轉(zhuǎn)化率。剩余固體顆粒與合成煤氣進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐進(jìn)行高溫顯熱回收。輻射廢熱鍋爐采用間歇式干排灰方式，下部設(shè)有灰斗，可對(duì)進(jìn)入輻射廢熱鍋爐的固體顆粒進(jìn)一步進(jìn)行慣性分離。由于中試用輻射廢熱鍋爐合成煤氣處理量較少，因此其入口、內(nèi)外筒水冷壁直徑設(shè)計(jì)取值均較小，分別為dinlet=0．25 m、din=0．8 m 和dout=1．24 m，內(nèi)外水冷壁高均為h =4．5 m，內(nèi)外水冷壁錯(cuò)開(kāi)0．5 m 以方便上集箱的布置，如圖1(a)所示。

圖1 雙層水冷壁輻射廢熱鍋爐

由于中試運(yùn)行中輻射廢熱鍋爐內(nèi)粒子濃度較高，受熱面勢(shì)必存在一定的磨損，而且在如此狹小的內(nèi)筒和內(nèi)外筒夾層空間無(wú)法開(kāi)展必要的檢修工作，如對(duì)整個(gè)輻射式廢熱鍋爐換熱面進(jìn)行全面的防磨處理，不但大大提高了加工成本，同時(shí)降低了換熱面的傳熱效率。本研究對(duì)輻射廢熱鍋爐內(nèi)外水冷壁機(jī)械磨損狀況進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，并在設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中有重點(diǎn)的對(duì)預(yù)測(cè)磨損嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行局部防磨處理，在保證輻射式廢熱鍋爐連續(xù)、安全運(yùn)行的同時(shí)，降低加工成本提高受熱面?zhèn)鳠嵝省?/p>

1．2 設(shè)計(jì)運(yùn)行條件

輻射廢熱鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行條件如表1 所示，由于氣化方式和多段床后接旋風(fēng)分離設(shè)備的原因，導(dǎo)致進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐的合成煤氣溫度較低，僅為950℃，低于灰渣的軟化溫度，因此可認(rèn)為進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐的灰渣為硬顆粒，設(shè)計(jì)計(jì)算中不考慮水冷壁壁面結(jié)渣，只考慮固體顆粒對(duì)壁面的磨損。此外，設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中僅考慮系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)工況，即運(yùn)行參數(shù)不隨時(shí)間變化。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)中試實(shí)驗(yàn)要求，需考慮要求的三種不同壓力的運(yùn)行工況。

表1 輻射式廢熱鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行條件

表2、表3 分別給出了進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐的合成煤氣組份以及固體灰渣顆粒粒徑分布。

表2 合成煤氣組份(V/V%)

2 數(shù)學(xué)物理模型

2．1 連續(xù)相模型

輻射式廢熱鍋爐內(nèi)針對(duì)連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)模擬采用文獻(xiàn)［9］推薦的realizable k －ε 模型。描述穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的能量方程為

由方程可見(jiàn)，固體顆粒的內(nèi)能變化是顆粒與流體的對(duì)流換熱，以及粒子與流體和壁面的輻射換熱共同作用的結(jié)果。式(4)中，mp、cp、Tp、Ap和εp分別為固體顆粒的質(zhì)量、比熱、溫度、表面積和表面發(fā)射率;h 為對(duì)流換熱系數(shù)，Tg為合成煤氣的溫度，θR為輻射溫度(包括氣體、壁面等)。

式中

U——速度矢量;

E——內(nèi)能;

Sr——能量源項(xiàng)(包括輻射和相間傳熱量);

ρq——相密度;

λq——相導(dǎo)熱系數(shù)。

由于進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐合成煤氣氣體組份較多，如表2 所示，共7 種。在高溫、高壓情況下其物理化學(xué)形式各不相同，各組份間的能量傳遞采用組份輸運(yùn)模型，其輸運(yùn)方程為［7－9］

式中

ρ——合成煤氣密度(按理想氣體處理);

uj——j 方向上的速度分量;

Di，m——組份i 質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù);

Sct——湍流Schmidt 數(shù);

μt——湍流粘度;

Yi——組份i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表4 合成煤氣物性參數(shù)

2．2 離散相模型

輻射式廢熱鍋爐內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò)積分Lagrangian 坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程獲得。根據(jù)固體顆粒的受力平衡，其作用力平衡方程為(x 方向)［20－21］

式中，up、ρp和ug、ρg分別為固體顆粒和合成煤氣的速度和密度;式(3)中右側(cè)第一項(xiàng)為單位質(zhì)量粒子的拽力項(xiàng)，第二項(xiàng)為重力和浮力的合力，第三項(xiàng)則為附加力的合力(包括虛假質(zhì)量力、熱泳力、布朗力和Saffman 力等)。

固體顆粒溫度可通過(guò)求解離散相與連續(xù)相間的熱平衡方程獲得［20－21］

2．3 輻射傳熱計(jì)算模型

由于進(jìn)入廢熱鍋爐內(nèi)的合成煤氣和灰渣顆粒溫度較高，因此在爐內(nèi)的傳熱以輻射傳熱為主，本研究針對(duì)氣體和粒子輻射傳熱的求解采用離散坐標(biāo)模型［20－21］，其形式為

其壁面邊界條件為

式(5)中，m=1，2，…M 為離散方向;Im為m 方向上的輻射強(qiáng)度;μm、ηm、ξm和wm分別為對(duì)應(yīng)m 方向上的方向余弦值和立體角權(quán)值;ka和ks分別為吸收和散射系數(shù)，對(duì)于氣體輻射不考慮散射;式(6)中，εw為壁面發(fā)射率;nw和sm'分別為壁面內(nèi)法向單位向量和m'方向單位向量。

將技能競(jìng)賽融入教學(xué)改革中，深化產(chǎn)教融合，提升了汽車(chē)專業(yè)群教師教學(xué)能力、人才培養(yǎng)質(zhì)量，助推了專業(yè)建設(shè)水平的提升。2017年“汽車(chē)運(yùn)用與維修技術(shù)”專業(yè)被教育部等部委評(píng)為全國(guó)職業(yè)院校交通運(yùn)輸大類(lèi)示范專業(yè)點(diǎn)，“實(shí)施‘賽教融合’，深化‘產(chǎn)教融合’，提升汽車(chē)專業(yè)群人才培養(yǎng)質(zhì)量”獲得2017年江蘇省高等教育教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，“汽車(chē)營(yíng)銷(xiāo)與服務(wù)”專業(yè)2017年被立項(xiàng)為江蘇省高等職業(yè)教育高水平骨干專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，“新能源汽車(chē)運(yùn)用與維修”“汽車(chē)營(yíng)銷(xiāo)與服務(wù)”兩個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)被評(píng)為江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

式(5)和式(6)中合成煤氣中的輻射特性參數(shù)采用灰氣體加權(quán)和模型［22－23］(WSGG)計(jì)算得到，即假設(shè)氣體總吸收率α(或發(fā)射率ε)為參與輻射的多原子或雙原子極性灰氣體吸收率或發(fā)射率的加權(quán)和

式中 ai(T)——對(duì)應(yīng)灰氣體權(quán)因子;

kai——灰氣體吸收系數(shù);

N——灰氣體數(shù)目。

3 粒子磨損計(jì)算

3．1 粒子與壁面非彈性碰撞

粒子從輻射廢熱鍋爐入口隨合成氣流進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐內(nèi)筒，由于流通截面增大，粒子隨氣流擴(kuò)散與內(nèi)水冷壁的內(nèi)壁面碰撞。由于碰撞引起粒子動(dòng)能改變與粒子碰撞壁面的速度和撞擊角度相關(guān)，模擬碰撞過(guò)程中引入了Tabakoff 等［10，17］基于統(tǒng)計(jì)學(xué)提出的反彈系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式

en和et分別為法向和切向反彈系數(shù);下標(biāo)1，2分別表示碰撞前后的物理量;β1為顆粒與金屬壁面碰撞時(shí)速度的入射角。

3．2 壁面局部磨損量計(jì)算

粒子與不銹鋼(13CrMo44)水冷壁壁面的碰撞的磨損量可由Tabakoff 等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的，用于計(jì)算煤灰顆粒與碳鋼壁面的碰撞時(shí)產(chǎn)生的磨損量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。其壁面局部磨損率E 定義為目標(biāo)金屬材料質(zhì)量損失量(mg)與碰撞粒子質(zhì)量(g)之比

式中，vp1為粒子碰撞速度;R1=1 －0． 0016vpi

當(dāng)β1≤3β0時(shí)，Ck=1，否則Ck= 0，β0= π/9;

K1=1．505101 ×10－6，K2=0．296，K3=5．0 ×10－12。

為更直觀考察輻射廢熱鍋爐內(nèi)部水冷壁壁面磨損情況，本研究將內(nèi)外水冷壁壁面沿高度和角度劃分若干區(qū)域，將各區(qū)域內(nèi)的磨損量進(jìn)行累加再與該區(qū)域面積相除，可得各區(qū)域磨損單位面積磨損量分布

式中 δi——第i 個(gè)區(qū)域單位面積磨損量分布/mg·m－2;

Si——該區(qū)域面積。

3．3 內(nèi)外水冷壁壁面磨損狀況計(jì)算步驟

雙層水冷壁輻射式廢熱鍋爐壁面磨損可按如下步驟計(jì)算:

(1)根據(jù)輻射式廢熱鍋爐氣、固兩相流動(dòng)以及傳熱模擬，獲得穩(wěn)定運(yùn)行工況下廢熱鍋爐內(nèi)合成煤氣溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布，以及不同粒徑固體粒子的運(yùn)行軌跡;

(2)根據(jù)固體顆粒運(yùn)行軌跡，統(tǒng)計(jì)與內(nèi)水冷壁內(nèi)、外側(cè)和外水冷壁內(nèi)側(cè)碰撞粒子的粒徑、質(zhì)量、入射角度，使用Tabakoff 的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算水冷壁壁面的磨損量;

(3)將內(nèi)、外水冷壁分別沿壁面高度和角度劃分區(qū)間，通過(guò)累加得到各區(qū)間的金屬磨損量，進(jìn)而判定沿高度和角度方向上水冷壁壁面磨損程度。

4 模擬結(jié)果與分析

4．1 各工況模擬結(jié)果

粒子從氣化爐隨高溫、高壓合成煤氣進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐，首先與內(nèi)水冷壁的內(nèi)側(cè)換熱，期間部分粒子由于慣性和重力沉降落入輻射式廢熱鍋爐下灰斗;而合成氣則夾帶其余粒子，進(jìn)入內(nèi)水冷壁外側(cè)與外水冷壁內(nèi)側(cè)構(gòu)成的夾層空間，繼續(xù)與內(nèi)水冷壁外側(cè)和外水冷壁內(nèi)側(cè)壁面換熱后通過(guò)連接管道進(jìn)入對(duì)流式廢熱鍋爐。

表5 給出了三種運(yùn)行工況下的輻射式廢熱鍋爐合成煤氣出口溫度、壓降、以及進(jìn)出口速度的模擬結(jié)果。在相同質(zhì)量流量下，隨壓力升高，合成煤氣體積流量減小，其對(duì)流傳熱減弱，輻射傳熱增強(qiáng)，合成煤氣在輻射廢鍋內(nèi)的總換熱量增加，出口溫度隨壓力升高呈下降趨勢(shì)，同時(shí)氣體整體壓降也隨之降低。

表6 給出了不同運(yùn)行工況下，不同粒徑粒子內(nèi)筒分離情況。三種運(yùn)行工況下，粒徑大于180 μm的粒子由于自身重力和慣性作用，全部落入內(nèi)筒水冷壁下部的灰斗，分離效率為100%;粒徑小于180 μm的粒子，隨合成煤氣壓力升高，其分離效率也隨之提高，這主要隨壓力升高氣流流速降低，粒徑較小的顆粒受合成氣流夾帶作用減小，因此易于在輻射廢熱鍋爐內(nèi)筒下側(cè)進(jìn)入灰斗。

表5 不同運(yùn)行工況下模擬計(jì)算結(jié)果

表6 不同運(yùn)行工況下粒子內(nèi)筒分離情況

圖2 不同工況下輻射廢熱鍋爐剖面速度矢量

圖2 給出了各運(yùn)行工況下，輻射廢熱鍋爐內(nèi)氣體速度矢量圖。由于爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)粒子受力主要來(lái)自于氣體運(yùn)動(dòng)的拽力，其次是自身重力、浮力和附加力，因此，氣體運(yùn)動(dòng)方向?qū)αＷ舆\(yùn)動(dòng)方向起著主要作用。圖2(a)、(b)和(c)中隨入口射流速度減小，輻射廢鍋上部由射流負(fù)壓產(chǎn)生的環(huán)流減少。

4．2 各工況磨損情況

(1)1．0 MPa 工況受熱面磨損情況

為考察輻射廢熱鍋爐內(nèi)部水冷壁壁面磨損情況，本研究將內(nèi)外水冷壁壁面沿高度和角度，分別取Δh=0．01 m 和Δφ=10°劃分若干區(qū)域，通過(guò)采用式(9)和式(10)計(jì)算了內(nèi)外水冷壁各受熱面的磨損情況。

本研究根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求，統(tǒng)計(jì)了廢熱鍋爐連續(xù)運(yùn)行30 天的壁面磨損情況。圖3 ～圖5 給出了1．0 MPa 運(yùn)行工況下，內(nèi)水冷壁內(nèi)、外側(cè)和外水冷壁內(nèi)側(cè)的單位面積磨損分布;圖6 為1．0 MPa 工況水冷壁主要磨損區(qū)域與局部速度矢量圖;將磨損分布與局部速度矢量分布對(duì)比可以更好的了解磨損產(chǎn)生的原因。

圖3 1．0 MPa 工況內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)磨損分布情況

圖4 1．0 MPa 工況內(nèi)水冷壁外側(cè)磨損分布情況

圖3 給出了1．0 MPa 運(yùn)行工況下內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)磨損分布情況。計(jì)算結(jié)果表明:內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)磨損是最為嚴(yán)重的，單位面積磨損量最高達(dá)100 mg/m2，其磨損主要來(lái)自于入口高速氣流夾帶粒子的擴(kuò)散沖擊和由于射流產(chǎn)生的負(fù)壓環(huán)流區(qū)域，如圖6(a)所示位置，由圖3 中內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)磨損情況可知，其磨損主要集中在3．5 ～4．5 m 這個(gè)高度，而這個(gè)區(qū)域正是氣流夾帶粒子由入口進(jìn)入輻射廢熱鍋爐內(nèi)筒的擴(kuò)散沖擊區(qū)域和由于入口射流產(chǎn)生的負(fù)壓環(huán)流區(qū)域。

圖5 1．0 MPa 工況外水冷壁內(nèi)側(cè)磨損分布情況

由圖4 和圖5 磨損分布情況可以看到，對(duì)于夾層空間中的內(nèi)水冷壁外側(cè)和外水冷壁內(nèi)側(cè)的絕大部分區(qū)域其單位面積磨損小于1 mg/m2，可認(rèn)為基本沒(méi)有磨損，這主要是由于部分粒子在由內(nèi)筒向上翻轉(zhuǎn)進(jìn)入夾層區(qū)域時(shí)落入灰斗，其次由于合成煤氣和粒子的溫度降低，其流速也隨之降低，即粒子撞擊壁面速度減小，這也是內(nèi)水冷壁外側(cè)磨損量較小的原因。但外層水冷壁內(nèi)側(cè)換熱面積，輻射廢熱鍋爐出口處存在磨損很小的磨損嚴(yán)重區(qū)域，如圖5(a)所示，其位置恰好位于高度3．8 ～4．2 m;圖5(b)為磨損區(qū)域的局部放大圖，可見(jiàn)最大磨損區(qū)域位于出口處的下部，最大單位面積磨損量約200 mg/m2;此處出現(xiàn)如此大的磨損主要是由于該區(qū)域?yàn)楹铣擅簹夂土Ｗ舆M(jìn)入對(duì)流式廢熱鍋爐前在輻射廢熱鍋爐內(nèi)的匯集區(qū)域，如圖6(b)所示;同時(shí)由于連接對(duì)流廢熱鍋爐的出口管道變小，氣體和粒子的流動(dòng)速度增加造成了此處的磨損。

此外，由于輻射式廢熱鍋爐合成煤氣出口位于鍋爐的右側(cè)，因此氣流從廢熱鍋爐入口向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，而從內(nèi)筒水冷壁下部向上翻轉(zhuǎn)則向右側(cè)出口位置匯集，故內(nèi)水冷壁磨損集中在90° ～270°區(qū)間，如圖3所示;而外水冷壁則集中在出口0° ～20°和340° ～360°區(qū)間，如圖5 所示。

圖6 1．0 MPa 工況水冷壁主要磨損區(qū)域

圖7 1．0 MPa 工況內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)不同粒徑粒子磨損

(2)1． 0 MPa 工況不同粒徑粒子內(nèi)壁面磨損情況

由于采用如圖3 所示云圖不方便進(jìn)行不同粒徑粒子磨損分布以及不同運(yùn)行工況磨損情況的比較，本研究沿高度方向劃分若干環(huán)形區(qū)域，通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同粒徑粒子在區(qū)域內(nèi)的磨損量進(jìn)而計(jì)算得到沿高度方向的單位面積磨損分布。同理，也可通過(guò)按角度方向劃分帶狀區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各區(qū)間累積磨損進(jìn)而計(jì)算得到單位面積磨損量沿角度方向分布情況。

圖7(a)和圖7(b)分別給出了1 MPa 工況下內(nèi)水冷壁壁面不同粒徑粒子沿高度方向和圓周角度磨損情況?？梢?jiàn)磨損主要來(lái)自于粒徑小于50 μm 的顆粒，這主要是由于:(1)該粒徑粒子質(zhì)量份額最大，約占總質(zhì)量的32．1%;(2)由于質(zhì)量較小，受氣流夾帶作用，在入口處容易擴(kuò)散沖擊壁面，而粒徑大于120 μm 大粒徑粒子則受慣性力和重力作用，直接沖入灰斗，沒(méi)有撞擊磨損壁面。圖7(a)和圖7(b)則進(jìn)一步體現(xiàn)出了圖3 磨損量分布結(jié)果，由于氣流從廢熱鍋爐入口向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，其主要磨損區(qū)域位于90° ～270°區(qū)間，而高度則處于3．5 ～4．5 m 區(qū)間。這也表明本節(jié)采用的沿高度和角度方向的分別統(tǒng)計(jì)磨損分布情況的方式是可行的。

圖8 三種運(yùn)行工況下內(nèi)水冷壁磨損情況

(3)三種運(yùn)行工況下內(nèi)壁面磨損情況

由于磨損主要出現(xiàn)在內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)和外水冷壁內(nèi)側(cè)出口的很小一部分區(qū)域。因此本文針對(duì)中試要求的三種不同工況，給出了各運(yùn)行工況下內(nèi)水冷壁內(nèi)側(cè)的磨損狀況。如圖8(a)和圖8(b)所示，不同運(yùn)行壓力下粒子磨損區(qū)域分布規(guī)律與1．0 MPa 運(yùn)行工況基本一致。但隨運(yùn)行壓力升高，合成煤氣體積流量減少，氣流速度降低，如表5 中給出的合成煤氣進(jìn)出輻射式廢熱鍋爐流速在3．0 MPa 運(yùn)行工況下約為1．0 MPa 工況下的1/3，氣流夾帶粒子撞擊水冷壁壁面速度降低，因此，隨運(yùn)行壓力升高內(nèi)壁面磨損明顯下降。因此，研究可以認(rèn)為輻射廢熱鍋爐高壓運(yùn)行情況可提高內(nèi)筒對(duì)小粒徑粒子的分離作用，同時(shí)降低各受熱面磨損。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)某煤氣化高溫顯熱回收的雙層水冷壁式輻射廢熱鍋爐，采用多相流動(dòng)與傳熱模型模擬了不同運(yùn)行工況下輻射廢熱鍋爐內(nèi)氣體與粒子的流動(dòng)與傳熱，并采用Tabakoff 的不銹鋼管磨損計(jì)算公式計(jì)算了鍋爐內(nèi)各水冷壁磨損情況。主要得到以下結(jié)論:

(1)雙層水冷壁輻射式廢熱鍋爐對(duì)固體顆粒具有一定的分離作用，由于重力和慣性作用，部分粒子由內(nèi)筒水冷壁進(jìn)入灰斗，大于180 μm 粒子全部分離，且隨合成煤氣壓力升高，小粒徑粒子分離效率提高，同時(shí)壁面磨損降低;

(2)雙層水冷壁輻射式廢熱鍋爐磨損主要集中在兩個(gè)部位:一是內(nèi)筒水冷壁上部，氣體夾帶粒子入口擴(kuò)散部位和射流產(chǎn)生局部環(huán)流區(qū)域;另一部位是外水冷壁內(nèi)側(cè)壁面輻射廢熱鍋爐出口處;

(3)由于出口位置位于輻射式廢熱鍋爐的右側(cè)引起了氣流偏轉(zhuǎn)，造成內(nèi)水冷壁左側(cè)壁面磨損嚴(yán)重以及外水冷壁右側(cè)出口處壁面磨損嚴(yán)重。

根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)輻射廢熱鍋爐受熱面進(jìn)行局部防磨處理，可在保證傳熱效率的基礎(chǔ)上大大提高鍋爐運(yùn)行的安全性。

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