煤粉氣化爐CFD計算分析及優化

摘 要：為了證實哪種爐型煤粉氣化爐更具有合理性，本文利用數值模擬方法，對爐內氣化過程進行研究。結果表明，爐型2結構相對于爐型1結構能夠使爐內溫度場、流場均勻，煤粉氣化劑垂直噴入爐內，避免如爐型1沖刷一側爐壁 的情況。爐內溫度梯度顯著降低，平均溫度水平上升，爐膛中心湍流強烈，使得氣化強度增強，避免了高溫噴射火舌和局部超高溫區的出現，降低了對爐壁材料的要求，有利于水冷壁的保護。因此爐型2是結構設計的首要選擇。數值模擬方法為進一步的設計提供了理論依據。

關鍵詞：煤粉氣化爐；燃燒；數值模擬；溫度場；流場

引言

作為能源領域發展的重要方向和優先主題之一的煤炭氣化技術，具有原料消耗低，碳轉化率高，熱效率高，煤種適應性強等優勢，煤粉氣化爐就成為煤化工產業的龍頭，近年來倍受用戶青睞，在工業鍋爐行業具有廣闊的發展前景。

本文主要通過某設計院正在設計當中的兩種模型煤粉氣化爐進行溫度場和流場的數值[1]模擬結果，來分析氣化爐運行狀況以及其合理性，為進一步設計和安全生產提供參考。

1 研究對象及其數值模擬

1.1 物理模型

本文進行數值模擬的物理爐型為兩種進行簡化處理的煤粉氣化爐，兩種模型煤粉氣化爐結構圖如圖爐型1和爐型2，高度均為15m，直徑5m，將爐膛上端的圓角部分簡化為圓柱結構，下端部分則簡化為倒置圓臺結構，煤粉氣化劑通過同一噴嘴噴入爐內，兩種爐子的不同之處在于，一種生成的合成氣和液渣向爐子一側排出，而另一種煤粉氣化爐生成的合成氣和液渣向爐子下方排出。氣化劑采用純氧和水蒸汽。本模型忽略水冷壁蒸發對傳熱過程的影響。

1.2 網格劃分、邊界條件及計算方法

2 計算結果及討論

2.1 爐型1的計算結果及分析

對于爐型1的計算結果，由圖1和圖2可以看出因煙氣出口在爐膛一側，火焰形狀發生偏轉，從入口而來的射流偏向一側沖刷爐壁，速度值達到33/s，火焰兩側因形成漩渦，速度值最小?；鹧娴闹行臏囟却蠹s為1799K，沖向爐壁的火焰溫度約為1640K，遠高于設計的水冷壁壁溫723K，其它區域的火焰溫度則逐漸減小。由于煙氣長期的高速沖刷加之高溫勢必造成對一側水冷壁管子積灰結渣而形成渣堵，發生爆管事故可能性加大，不利于鍋爐安全運行。如果加高爐膛高度，則浪費材料和加大生產成本，既不經濟也不安全。

2.2 爐型2的計算結果及分析

3 結束語

本文模擬煤粉氣化爐內多相流場和溫度場等，模擬結果和實際試驗結果基本吻合，驗證了模型計算的準確性。

對兩種爐型模擬計算結果進行了可視化研究，進一步證實了爐型2結構相對于爐型1結構能夠使爐內溫度場、流場均勻，煤粉氣化劑垂直噴入爐內，避免如爐型1沖刷一側爐壁 的情況。爐內溫度梯度顯著降低，平均溫度水平上升，爐膛中心湍流強烈，使得氣化強度增強，避免了高溫噴射火舌和局部超高溫區的出現，降低了對爐壁材料的要求，有利于水冷壁的保護。因此爐型2是結構設計的首要選擇?；诖?，這為進一步的研究積累了經驗，為煤氣化爐的結構設計、優化和運行提供有益的參考。

參考文獻

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