含灰煤氣火管式廢熱鍋爐內流場數值分析

陳翠柳 安連想 張合生

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

含灰煤氣火管式廢熱鍋爐內流場數值分析

陳翠柳**安連想 張合生

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

采用Fluent數值模擬軟件對立式火管式廢熱鍋爐內氣固兩相流場進行了分析計算，利用k-ε湍流模型、對流傳熱模型和離散相模型分別研究了換熱管內的流場、溫度場和氣固耦合過程中的顆粒運動軌跡的變化情況。研究發現：換熱管內粉塵流速為7～9m/s，變化范圍很小；下管板附近存在回流區，回流流速最大為3m/s，同時有顆粒富集；沿含灰煤氣流動(軸向)方向溫度變化很大，在橫截面(徑向)方向布管區內部溫度稍低于布管區周邊。

廢熱鍋爐 立式火管 Fluent 流場模擬

整體煤氣化聯合循環發電系統(IGCC)是一種有相當發展前途的潔凈煤發電技術，備受電力工程界的關注[1]。IGCC系統中用于回收氣化爐出口粗合成氣熱能的廢熱鍋爐技術是其關鍵技術之一。目前，國內外用于回收含塵煤氣中熱量的廢熱鍋爐主要是輻射式廢鍋，應用火管式廢鍋的案例很少。輻射廢鍋結構為水冷壁式，內部結構復雜[2]，由于含灰煤氣中的Na、K等堿金屬鹽結晶溫度在600～700℃[3]，輻射廢鍋內煤氣溫度為350～1 000℃，這樣粉塵就不可避免地在水冷壁上結焦，而輻射廢鍋粉塵結焦后工程處理難度較大。火管式廢熱鍋爐高溫工藝氣流經管內，鍋爐水流經管外沸騰汽化，具有阻力小、結構簡單、制造方便和管內結垢時便于清洗等優點[4]。筆者為探究用火管式廢鍋替代輻射廢鍋的依據，以中國科學院工程熱物理研究所輸運床煤氣化裝置為背景，結合Fluent數值模擬，著重探討粒徑在10-5數量級的粉塵結焦問題，獲得廢鍋內流場及粉塵特性，為該裝置優化設計提供理論依據。

1 模型建立與模擬條件設置

1.1模型建立

1.1.1幾何模型

本廢熱鍋爐為三段式結構，一段二段之間加急冷段，成功避免了粉塵結焦溫度范圍。為了能清楚顯示整個設備內部流場特點，且在數值模擬的過程中占用盡量少的內存，對廢熱鍋爐物理模型進行以下簡化：只進行粉塵氣主要流動區域的建模，忽略儀表安裝孔、檢查孔等處對流動的影響；忽略由于漏風造成的粉塵氣流量的減小；忽略管板厚度；只進行內部流場模擬計算，不考慮外部流場變化[5]。由于結構具有對稱性，模型取1/4為研究對象，建立如圖1所示的幾何模型。

圖1 簡化后的幾何模型

1.1.2網格劃分

網格分為結構化網格和非結構化網格。結構化網格適用于簡單規則的幾何體邊界，其優點是網格數易于控制，從而模擬計算量可以大大減少[6]。設備所簡化的物理模型結構規則，因此選擇結構網格，使用ICEM進行網格劃分。將劃分好的網格輸入Fluent后檢查網格質量，顯示共計60萬個網格，最大網格體積為2.3×10-6m3，最小網格體積1.17×10-8m3，滿足網格無關性假設。

1.1.3立式廢熱鍋爐模擬條件假設

運行中的廢熱鍋爐內部實際流動和傳熱過程非常復雜，筆者對模擬的流動和傳熱過程進行如下假設：廢熱鍋爐內的流動與傳熱均處于穩態工況下運行，系統的各項參數不隨時間變化；內部含灰煤氣在穩定工況下不發生化學反應與變化；忽略粉塵的復雜組分，按照平均成分物理特性擬合煙氣物性參數[7]。

1.2Fluent參數設置

1.2.1基本參數設置

選擇分離式求解器按順序逐一求解各方程。筆者意在描述設備穩定運行時的狀況，在時間上認為是穩態的，氣體中粉塵含量大于10%，選擇離散相模型，用歐拉觀點描述氣相流場，用拉格朗日觀點描述粉塵顆粒的運動軌跡。把通過廢熱鍋爐的氣流看做連續相，作為背景流體；把粉塵看作離散相，即分布在背景流體的顆粒[8]。

離散相模型中,噴射源為面射流源，粒徑分布Rosin-Rammler形式，最大顆粒直徑35μm，最小顆粒直徑10μm，中粒徑22.5μm，粒徑分布指數1.2，質量流率13g/s，顆粒追蹤采用隨機軌道模型。

1.2.2邊界條件設定

通過對含灰煤氣流量進行計算得到煤氣流速，選用速度入口和壓力出口邊界條件。入口壓強2.95MPa，溫度1 323K，進口湍流強度為10%。出口壓力2.94MPa，溫度1 023K，出口端流強度10%。本模型中不考慮外部水和水蒸氣溫度變化及相變，換熱管外側認為是恒溫飽和水蒸氣，因此選用等壁溫壁面條件，選用鋼材料，材料表面粗糙度為0.064mm，壁面發射率取0.9，固體壁面為無滑移壁面。

1.3控制方程

含粉塵氣體在換熱管內流動為湍流流動，受連續性方程、運動方程和能量守恒方程的支配，但方程組不封閉，需引入k-ε方程。筆者認為流體處于穩定流動狀態，即描述流體流動特性的各物理量不隨時間變化，因此選擇經典的標準k-ε方程，具體如下：

式中Gk——剪切力變化產生的湍動能變化率；

k——湍動能，m2/s2；

ui——流體分別在X、Y、Z方向上的速度，m/s；

xi——X、Y、Z方向上的坐標；

ρ——氣體密度，kg/m3；

ε——湍動能耗散率，m2/s3；

μ——層流粘性系數，Pa·s；

μt——湍流粘性系數，Pa·s。

Cε1、Cε2、Cμ、σε、σk為常數，分別取1.44、1.92、0.09、1.3、1.0。

2 數值模擬結果及分析

2.1連續相流場

圖2、3為縱截面中心對稱面速度云圖和速度矢量分布圖。可以看出，廢熱鍋爐內流體速度分布在3～9m/s之間。入口速度為3m/s，在上管箱內速度幾乎沒有變化，當粉塵氣體進入換熱管后，由于截面積瞬時減小，流速迅速增加，換熱管入口處速度達到最大。隨著氣體在管內換熱溫度降低，與管壁摩擦，在阻力影響下，速度逐漸減小，加之重力及慣性力的影響，速度減小并不明顯，在換熱管底部速度最大為7m/s左右，流速在換熱管可以承受的范圍內[9]，不會對換熱管壁沖刷損壞。進入下管箱后速度明顯下降，且在中心區域粒子較為集中，但由于體積增大、壓力減小，在下管箱邊緣處存在少數粒子回流，回流速度可達3m/s。

圖2 速度分布云圖

圖3 速度矢量分布圖

圖4、5分別為y=2400mm、y=6000mm截面上速度分布云圖。對比可見，在長度方向變化很大的情況下，流速變化并不明顯，一方面是因為出口與入口壓力差很小，推動力小，另一方面粉塵與管壁間存在摩擦，有部分能量損失。

2.2溫度場

圖6為縱截面中心對稱面溫度分布云圖。由于在上管箱中認為壁面是絕熱的，因此粉塵氣在上管箱中溫度沒有明顯變化。進入換熱管后與壁面對流換熱，溫度逐漸降低，由1 300K降到1 000K左右。由圖6可以看出，布管區內部比周邊溫度降要快，說明內部區域換熱管換熱量大于周邊換熱管，但溫度分布沒有太大差別，說明各換熱管換熱情況均勻，溫度場沒有出現偏流，換熱情況良好。

圖4 y=2400mm截面速度分布云圖

圖5 y=6000mm截面速度分布云圖

圖6 縱截面中心對稱面溫度分布云圖

圖7、8分別為y=2400mm和y=6000mm截面溫度分布圖，可以看出，兩截面溫度分布差別很大，y=2400mm截面靠近上管板，平均溫度很高，靠近管壁處由于換熱較快溫度為1 250K，換熱管中心處溫度為1 300K。y=6000mm截面靠近下管板，換熱已經充分進行，換熱管中心處溫度最高為1 200K，靠近管板中心處溫度為1 150K，溫度降較大，說明換熱更充分。

圖7 y=2400mm截面溫度分布云圖

圖8 y=6000mm截面溫度分布云圖

2.3離散相流場

圖9、10為縱截面中心對稱面粉塵顆粒運動軌跡圖和濃度分布圖。由圖9可以看出，粉塵顆粒進入外層換熱管時路線稍有曲折，且由速度云圖可知，上管箱靠近壁面處顆粒速度比遠離壁面處顆粒速度小，因此在設計結構時布管應盡量靠近中心處。由圖10可以看出整個裝置上半部分顆粒濃度大于下半部分，外層換熱管內顆粒濃度大于內層換熱管，主要原因在于內層換熱管換熱比外層換熱管充分。圖11中可以充分顯示外層換熱管內顆粒濃度大于內層換熱管，但濃度分布數量級在10-7，管壁處濃度更低，換算為厚度數量級在10-7m，可以認為顆粒在管壁上沒有沉積，不會造成堵塞。

圖9 顆粒運動軌跡

圖10 顆粒濃度分布

圖11 y=6000mm截面顆粒濃度分布

3 結論

3.1換熱管內粉塵流速為7～9m/s，變化范圍很小且分布較均勻，管壁處流速低于管內，進入下管箱流體混合后流速分布不均勻。

3.2下管板附近存在回流區，回流流速最大為3m/s，與此對應回流區顆粒有富集現象，但富集顆粒濃度很低，不會造成嚴重的堵塞。

3.3外層換熱管顆粒分布多于內層換熱管，進而導致內層換熱管換熱量多于外層換熱管，但差別不大，沿流速方向溫度變化很大，各換熱管換熱量沒有太大差別。

[1] 焦樹建.關于目前世界上IGCC發展情況與趨勢的評論[J].燃氣輪機技術，2004,17(3):1～5.

[2] 倪建軍,梁欽鋒,周志杰，等.氣化爐輻射廢鍋內多相流場和溫度場的數值模擬[J].中國電機工程學報,2010,30(5):59～65.

[3] 張廣全.對IGCC電站中廢熱鍋爐技術的探討[J].華電技術,2008,30(2):29～32.

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[5] 王曉瑜.余熱鍋爐流動與傳熱數值模擬及仿真平臺開發[D].成都：西南交通大學,2013.

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NumericalAnalysisofFiretubeWasteHeatBoilerwithAshesandGases

CHEN Cui-liu, AN Lian-xiang, ZHANG He-sheng

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China)

The Fluent software was employed to analyze and calculate gas-solid flow field within the vertical firetube waste heat boiler; making use of turbulence modelk-ε, convection heat transfer model and discrete phase model respectively, both internal flow field and temperature field within the heat exchange tube and the change of particle trajectories in the gas-solid coupling process were investigated. The study result shows that, the variation range of particle trajectories in the heat exchange tube is small when the dust flow velocity stays at 7～9 m/s; and the backflow zone near the down tube plate has a maximum flow velocity of 3m/s and particle enrichment; along the ash-gas (axial) direction, the temperature change becomes bigger obviously, but in the cross section (radial) direction where tubes stay, the internal temperature stays slightly lower than that around the tube-staying zone.

waste heat boiler, vertical firetube, Fluent, flow field simulation

**陳翠柳，女，1989年7月生，碩士研究生。甘肅省蘭州市，730060。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)02-0254-05

2014-08-13)