燃煤機(jī)組中熔鹽爐蓄熱過程數(shù)值模擬研究

吳澤東

（南京工程學(xué)院）

0 引言

全球能源消耗的大幅增長給能源系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)。儲存多余的能源并在需要時(shí)將其轉(zhuǎn)化為立即可用的能源，可能有助于解決迫在眉睫的能源危機(jī)。鋼鐵工業(yè)是能源消耗大戶，占全球能源使用量的8%以上［1］。鋼鐵生產(chǎn)伴隨著大量的能源浪費(fèi)，特別是以各種氣體的形式存在，這些氣體帶走了大量的能源。在這些氣體中，高爐煤氣（BFG）通常直接排放到大氣中或被燃燒，導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)70%以上的二氧化碳排放量。因此，回收高爐煤氣對減少二氧化碳排放至關(guān)重要，并有望為實(shí)現(xiàn)碳中和做出貢獻(xiàn)。

作為鋼鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品，堿性煤氣產(chǎn)量高但熱值低，因此是一種潛在的寶貴可再生能源。世界上已開發(fā)出多種利用含硫燃?xì)獾姆椒ā＠纾珺FG可與高熱值天然氣或焦?fàn)t煤氣（COG）混合，通過加熱高爐或發(fā)電廠的鍋爐直接用于發(fā)電。BFG中含有有價(jià)值的成分，倪星星［2］等人嘗試?yán)肂FG制氫，同時(shí)使用ASPEN Plus軟件驗(yàn)證可行性并優(yōu)化參數(shù)。張泉泉［3］等人利用Cu（Ⅰ）作為催化劑，在室溫下從BFG中提取CO，從而避免高溫處理。BFG還可用于生產(chǎn)其他化學(xué)物質(zhì)。

且近年來，熔鹽儲熱系統(tǒng)（MSTES）的應(yīng)用在聚光太陽能發(fā)電（CSP）領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注和成功［4］。此類系統(tǒng)的商業(yè)運(yùn)行證明了其在存儲和利用熱能方面的有效性。然而，在鋼鐵工業(yè)中，應(yīng)用MSTES回收和利用BFG余熱的潛力在很大程度上仍未得到開發(fā)。該領(lǐng)域以往的研究主要集中在太陽能吸收器的熱性能分析上，而對燃燒加熱MSF的傳熱研究關(guān)注有限。

本文提出一種創(chuàng)新方法，利用1.05MW熔鹽爐研究非均勻熱流條件下的熱能存儲。使用ANSYS FLUENT軟件以進(jìn)一步分析不同加熱條件下熔鹽爐的熱性能。通過數(shù)值模擬和1.05MW熔鹽爐實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證，本研究旨在更好地理解熔鹽爐的加熱過程，并分析加熱過程中熔鹽和線圈的溫度分布和瞬態(tài)變化。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)置

1.1 燃煤機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

熔鹽爐儲熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為三個(gè)部分：熔鹽儲能系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和信息控制與采集系統(tǒng)。熔鹽儲能系統(tǒng)是將熔鹽冷罐中的低溫熔鹽通過熔鹽泵打入盤管，經(jīng)高溫盤管加熱為高溫熔鹽，然后儲存在熔鹽熱罐中。熔鹽爐通過柴油燃燒器燃燒油箱中的柴油來加熱線圈。信息控制收集系統(tǒng)從安裝在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的熱電偶和流量計(jì)收集信息，并根據(jù)這些信息對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)尺寸信息見表1。熱電偶分別安裝在盤管外壁、熔鹽出口、熔鹽入口、煙氣出口和爐膛上方。其中，盤管外壁上的熱電偶是垂直方向上每隔8層布置的一個(gè)測量點(diǎn)。總共設(shè)置10個(gè)測量點(diǎn)［5-6］。質(zhì)量流量計(jì)和體積流量計(jì)分別安裝在熔鹽入口和柴油燃燒器入口處。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先檢查熔鹽冷槽中的熔鹽溫度（ST）是否達(dá)到所需的入口溫度。點(diǎn)燃柴油燃燒器，使用較低的加熱負(fù)荷對線圈進(jìn)行均勻預(yù)熱。當(dāng)所有線圈層的溫度都高于290℃后，以實(shí)驗(yàn)設(shè)定的質(zhì)量流量將質(zhì)譜儀冷槽中的低溫質(zhì)譜儀泵入線圈，同時(shí)將柴油燃燒器切換到實(shí)驗(yàn)所需的加熱負(fù)載。在此期間，記錄線圈壁溫（WT）、熔鹽入口溫度（ST-入口）、熔鹽出口溫度（ST-出口）、熔鹽入口質(zhì)量流量（SR-inlеt）和柴油流量［7］。

熔鹽爐是燃燒器和熱交換器的結(jié)合體，其主要作用是通過對流和輻射將燃燒熱傳遞給熔鹽。本文構(gòu)建的蓄熱系統(tǒng)主體是一個(gè)雙回路立式熔鹽爐實(shí)驗(yàn)平臺，由爐體和燃燒系統(tǒng)兩大部分組成。熔鹽爐的結(jié)構(gòu)為盤管式，爐體由加熱盤管和外殼組成。加熱盤管采用相同直徑的鋼管沿爐體密集盤繞。螺旋管的熔鹽在前進(jìn)過程中不斷改變方向，從而在橫截面上形成二次環(huán)流，強(qiáng)化了傳熱。燃燒器位于熔鹽爐底部，柴油燃燒產(chǎn)生高溫輻射和煙氣［8］。盤管和熔鹽爐外殼之間留有環(huán)形煙氣回流室，盤管作為"隔墻"密集布置，以充分利用熱量。盤管壁控制高溫?zé)煔獾牧飨颍蛊渖仙綘t頂，并通過煙氣回流室從煙氣出口排出。燃燒器的主要作用是產(chǎn)生輻射熱流和高溫?zé)煔猓瑸槿埯}爐提供熱源。由于高爐煤氣成分復(fù)雜且危險(xiǎn)，目前實(shí)驗(yàn)室中還沒有能滿足全部實(shí)驗(yàn)要求的高爐煤氣。本研究的主要目的是分析和測試熔鹽爐的蓄熱性能。燃料的選擇不會對本研究產(chǎn)生影響，因此實(shí)驗(yàn)中使用柴油代替高爐煤氣作為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模熔鹽爐的燃料。

2 數(shù)值建模

熔鹽爐爐殼采用較厚的隔熱材料，以最大限度地減少熱量損失并達(dá)到最佳絕熱條件。這使得無法利用外部設(shè)備測試爐膛內(nèi)的輻射通量分布。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，因此本文使用ANSYS FLUENT 16.0和MATLAB R2021а進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究熔鹽爐的熱性能。在FLUENT中，朝向火源（FW）的盤管外壁表面被選為主要模擬對象。然后將獲得的熱通量分布作為熱邊界條件輸入本研究開發(fā)的MATLAB程序，以模擬和分析熔鹽爐的熱性能。熔鹽爐實(shí)驗(yàn)設(shè)備的封閉性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程中可測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極少，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏通用性。而數(shù)值建模有助于解決這一問題，并節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。

3 結(jié)果與討論

3.1 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

良好的網(wǎng)格有利于獲得精確的模擬結(jié)果并節(jié)省計(jì)算資源。在圖1中，根據(jù)基準(zhǔn)情況下的最大輻射熱通量密度和盤管最大壁溫（WT-mаx）進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析。分析選擇498766、1035230、1739844、2433658和3057447個(gè)單元格。當(dāng)網(wǎng)格中的單元數(shù)比1739844增加39.88%，最大盤管最大壁溫值僅增加0.1%，最大輻射熱通量密度僅增加19.0W/m2，均遠(yuǎn)小于1%。當(dāng)緊湊網(wǎng)格與相對網(wǎng)格之間的誤差差距縮小到小于1%時(shí)，就可以認(rèn)為網(wǎng)格收斂了。因此，后續(xù)研究最終選擇1739844個(gè)單元的網(wǎng)格。

圖1 網(wǎng)格獨(dú)立性分析

3.2 線圈熱通量分布

應(yīng)用FLUENT 16.0軟件，使用選定的網(wǎng)格模擬熔鹽爐的加熱過程，以獲得線圈上的熱通量密度分布。如圖2所示，隨著加熱功率的增加，熱通量密度逐漸增加到額定負(fù)載下的70 kW/m2左右［9］。且可以觀察到，當(dāng)加熱功率較低時(shí)，由于柴油入口流速較低，火焰高度也較低，因此火源上的熱流密度分布較為均勻。在相同的加熱功率下，熱流密度隨著線圈高度的增加而逐漸增大。在75%的負(fù)荷下，頂部盤管的熱流密度是底部盤管的三倍，在更高的負(fù)荷下，這一數(shù)值更大。在相同高度下，盤管外壁表面接收到的熱流密度是均勻的。盡管如此，火焰燃燒的不穩(wěn)定性和煙氣出口的設(shè)置仍會造成不可避免的波動。但這并不影響接下來的數(shù)據(jù)提取和MATLAB程序的使用。

圖2 不同加熱功率下線圈的熱通量密度分布

3.3 不同的熔鹽溫度入口

在基準(zhǔn)情況下，SR入口（1.7kg/s）和火源上的熱通量密度（加熱功率為75%）保持不變。通過改變?nèi)埯}溫度入口（260°C、290°C、320°C、350°C、380°C）來研究對熔鹽爐熱性能的影響。

如圖3所示，MS在線圈中流動的過程中逐漸被加熱。熔鹽溫度入口的變化并不影響MS加熱的整體趨勢。當(dāng)熔鹽溫度入口溫度為380℃時(shí)，熔鹽溫度出口溫度達(dá)到最大值563.06℃，而當(dāng)熔鹽溫度入口溫度為260℃時(shí)，MS仍能被加熱到546.73℃。隨著熔鹽溫度入口溫度的升高，熔鹽溫度出口溫度也隨之升高，但當(dāng)熔鹽溫度入口溫度升高到350℃以上時(shí)，熔鹽溫度出口溫度穩(wěn)定在565℃。相反，隨著熔鹽溫度入口的升高，熔鹽溫度-升高也隨之降低，從286.5°C降至183°C。一般來說，當(dāng)熔鹽溫度入口升高時(shí)，WT變高，盤管的輻射熱損失增加，從而導(dǎo)致MS的能量吸收減少。因此，當(dāng)線圈表面的熱流恒定時(shí)，MS的溫升會隨著熔鹽溫度入口的升高而降低，這一規(guī)律應(yīng)與一些關(guān)于太陽能接收器吸熱管的模擬結(jié)果相一致。

圖3 不同熔鹽爐溫度入口的變化

在圖4中，θ=0時(shí)WT最大值的上升趨勢與之前分析的ST上升趨勢一致。在不同的ST入口處，MS出口處的WT-out被加熱到超過545°C。ST入口的增加會提高整個(gè)線圈的最大WT值。當(dāng)ST入口溫度升高120°C，ST出口溫度僅升高17°C。同樣，MS出口的WT最大值也提高15°C，甚至更低。造成這些現(xiàn)象的原因也是輻射熱損失的增加。努塞爾特?cái)?shù)相關(guān)性在WT中起著重要作用，而ST入口的增加會導(dǎo)致盤管中強(qiáng)制對流相關(guān)性的修正參數(shù)發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為MS的粘度隨著溫度的升高而降低，這導(dǎo)致MS靠近壁面的流速升高，并增強(qiáng)了盤管與MS之間的熱量傳遞。另一方面，MS與盤管之間的溫差減小導(dǎo)致傳熱系數(shù)減小，從模擬結(jié)果來看，溫差對WT的影響更為明顯。

圖4 WT-max分布

4 結(jié)束語

隨著熔鹽溫度入口溫度的升高，熔鹽溫度出口溫度也隨之升高，但當(dāng)熔鹽溫度入口溫度升高到350℃以上時(shí)，熔鹽溫度出口溫度穩(wěn)定在565℃。相反，隨著熔鹽溫度入口的升高，熔鹽溫度-升高也隨之降低，從286.5°C降至183°C。在75%的負(fù)荷下，頂部盤管的熱流密度是底部盤管的三倍。在相同高度下，盤管外壁表面接收到的熱流密度是均勻的。