干煤粉加压气化炉对流废热锅炉内多相流场和温度场的数值模拟

张传美， 金 晶， 张 号， 蒋 杰， 高文静， 董 振

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海200093）

整体煤气化联合循环（IGCC）发电是当今世界备受关注的一项发电技术，学者们对IGCC系统整体性能进行了大量研究［1］.气化炉后的废热锅炉是IGCC系统中的关键设备.在废热锅炉的干煤粉气化工艺中，气化炉出口合成气携带熔渣飞出，虽已经过激冷，但合成气仍具有较大的显热（900～1 000℃），采用废热锅炉对其进行热量回收能使IGCC供电效率提高4%～5%［2］.干煤粉气流床气化炉出口合成气的流速大，在废热锅炉内的停留时间短，飞灰含量虽不高，但是颗粒较细，并且废热锅炉在高温高压无内热源的工况下运行，操作条件苛刻［3］，因此对其进行实验研究非常困难，而通过数值模拟可对系统运行情况进行比较全面的分析.

目前，国内外对辐射废热锅炉的研究比较多见，Brooker等［4－5］对 Cool Water电站辐射废热锅炉内的积灰结渣进行了采样分析.倪建军等［6］对辐射废热锅炉内的多相流流动、传热和熔渣行为进行了数值模拟研究.然而，有关对流废热锅炉的研究尚不多见，Tampa电站实际运行的结果表明，粗煤气经辐射废热锅炉冷却后进入对流废热锅炉内，很容易被合成气携带的灰渣颗粒堵塞，从而造成锅炉停机［7］.王婧等［8］利用Thermalflex软件研究了对流废热锅炉内合成气的热物性和锅炉严重积灰时对传热的影响.牛玉奇等［9－10］根据永城5×105t／a甲醇煤化工装置的运行情况，分析了Shell煤气化后合成气冷却器的运行情况.鉴于研究现状，系统研究对流废热锅炉内部流场、温度场和颗粒相的分布可为高压下对流废热锅炉的设计和运行提供一定的参考.

笔者利用多组分输运模型、多相流模型和传热模型对废热锅炉进行数值模拟.考虑颗粒相的传热，运用双向耦合模型模拟两相之间的影响；采用随机轨道模型计算颗粒运动轨迹；采用DO模型求解辐射传热对废热锅炉传热的影响［6］，其中高压合成气的基本参数由对比态方法、混合法则联合压力成分修正方法和 Hottel的实验数据外推得到［11－12］.

1 物理模型的建立

以某250MW IGCC示范项目为例，废热锅炉的结构见图1，整体高度为30m.废热锅炉内件由最外层圆筒形膜式水冷壁和3圈螺旋盘管形膜式壁组成，内、中、外3圈盘管形膜式壁的半径分别为0.5 m、0.6m和0.7m；盘管形膜式壁各圈之间密封分隔，纵向分为3段，即上段受热面、中段受热面和下段受热面，对应长度分别为5m、5.5m和6m；炉内受热面采用悬挂式支撑方式，形成多烟道的对流废热锅炉.盘管形膜式壁内芯使废热锅炉结构更加紧凑，传热面积增大.赵振兴等［13］的研究表明，在保证横纵向节距相等时，相同换热条件下膜式盘管的传热系数大于膜式蛇形管，且随着压力的升高和流速的增大，盘管形膜式壁的优势更加明显.

图1 高压对流废热锅炉的结构示意图Fig.1 Structural diagram of the high－pressure convective waste heat boiler

2 数学模型的分析

合成气组分较多，其中CO和H2的体积分数约为85%［14］，且高温高压下各组分的物理化学特性各不相同，因此采用组分输运模型模拟各组分间的相互作用.其中连续相在欧拉坐标系下求解，离散相由于体积分数很小（小于10%～12%），采用DPM模型结合双向耦合法在拉格朗日坐标系下求解.模拟中忽略附加力，考虑颗粒的热辐射作用.由于合成气出口温度为900℃，废热锅炉中对流为主要换热方式，由高压废热锅炉的热力计算得到，对流换热量占总换热量的85%，而辐射换热量仅占15%.因此在求解纳维－斯托克斯方程时，对流项采用二阶迎风插值法，辐射换热的求解采用DO模型，并对空间八分体4π空间角进行离散化.

合成气中的热辐射气体CO、CO2、CH4和水蒸气的辐射特性采用灰气体加权和模型求解，合成气中煤渣颗粒的辐射能力远强于合成气，且辐射特性与颗粒本身结构和化学成分密切相关.根据Mills测得的还原性气氛下实际煤气化炉颗粒辐射特性值，颗粒的发射系数取0.83［15］.

3 网格划分与边界条件

3.1 网格划分与求解设置

对流废热锅炉为轴对称图形，对其进行1／4六面体结构化网格划分，网格总数为20万，对环隙通道和靠近受热面的区域进行网格加密.内受热面用堵板进行封闭，气体不经过此区域，只有少量回流，因此网格尺寸相对较大并不影响计算结果.气流在壁面处采用边界无滑移和标准壁面函数法.

采用控制体积法离散微分方程和稳态方法计算传热稳定后的流场和温度场.为提高计算精度，对流项采用二次迎风差值，压力耦合的求解采用基于质量、动量和能量传递方程的Simple半隐式方法，压力采用Presto离散化方法.计算分不同的阶段进行：首先计算冷态气相流场，待收敛后加载颗粒相，对气固耦合的两相流场进行计算，最后启动能量方程后计算温度场，颗粒轨道跟踪流场计算每迭代30步更新一次，总计算步数约为20 000步.

3.2 边界条件

该对流废热锅炉合成气侧的操作压力为3.1 MPa，管内水蒸气侧压力为5.1MPa，合成气入口温度为900℃，质量流量为160.9t／h，各组分的体积分数见表1，灰渣颗粒的质量流量为6 800kg／h，粒径分布由工业运行采样得到，计算时采用Rosin－Rammler分布.

表1 IGCC系统废热锅炉合成气各组分的体积分数Tab.1 Syngas components in waste heat boiler of IGCC system

4 模拟结果及分析

4.1 流场分析

图2给出了对流废热锅炉各段受热面入口2m处的速度分布，其中L为距离废热锅炉入口的长度，x为受热面截面的轴向长度.由图2可知，此时气流在环隙内的流动趋于稳定.由于内圈受热面堵板的作用，气流的最大速度波峰右移，且外圈环隙速度最大，最大值为6m／s，与热力计算结果（6.13m／s）相比，误差为2.1%，中圈环隙速度次之，内圈环隙速度最小.

图2 3段受热面入口2m处速度沿半径方向的分布Fig.2 Velocity distribution along radial direction at the position 2 m away from the entrance of heating surface

图3给出了3圈环隙和中心轴线上合成气速度沿锅炉高度方向的分布，其中y为高度.由图3可知，合成气入口速度为3.32m／s，进入环隙后，由于截面积减小，气流速度显著增大，在环隙内随着温度的降低，合成气的密度增大，速度有所减小.合成气到达大空间区域后，由于截面积突然增大，合成气速度显著减小，以此类推，在到达灰斗之前，合成气的速度减小为3～4m／s，且整个过程中气流速度由外圈环隙到内圈环隙依次减小.由图3还可以看出，在出口大空间区域，中心轴线上有一个速度为0.5～1.3m／s的回流区，这是由不同速度的合成气从螺旋盘管受热面出来后在大空间内强烈交汇所产生的压力梯度引起的.在堵板挡住的区域内，充斥着较低速度的合成气，这部分高压合成气通过自身的导热能力和辐射作用与管内工质进行热交换.

图3 3圈环隙内和中心轴线上合成气速度沿锅炉高度方向的分布Fig.3 Velocity distribution in three circles and on central axis along boiler height direction

4.2 温度场分析

图4和图5分别为3圈环隙内合成气温度的轴向分布和上段受热面出口处的温度分布，其中z为受热面截面的径向长度.由上述流场分布可知，从外圈环隙到内圈环隙，合成气流速逐渐减小，但由图4可知，内圈环隙内气体的出口温度却最低，外圈环隙次之，中圈环隙最高.因此，内圈管内水在换热时受到单侧冲刷结构和堵板内部回流气体换热的影响，单侧冲刷换热占主导作用，这与杨震等［16］的结论相符，即堵板区域内高温高压气体的导热能力和辐射换热能力不可忽略.沿锅炉高度方向，随着合成气辐射作用的减弱，中段受热面和下段受热面合成气的出口速度逐渐接近，到达出口时速度曲线基本重合.

图4 3圈环隙内合成气温度沿锅炉高度方向的变化Fig.4 Temperature distribution of syngas in three circles along boiler height direction

由图5可知，上段受热面出口合成气温度约为700℃（即973K），图4中中段受热面入口处（距离废热锅炉入口11m）合成气温度约为610℃（即883 K）.研究表明［17］，600～700℃为 Na和 K等碱金属结晶的重要温度范围，而在该对流废热锅炉中，这段温度范围恰好出现在大空间区域，该区域内无环形受热面分布，故此区域内的气体换热完全由外部膜式水冷壁完成，碱金属类物质变成固体灰粒后被气流带走，防止了受热面的积灰磨损.

图5 上段受热面出口处合成气的温度（单位：K）Fig.5 Outlet syngas temperature of upper heating surface（unit：K）

各段受热面和膜式水冷壁的传热系数见表2.由表2可以看出，最小的传热系数是相同流速下常压废热锅炉的3倍，因此采用高压工况可大大提高热回收效率.但是，高压却促进了积灰的形成［8］，因此，解决积灰问题是保证废热锅炉高效运行的首要任务.

表2 3段受热面和膜式水冷壁的传热系数Tab.2 Heat－transfer coefficient of three sections of heating surface and of the membrance water wall

4.3 颗粒质量浓度分析

图6给出了高压下对流废热锅炉各段受热面颗粒质量浓度ρc的变化.由6（a）可以看出，上段螺旋盘管膜式受热面入口处由于击打沉积，飞灰质量浓度很大，且由于每段受热面出口处合成气的回流作用，飞灰被卷进堵板挡住的区域，因此堵板以下中心区域飞灰的质量浓度也很大，达到1kg／m3，甚至更大.相比之下，中段受热面堵板以下区域只有下半部分飞灰的质量浓度较大（见图6（b）），下段受热面最下部小回流区域中的局部区域出现飞灰质量浓度较大的现象（见图6（c））.在合成气入口堵板处，各段受热面底部容易产生积灰和磨损，尤其是整个上段受热面的飞灰质量浓度最大.河南鹤壁Shell煤化工气化厂的运行工况表明，废热锅炉内典型的结垢位置为合成气入口处、中压蒸汽过热器十字架、两段蒸发器和换热盘管底部［10］，故笔者模拟结果与实际运行情况相近.

数值计算中对10 000个颗粒进行了示踪统计，得到了颗粒的停留时间和温度变化.结果表明，颗粒的平均停留时间为20s左右，颗粒跟随性良好，但有些颗粒停留时间较长，达到100s，因此飞灰滞留在锅炉内，这也是对流废热锅炉运行过程中产生积灰现象的原因.国内外某些Shell气化炉已出现合成气冷却器的积灰问题，积灰成为制约装置长周期运行的最大障碍.

图6 废热锅炉3段受热面颗粒质量浓度的分布Fig.6 Mass concentration distribution of particles in three sections of heating surface in waste heat boiler

目前，解决积灰问题多从气化炉的操作进行考虑：（1）为保证激冷气进入废热锅炉时能够冷凝，100%负荷时控制激冷比≥1.1，永城项目曾有一段时间激冷比控制为0.98，废热锅炉的出口温度在24 h内升高了8K［9］；（2）煤灰组分尤其是其中的w（SiO2）／w（Al2O3）是影响积灰的主要因素，合理配煤也是减少积灰的一种方法，大量的试验表明，当w（SiO2）／w（Al2O3）＜1.7 时，可 与w（SiO2）／w（Al2O3）＞2的煤种混烧［9］；（3）尽量保证气化炉在高负荷下运行，适当控制氧煤比和石灰石配比等［10］.根据模拟结果，若从废热锅炉侧入手，吹灰装置布置尤为重要，在合成气入口处、上段受热面堵板挡住的区域和每段受热面出口处要布置吹灰器和敲击装置，以防止积灰堵塞，否则合成气以4倍的正常流速通过换热器，会使换热管的振动频率达到1×104次／min，换热管极易产生疲劳和发生断裂［10］.

5 结 论

（1）连续相的速度由内圈环隙到外圈环隙逐渐增大，沿废热锅炉高度方向逐渐减小，且由于堵板作用，环隙中的速度峰值出现偏移.在大空间交汇的区域出现回流.在上段受热面堵板挡住的区域，颗粒的质量浓度较大，需要布置吹灰装置以保证锅炉的正常运行.

（2）沿锅炉高度方向，连续相的温度逐渐降低，上段受热面出口处内圈环隙内的温度最低，且3圈环隙出口处合成气的温度均为700℃左右，使Na和K在大空间区域内结晶，防止了受热面的损坏.

（3）颗粒相停留时间为20s左右，颗粒跟随性好，但也有少数颗粒停留时间较长，达到100s，易引起积灰.

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