合成气对冲模拟分析及研究

高嘉楠，方小里，刘彬超

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 引言

遵循世界能源清洁、高效、减排的发展趋势，推动煤炭清洁高效利用是“十四五”期间我国能源转型的首要任务。带有显热回收的清洁高效型煤气化废锅流程技术具有效率高、环境友好的特点，其技术优势越来越明显，将是现代大型煤化工发展的趋势。对流废锅则是大型煤化工显热回收设备中最为关键的设备之一，其安全可靠运行决定着整个系统的效率。

对流废锅的壳程为高压高温的工艺合成气，管程为高压过热蒸汽，可作为动力、工艺、园区发电用蒸汽等。对流废锅的合成气入口多采用对冲结构的布置方式，对入口区域的受热面存在高温冲刷、磨蚀的风险；且合成气中携带一定的灰粒，分析入口区域的速度场分布及湍流剧烈的程度，从而可得到炉墙内颗粒撞击壁面的主要区域。目前，对冲燃烧锅炉关于此方面的研究分析较多，用于指导水冷壁受热面的结构布置、风量分布等。本文利用CFD软件对某项目的合成气对冲进行模拟分析，给出方形炉膛入口处的流场分布特性，为类似结构的设备设计提供一些参考。

1 设计参数

1.1 合成气参数

设备入口是高温高压的合成气，参数见表1。表中为总的合成气量。

表1 合成气物料特性

1.2 设备结构参数

本次分析结构模型主要由DN600的合成气通道及方形炉膛组成，见图1。

图1 模型结构简图

2 模型选取及网格划分

2.1 模型选取

整个对冲模拟过程中主要采用湍流模型、颗粒相模型，具体所选模型如下：

1)湍流模型选用Realizable k-ε模型，无滑移边界条件和标准壁面函数。Realizable k-ε模型与标准k-ε模型的主要区别是粘度计算式中的系数不是常数，而是引入了与转角、曲率等结构有关的内容，更适合涉及对冲、涡流等复杂流动。

2)颗粒相模型采用拉格朗日离散相模型，了解炉内颗粒相的运动轨迹。对于高粒子密度，如流化床等使用欧拉-欧拉模型，本项目使用欧拉-拉格朗日模型，了解炉内颗粒相的运动轨迹，为后续设置防磨措施提供依据。

2.2 网格划分

对流废锅为了充分回收合成气中的物理显热会设置汽包墙、换热管等受热面；考虑减小流通面积，增加流速，汽包墙采取方形结构。本模型简化成由钢板组成的相同尺寸的方形合成气通道及对置的入口通道，见图2。采用四面体网格对已建立的局部入口三维模型进行网格划分，并在壁面处划分边界层网格。依据经验及对流废锅几何模型的实际尺寸，通过调整网格最大、最小尺寸，边界层层数等参数，将网格无关性验证的各算例对应的网格数调整为500万、660万、900万，以上三个算例网格偏斜度均小于0.8，即正交质量均大于0.2，网格质量满足要求。本文取网格数量660万的模型进行以下研究分析。

图2 三维模型及网格划分

3 模拟结果分析

3.1 流场分析

根据以上的合成气和结构尺寸参数，可知入口通道内的合成气流速约9 m/s。由图3、图4明显可见，合成气从对置的两个口流入炉膛后，两股气流在方形通道中心发生碰撞，形成垂直于入口通道的近视圆盘形状的气流对冲区[1]；气流对冲区中心的气流速度很低，接近停滞，外围的气流速度则较高，最高约为6～7 m/s。

图3 速度流场示意图

图4 三向截面的速度分布图

3.2 贴壁处的速度分析

两股高温高压的合成气从对置的入口通道进入炉膛之后，发生对冲，会形成剧烈复杂、不稳定的湍流运动，可能对四面炉墙形成磨蚀等效果[2]。需要分析研究炉墙贴壁处的气流速度分布情况，便于对炉墙受热面采取防护措施。由图5可见，对冲区中心气流速度很低，向四周扩散，在四面炉膛的贴壁处形成较高流速区域，且平行于合成气入口通道的炉墙(称为前、后墙)。贴壁处的合成气流速明显相比左、右墙贴壁处要高不少，最高达到7 m/s，且高速区域范围较大；左、右墙贴壁处的最高流速为4 m/s。

(a) 前壁 (b)后壁

3.3 入口下部炉膛的速度分布

合成气入口下面会设置其它受热面，需要分析研究对冲后合成气在不同水平高度的气流速度分布情况[3]，便于指导受热面的结构布置及防护措施设计。由图6及图7可见，合成气发生对冲之后，向下扩散过程中，速度逐渐下降，且整个平面的速度分布逐渐趋于均匀化。在入口下面0.5 m的水平截面上，中心最高速度高达7 m/s，边上最低速度为1 m/s；入口下面1.75 m(本项目第一组换热管上部)的水平截面上，整个速度流场基本上属于均匀化状态(因为换热管存在的原因，存在一定的扰动)，平均速度约2 m/s，最高速度仅3 m/s；合成气对换热管的冲刷微乎其微。

图6 入口下部不同水平截面位置

(a) 入口以下0.5 m (b) 入口以下1 m

4 结 语

本文通过对对流废锅方形炉膛的合成气对冲进行模拟分析及研究，可得到以下几点主要结论，为类似设备的设计提供参考意见：

1)合成气从对置的两个口流入炉膛后，两股气流在方形通道中心发生剧烈碰撞，形成复杂、不稳定的湍流对冲区；且中心的气流很低，接近停滞，外围的气流速度则较高。

2)入口通道附近的炉墙贴壁处合成气流速很高，对炉墙的磨蚀较严重，建议对此处炉墙的换热管采取一定的防护措施，如表面设置SIC浇筑料、堆焊耐磨材料等。

3)入口下部炉膛的气流分布随着水平高度的下降，流速逐渐降低，并趋于均匀化，对下部一定距离的受热面无严重的冲刷作用。