第38卷第1期化學(xué)工程Vol.38No.I.2010年1 月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Jan. 2010氣化爐與輻射廢鍋接口的數(shù)值模擬倪建軍，梁欽鋒,于廣鎖，于遵宏(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)摘要:建立了多相流動(dòng)和傳熱耦合數(shù)學(xué)模型,以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模氣化裝置對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。再通過(guò)該模型對(duì)氣化爐與輻射廢鍋的接口進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn):氣化爐底部錐體璧面有大量灰渣顆粒積聚,并在錐體上形成熱阻較大的熔渣流;廢鍋拱頂存在長(zhǎng)約4 m的回流區(qū),部分顆粒被卷吸回流;此外,增加直段高度、加長(zhǎng)冷卻管和降低耐火磚厚度都將使接口工作溫度下降;提高氣化溫度和操作負(fù)荷則會(huì)使接口工作溫度上升,且氣流流速也將隨產(chǎn)氣量的增加而提高。關(guān)鍵詞:整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);氣化爐;熔渣顆粒;輻射廢鍋;輻射傳熱中圖分類號(hào):TK 284文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-9954(2010)01 4089-05Numerical simulation of connection of entrained flow gasifierto radiant syngas coolerNI Jian-jun, LIANG Qin-feng, YU Guang-suo, YU Zun-hong( Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education, East China University ofScience and Technology , Shanghai 200237, China)Abstract:A novel model of multiphase flow and radiative heat transfer combination was established. The resultspredicted are in good agreement with the lab-scale gasifier experimental data. And this model was used to carry outthe unsteady calculation about the connection of entrained flow gasifier to the syngas cooler. It shows that a largenumber of particles deposite on the cone of the bottom of gasifier and form the slag flow with larger thermalresistance. The vault of radiant syngas cooler (RSC) has a reflux region of4 m in length and many slag particlesare entrained back. Moreover, the temperature of the connection decreases with increasing the straight section ofconnection and the height of cooling tube and decreasing the thickness of frebrick. The temperature of theconnection increases with increasing the gasification operation temperature and the operation load. The velocity ofgas flow also increases with the increasing of the syngas production capacity.Key words :IGCC; gasifler; molten. slag particle; radiant syngas cooler; radiative heat transfer廢鍋流程煤氣化技術(shù)是指利用輻射式和對(duì)流式氣的輻射特性參數(shù)通過(guò)Hottel等[2]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外推廢熱鍋爐最大限度地回收合成氣中的顯熱,以生產(chǎn)得到,運(yùn)用顆粒輻射特性計(jì)算模型[34)包括了顆粒相高壓蒸汽或預(yù)熱其他工藝介質(zhì)。這樣可以回收相當(dāng)對(duì)傳熱的影響,采用隨機(jī)軌道模型[5]計(jì)算了顆粒的于原料煤低位發(fā)熱量中15% -18%的能量,使得熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律,運(yùn)用DOM模型求解輻射傳熱方程,得到煤氣效率可達(dá)到90%- 95% ,對(duì)于整體煤氣化聯(lián)合了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)接口內(nèi)溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)的循環(huán)( ICCC)系統(tǒng),發(fā)電凈效率可提高4%- -5%(絕影響規(guī)律。.對(duì)值)。氣化爐和廢鍋的接口由于操作條件苛刻, .對(duì)其直接實(shí)驗(yàn)研究相當(dāng)困難,而通過(guò)數(shù)值模擬可對(duì)1數(shù)學(xué)模型的建立氣化系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確分析”。.1.1 控制方程本文通過(guò)建立多相流動(dòng)和傳熱數(shù)學(xué)模型,對(duì)接中國(guó)煤化工,考慮接口結(jié)構(gòu).口內(nèi)的多相流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析。合成fHCNMHGt算。基于將沿基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)自(000C217703) ;教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃( NCET:060416);上海市教委曙光計(jì)劃(06SC34)作者簡(jiǎn)介:倪建軍(1983--) .男,博士研究生,研究方向?yàn)槊簹饣cICCC發(fā)電,電話:(021 )64252831 ,Email:jaijunni@ mail. ecust. edu. cn。●90●化學(xué)工程2010年第38卷第1期壁熔融態(tài)流渣與合成氣流作為某種連續(xù)介質(zhì),且對(duì)氣流夾帶顆粒運(yùn)動(dòng)的建模中采用隨機(jī)軌道有質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的灰分以顆粒形式被氣流夾帶模型,離散相是通過(guò)積分拉氏坐標(biāo)系的顆粒作用的假設(shè),建立了接口內(nèi)氣液固三相系統(tǒng)的傳熱流力微分方程求解顆粒的軌道,顆粒作用力平衡方動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由于氣液二相在流動(dòng)過(guò)程程為15)中沒(méi)有發(fā)生相互滲透,因而本文采用流體體積法dup=F,(u-u)+6:(Pe -P)+F(3)(VOF)多相流模型進(jìn)行模擬,不可壓湍流采用標(biāo)ltP準(zhǔn)k-8模型[6]:式中:F為附加加速度項(xiàng);Fp(u-u,)為單位質(zhì)量顆a(pk) + a(pku.)品[(4+共)驗(yàn)]+粒的曳力項(xiàng),其中Fp=18 CgRe Re。pd,|u。-u.x;ρ。d 24Gq+G, -pe-Yy+S; .(1)g為重力加速度;Pp為顆粒密度;C為曳力系數(shù);upa(e) + a(pau:)[(μ+5)三] +為顆粒速度;d,為顆粒直徑。x:1.2 介質(zhì)輻射模型C號(hào)(G +C2.G)-C2p∈+S。(2)采用Hotel(2J)的圖表法結(jié)合修正公式計(jì)算介質(zhì)式中:模型常數(shù)C。=1.44,C2 =1.92,σ=1.0,的輻射特性參數(shù),采用合成氣中的CO2和H2O為主σ。=1.3;C3為模型變量;G;,G,分別為平均速度梯要熱輻射介質(zhì),其典型體積分?jǐn)?shù)分別為0.1369和度和浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)力學(xué)能;Yu為脈動(dòng)膨脹對(duì)湍0.2233。此時(shí)高溫高壓下混合氣體輻射吸收系數(shù)流擴(kuò)散的貢獻(xiàn)度;t為時(shí)間;p為氣體密度;u,u,分別可近似計(jì)算12.748。H20 和CO2的氣體吸收率分別為流體黏度和湍流黏度;s,S。為自定義源項(xiàng);k為計(jì)算為湍動(dòng)能;e為耗散率;u;為速度;ij=1,3,-.a(H20) =C(H20)●.e'(H20) ●合成氣和顆粒(T/T.)0.45 =0.514(4)耐火磚入唱a(CO2) =C(CO2)●.e'(CO2) ●(T/T.)".s =0.186(5)《化爐式中:e°(H20) ,e(CO2) ,C( H20)和C(CO2)分別為0.42 ,0.15,1.6,1.2;Tg,T.分別表示氣體和壁面溫度。接口直段~熔清流a(H20 +CO2) =a(H20) +a(CO2)-熱對(duì)流Aετr。 =0.514 +0.186 -0. 05 =0.65(6)式中:Aer表示水蒸氣和CO2混合氣體輻射修正系數(shù)。1.05 m顆粒的輻射吸收率和散射率分別采用如下公式昌|計(jì)算[34):軀射廢鍋入口熱輻射πd:吸收率ap =epZN."(7)2.3 m散射率σ=(1-e,)EN.T(8)水冷壁u(x.)式中:飛灰發(fā)射系數(shù)ε,取0.9,N,和πd:/4分別為顆粒數(shù)密度和i顆粒投影截面積;σ_為散射率;d;為直徑,m。中國(guó)煤化工系數(shù).0]:水.MYHCNMHGm-'=2.97 m-'圖1物理橫型示意圍(9)Fig.1 Structure of physical model該計(jì)算值與李鐵等['0]計(jì)算下降管內(nèi)合成氣輻倪建軍等氣化爐 與輻射廢鍋接口的數(shù)值模擬●91射吸收系數(shù)相近。律和歐姆定律,多層圓簡(jiǎn)壁的導(dǎo)熱模型可轉(zhuǎn)換成同種材料的厚度導(dǎo)熱模型[",則通過(guò)圓簡(jiǎn)壁的熱流量2模型檢驗(yàn)φ為為了檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確性,首先計(jì)算了文獻(xiàn)T.-T.(10)[5]中的實(shí)驗(yàn)工況。氣化爐模型尺寸見(jiàn)圖2,圖中標(biāo)1+號(hào)1-5為熱偶位置,計(jì)算段的人口溫度1350 K,氣E2πλlha速0.5 m/s。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3,可以式中:分母表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的n層圓筒壁的熱阻，看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。且實(shí)驗(yàn)室規(guī)模氣C/W;A. 為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m.K)?；癄t與工業(yè)規(guī)模氣化裝置的運(yùn)行工況相似,因此可運(yùn)用本模型對(duì)氣化爐與輻射廢鍋接口運(yùn)行情況進(jìn)行4接口模擬結(jié)果及分析準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。4.1流場(chǎng)分析圖4顯示了接口錐體壁面有大量的灰渣顆粒沉積，固態(tài)灰渣顆粒與液態(tài)熔渣的混合使其厚度增加,總熱阻提高,壁面溫度上升。此外,直段內(nèi)顆粒主要井串月集中在中心流道,這樣降低了壁面熔渣沉積和結(jié)渣堵塞流道的概率。圖5顯示廢鍋拱頂存在長(zhǎng)約4 m的回流區(qū)。由于拱頂煙氣溫度超過(guò)了灰渣相變溫.0.3m度,熔融的煤灰顆粒在旋轉(zhuǎn)氣流的作用下，碰到溫度較低的水冷璧沉淀并固化。不斷增加的固態(tài)渣層增大了熱阻,導(dǎo)致固態(tài)渣表面溫度上升,最終超過(guò)渣的相變溫度,形成液態(tài)渣層。.圈2多噴嘴氣化爐示意圜Fig.2 Oppoed muli. burner gasifier1350p1345蘭1340-圖4接口頭部顆粒流場(chǎng)1 335Fig.4 Particle flow inside transition133002 0.4 0.6 0.8 1.oH/m營(yíng)崇嵩肖巖營(yíng)崇嵩崗巖巖圈3氣化爐爐壁溫度Fig.3 Wwall temperature of gaifier3接口邊界條件(1)合成氣進(jìn)口溫度1585 K,流速1.37 m/s,圈5廢鍋頭部速度矢量圖顆粒流量0. 46 kg/s, 操作壓力4 MPa,冷卻水給水; vector of radiant syngas cooler ( RSC)溫度593C，進(jìn)水流速10 m/s，操作壓力中國(guó)煤化工9.64 MPa。(2)壁面邊界采用壁面無(wú)滑移速度,由于爐壁4.2H在接山人口益皮為1500 n時(shí),討論了結(jié)構(gòu)參CNMHG有3種不同的耐火磚和金屬外殼構(gòu)成,按傅里葉定數(shù)變 化對(duì)接口內(nèi)流動(dòng)和傳熱的影響?！?2.化學(xué)工程2010年第 38卷第1期(1)總直段高度H1585H變化對(duì)廢鍋人口溫度T;的影響如圖6所示。1580二上2....工況3隨著H的增加,直段自然對(duì)流散熱量增加,T;下降，1575但降幅不大。圖7反映了H變化對(duì)接口內(nèi)流場(chǎng)的157影響?？梢钥闯?隨著H的增加，接口中心流速明i 1565-顯提高,當(dāng)H為4.26m時(shí)，中心流速最高達(dá).1560-24.5 m/s。進(jìn)人廢鍋后流速迅速衰減至5 m/s以1555下,此時(shí)直段高度的影響很小。1550T 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6圖8不同內(nèi)火村里厚度下的T:1580-4.14Fig.8 T; comparison at diferent AdI 575I 570-1 590r拐點(diǎn)21 565-1 570-15660.15030 0.450.60寬度X/m心1ss0- 拐點(diǎn)圈6不同直段高度下的T對(duì)比140+Fig.6 T: comparion at diferent height1 5301520625[H/m0f--- 4.26圈9不同冷卻管高度 H,下的壁面溫度對(duì)比Fig.9 wall tempernture conmparison at dfferent Hg4.3操作參 數(shù)的影響在IGCC系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,氣化爐運(yùn)行存在負(fù)荷變化和操作溫度波動(dòng)的情況。圖10為氣化負(fù)荷分別為80% ,100%和120%時(shí)T;的變化情況,可以圖7不同直段高度下的軸心流速對(duì)比看出隨著負(fù)荷的變化,T;變化在5 K左右。氣流流Fig.7 Velocity comparison at diferent height速隨產(chǎn)氣量增加而提高。當(dāng)負(fù)荷為130%時(shí),中心流速達(dá)29m/s,流速的提高縮短了氣流在廢鍋內(nèi)的(2)耐火村里厚度停留時(shí)間,使廢鍋效率下降。此外還計(jì)算氣化操作設(shè)d為接口耐火磚設(shè)計(jì)厚度工況2,而工況3溫度T。分別為1 500,1 585,1 700 K時(shí)T;變化情和工況1的厚度分別為1.4d和0.55d。圖8顯示了況。隨著T。提高,T;線性增加。3種不同耐火襯里厚度下的T;對(duì)比。可以看出,隨氣化負(fù)荷%著內(nèi)火襯里厚度的減小,T;明顯降低,尤其是近壁"8處溫降較大,溫差最大達(dá)15 C。因此,從耐火襯里厚度的角度出發(fā),可以調(diào)控直段的溫度。。1570-(3)冷卻管高度E 1565-圖9為冷卻管高度H,對(duì)接口內(nèi)壁溫度分布的1 560影響。可看出壁面溫度分布存在2個(gè)拐點(diǎn)，氣化爐底部錐體渣層較厚,熱阻較大,出現(xiàn)了第1拐點(diǎn)。由中國(guó)煤化工0.5 o.于廢鍋頭部隔熱填充層熱阻較大，散熱量小,爐壁溫MYHCNM H G*度高而出現(xiàn)第2拐點(diǎn)。此外,隨著H,的增加,T;降團(tuán)10不同氣化負(fù)荷下的T對(duì)比幅在10 C以內(nèi)。Fig 10 T, comparison at diferet loading倪建軍等氣化爐 與輻射廢鍋接口的數(shù)值模擬，93●5結(jié)論fer, 2000, 42: 1699-1713.實(shí)驗(yàn)值和模擬值的吻合證明了本文建立的多相[4] BORJINI M N, CUEDRI K, SAID R. Modeling of radia-流傳熱、流動(dòng)組合模型,適用于對(duì)氣化爐與輻射廢鍋tive heat transfer in 3D complex boiler with non-gray Soo-接口的數(shù)值研究,并得出以下基本結(jié)論:ting media [ J]. Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2007, 105(2) :167-179.(1)總直段高度和冷卻管高度的增加,以及減小耐火襯里厚度都會(huì)使接口內(nèi)整體溫度下降;增加[5]王增瑩 梁欽鋒,張志文，等.撞擊流氣流床氣化爐濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，直段高度還使流速大大提高。2007 ,24(10) :1319-1323.(2)變工況運(yùn)行時(shí),氣化負(fù)荷和操作溫度提高,[6] HABIBI A, MERCI B, HEYNDERICKX G J. Impact of氣流攜帶熱量增加,接口內(nèi)整體溫度上升,而流速也radiation models in CFD simulations of steam cracking隨產(chǎn)氣量的增加而提高。furnaces [J]. Computers & Chemical Engineering, 2007,(3)錐體段有大量的顆粒渣沉積,渣層較厚,通31(11) :1389-1406.過(guò)渣層的熱流密度較小，壁溫上升;廢鍋拱頂存在長(zhǎng)[7] 錢家麟,李文輝,于遵宏,等.管式加熱爐[M].2版.北約4 m的回流區(qū),有一定量顆粒被卷吸。京:中國(guó)石化出版社,2002:1-66.[8] SIEGEL R, HOWELLJ R. Thermal radiation heat trans-參考文獻(xiàn):fer[M]. 2nd ed. Washington D C: Hemisphere,1981.[1]趙勇志 ,顧兆林,李云,等.帶中間激冷器的氣化爐激冷[9] ADAMS B R. Compulational evaluation of mechanisms室下降管數(shù)值研究[J].化學(xué)工程,2003 ,31(6) :21-25.affeeting radiation in gas and coal fired industrial fumaces[2] HOTTEL H C. Radiant-heat lransmission[ M] // Wlliam[D]. Utah: The University of Utah, 1993.H McAdams: Heat Transmission. 3rd ed . New York:[10]李鐵,李偉力,袁竹林.用不同輻射模型研究下降管內(nèi)MeGra-Hill Book Co. ,1954.傳熱傳質(zhì)特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007 ,27(2):[3] MYOUNGJ Y, SEUNG W B, JAE H P. An extension of92-98.the weighted sum of gray gases non-gray gas radiationmodel to a two phase mixture of non-gray gas with parti-[11] 章熙民,任澤霈.傳熱學(xué)[M].4版.北京:中國(guó)建筑工cles [J]. Intemational Joumal of Heat and Mass Trans-業(yè)出版社200:3234.版權(quán)聲明為適應(yīng)我國(guó)信息化建設(shè),擴(kuò)大本刊及作者知識(shí)信息交流渠道,《化學(xué)工程》期刊已加入《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)》、《中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)》、《中國(guó)科技期刊精品數(shù)據(jù)庫(kù)》.《中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)》《中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫(kù)》(一數(shù)字化期刊群) 、《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)》.《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊文摘(中文版)》、《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊文摘(英文版)》、美國(guó)《化學(xué)文摘》(CA)、美國(guó)《劍橋科學(xué)文摘》、俄羅斯《文摘雜志》、荷蘭Scopus、波蘭(哥白尼索引> .《日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)中國(guó)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)》、美國(guó)《烏利希期刊指南》等數(shù)據(jù)庫(kù)。凡本刊發(fā)表的論文,將同時(shí)通過(guò)本刊加入的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)出版或提供信息服務(wù),稿件--經(jīng)刊登,將在本刊稿酬中一次性支付著作權(quán)使用報(bào)酬(即包括印刷版、光盤版和網(wǎng)絡(luò)版等各種使用方式的報(bào)酬)。如作者不同意論文被上述數(shù)據(jù)庫(kù)收錄,請(qǐng)向本刊提出書面說(shuō)明,本刊將作適當(dāng)處理?！痘瘜W(xué)工程》編輯部中國(guó)煤化工MYHCNMHG