第38卷第1期化學工程Vol.38No.I.2010年1 月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Jan. 2010氣化爐與輻射廢鍋接口的數值模擬倪建軍，梁欽鋒,于廣鎖，于遵宏(華東理工大學煤氣化教育部重點實驗室，上海200237)摘要:建立了多相流動和傳熱耦合數學模型,以實驗室規(guī)模氣化裝置對模型進行了驗證,發(fā)現計算值與實驗值吻合較好。再通過該模型對氣化爐與輻射廢鍋的接口進行了數值模擬,結果發(fā)現: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荷則會使接口工作溫度上升,且氣流流速也將隨產氣量的增加而提高。關鍵詞:整體煤氣化聯合循環(huán);氣化爐;熔渣顆粒;輻射廢鍋;輻射傳熱中圖分類號:TK 284文獻標識碼:A文章編號: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是指利用輻射式和對流式氣的輻射特性參數通過Hottel等[2]的實驗數據外推廢熱鍋爐最大限度地回收合成氣中的顯熱,以生產得到,運用顆粒輻射特性計算模型[34)包括了顆粒相高壓蒸汽或預熱其他工藝介質。這樣可以回收相當對傳熱的影響,采用隨機軌道模型[5]計算了顆粒的于原料煤低位發(fā)熱量中15% -18%的能量,使得熱運動規(guī)律,運用DOM模型求解輻射傳熱方程,得到煤氣效率可達到90%- 95% ,對于整體煤氣化聯合了結構參數和操作參數對接口內溫度場和流動場的循環(huán)( ICCC)系統(tǒng),發(fā)電凈效率可提高4%- -5%(絕影響規(guī)律。.對值)。氣化爐和廢鍋的接口由于操作條件苛刻, .對其直接實驗研究相當困難,而通過數值模擬可對1數學模型的建立氣化系統(tǒng)的運行規(guī)律進行準確分析”。.1.1 控制方程本文通過建立多相流動和傳熱數學模型,對接中國煤化工,考慮接口結構.口內的多相流動和傳熱過程進行了數值分析。合成fHCNMHGt算?；趯⒀鼗痦椖?國家重點基礎研究計劃項自(000C217703) ;教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃( NCET:060416);上海市教委曙光計劃(06SC34)作者簡介:倪建軍(1983--) .男,博士研究生,研究方向為煤氣化與ICCC發(fā)電,電話:(021 )64252831 ,Email:jaijunni@ mail. ecust. edu. cn?！?0●化學工程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,且對氣流夾帶顆粒運動的建模中采用隨機軌道有質量分數25%的灰分以顆粒形式被氣流夾帶模型,離散相是通過積分拉氏坐標系的顆粒作用的假設,建立了接口內氣液固三相系統(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過程的數學模型。由于氣液二相在流動過程程為15)中沒有發(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)多相流模型進行模擬,不可壓湍流采用標ltP準k-8模型[6]:式中:F為附加加速度項;Fp(u-u,)為單位質量顆a(pk) + a(pku.)品[(4+共)驗]+粒的曳力項,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;upa(e) + a(pau:)[(μ+5)三] +為顆粒速度;d,為顆粒直徑。x:1.2 介質輻射模型C號(G +C2.G)-C2p∈+S。(2)采用Hotel(2J)的圖表法結合修正公式計算介質式中:模型常數C。=1.44,C2 =1.92,σ=1.0,的輻射特性參數,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,其典型體積分數分別為0.1369和度和浮力產生的湍流動力學能;Yu為脈動膨脹對湍0.2233。此時高溫高壓下混合氣體輻射吸收系數流擴散的貢獻度;t為時間;p為氣體密度;u,u,分別可近似計算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;k為計算為湍動能;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。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ε,取0.9,N,和πd:/4分別為顆粒數密度和i顆粒投影截面積;σ_為散射率;d;為直徑,m。中國煤化工系數.0]:水.MYHCNMHGm-'=2.97 m-'圖1物理橫型示意圍(9)Fig.1 Structure of physical model該計算值與李鐵等['0]計算下降管內合成氣輻倪建軍等氣化爐 與輻射廢鍋接口的數值模擬●91射吸收系數相近。律和歐姆定律,多層圓簡壁的導熱模型可轉換成同種材料的厚度導熱模型[",則通過圓簡壁的熱流量2模型檢驗φ為為了檢驗模擬結果的準確性,首先計算了文獻T.-T.(10)[5]中的實驗工況。氣化爐模型尺寸見圖2,圖中標1+號1-5為熱偶位置,計算段的人口溫度1350 K,氣E2πλlha速0.5 m/s。模擬結果與實驗結果對比如圖3,可以式中:分母表示長度為L的n層圓筒壁的熱阻，看出模擬結果與實驗值吻合較好。且實驗室規(guī)模氣C/W;A. 為導熱系數,W/(m.K)?；癄t與工業(yè)規(guī)模氣化裝置的運行工況相似,因此可運用本模型對氣化爐與輻射廢鍋接口運行情況進行4接口模擬結果及分析準確預測。4.1流場分析圖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渣堵塞流道的概率。圖5顯示廢鍋拱頂存在長約4 m的回流區(qū)。由于拱頂煙氣溫度超過了灰渣相變溫.0.3m度,熔融的煤灰顆粒在旋轉氣流的作用下，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,導致固態(tài)渣表面溫度上升,最終超過渣的相變溫度,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1 335Fig.4 Particle flow inside transition133002 0.4 0.6 0.8 1.oH/m營崇嵩肖巖營崇嵩崗巖巖圈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，進水流速10 m/s，操作壓力中國煤化工9.64 MPa。(2)壁面邊界采用壁面無滑移速度,由于爐壁4.2H在接山人口益皮為1500 n時,討論了結構參CNMHG有3種不同的耐火磚和金屬外殼構成,按傅里葉定數變 化對接口內流動和傳熱的影響。●92.化學工程2010年第 38卷第1期(1)總直段高度H1585H變化對廢鍋人口溫度T;的影響如圖6所示。1580二上2....工況3隨著H的增加,直段自然對流散熱量增加,T;下降，1575但降幅不大。圖7反映了H變化對接口內流場的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H為4.26m時，中心流速最高達.1560-24.5 m/s。進人廢鍋后流速迅速衰減至5 m/s以1555下,此時直段高度的影響很小。1550T 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6圖8不同內火村里厚度下的T:1580-4.14Fig.8 T; comparison at diferent AdI 575I 570-1 590r拐點21 565-1 570-15660.15030 0.450.60寬度X/m心1ss0- 拐點圈6不同直段高度下的T對比140+Fig.6 T: comparion at diferent height1 5301520625[H/m0f--- 4.26圈9不同冷卻管高度 H,下的壁面溫度對比Fig.9 wall tempernture conmparison at dfferent Hg4.3操作參 數的影響在IGCC系統(tǒng)運行過程中,氣化爐運行存在負荷變化和操作溫度波動的情況。圖10為氣化負荷分別為80% ,100%和120%時T;的變化情況,可以圖7不同直段高度下的軸心流速對比看出隨著負荷的變化,T;變化在5 K左右。氣流流Fig.7 Velocity comparison at diferent height速隨產氣量增加而提高。當負荷為130%時,中心流速達29m/s,流速的提高縮短了氣流在廢鍋內的(2)耐火村里厚度停留時間,使廢鍋效率下降。此外還計算氣化操作設d為接口耐火磚設計厚度工況2,而工況3溫度T。分別為1 500,1 585,1 700 K時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;對比?？梢钥闯?隨氣化負荷%著內火襯里厚度的減小,T;明顯降低,尤其是近壁"8處溫降較大,溫差最大達15 C。因此,從耐火襯里厚度的角度出發(fā),可以調控直段的溫度。。1570-(3)冷卻管高度E 1565-圖9為冷卻管高度H,對接口內壁溫度分布的1 560影響?？煽闯霰诿鏈囟确植即嬖?個拐點，氣化爐底部錐體渣層較厚,熱阻較大,出現了第1拐點。由中國煤化工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*度高而出現第2拐點。此外,隨著H,的增加,T;降團10不同氣化負荷下的T對比幅在10 C以內。Fig 10 T, comparison at diferet loading倪建軍等氣化爐 與輻射廢鍋接口的數值模擬，93●5結論fer, 2000, 42: 1699-1713.實驗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、流動組合模型,適用于對氣化爐與輻射廢鍋tive heat transfer in 3D complex boiler with non-gray Soo-接口的數值研究,并得出以下基本結論: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使接口內整體溫度下降;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和溫度場的數值模擬[J].計算機與應用化學，直段高度還使流速大大提高。2007 ,24(10) :1319-1323.(2)變工況運行時,氣化負荷和操作溫度提高,[6] HABIBI A, MERCI B, HEYNDERICKX G J. Impact of氣流攜帶熱量增加,接口內整體溫度上升,而流速也radiation models in CFD simulations of steam cracking隨產氣量的增加而提高。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.過渣層的熱流密度較小，壁溫上升;廢鍋拱頂存在長[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:中國石化出版社,2002:1-66.[8] SIEGEL R, HOWELLJ R. Thermal radiation heat trans-參考文獻: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室下降管數值研究[J].化學工程,2003 ,31(6) :21-25.affeeting radiation in gas and coal fired industrial fumaces[2] HOTTEL H C. 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