含灰煤气火管式废热锅炉内流场数值分析

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1、254化工机械2015矩含灰煤气火管式废热锅炉内流场数值分析陈翠柳+安连想张合生(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)摘要采用Fluent数值模拟软件对立式火管式废热锅炉内气固两相流场进行了分析计算，利用k-s湍流模型、对流传热模型和离散相模型分别研究了换热管内的流场、温度场和气固耦合过程中的颗粒运动轨迹的变化情况。研究发现：换热管内粉尘流速为7～9m／s，变化范围很小；下管板附近存在回流区，回流流速最大为3m／s，同时有颗粒富集；沿含灰煤气流动(轴向)方向温度变化很大，在横截面(径向)方向布管区内部温度稍低于布

2、管区周边。关键词废热锅炉立式火管Fluent流场模拟中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254—6094(2015)02-0254-05整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)是一种有相当发展前途的洁净煤发电技术，备受电力工程界的关注⋯。IGCC系统中用于回收气化炉出口粗合成气热能的废热锅炉技术是其关键技术之一。目前，国内外用于回收含尘煤气中热量的废热锅炉主要是辐射式废锅，应用火管式废锅的案例很少。辐射废锅结构为水冷壁式，内部结构复杂旧1，由于含灰煤气中的Na、K等碱金属盐结晶温度在600～700。E∽1，辐

3、射废锅内煤气温度为350～1000℃，这样粉尘就不可避免地在水冷壁上结焦，而辐射废锅粉尘结焦后工程处理难度较大。火管式废热锅炉高温工艺气流经管内，锅炉水流经管外沸腾汽化，具有阻力小、结构简单、制造方便和管内结垢时便于清洗等优点Ho。笔者为探究用火管式废锅替代辐射废锅的依据，以中国科学院工程热物理研究所输运床煤气化装置为背景，结合Fluent数值模拟，着重探讨粒径在lO。5数量级的粉尘结焦问题，获得废锅内流场及粉尘特性，为该装置优化设计提供理论依据。1模型建立与模拟条件设置1．1模型建立1．1．1几何模型本废热锅炉为三

4、段式结构，一段二段之间加急冷段，成功避免了粉尘结焦温度范围。为了能清楚显示整个设备内部流场特点，且在数值模拟的过程中占用尽量少的内存，对废热锅炉物理模型进行以下简化：只进行粉尘气主要流动区域的建模，忽略仪表安装孔、检查孔等处对流动的影响；忽略由于漏风造成的粉尘气流量的减小；忽略管板厚度；只进行内部流场模拟计算，不考虑外部流场变化”。。由于结构具有对称性，模型取1／4为研究对象，建立如图1所示的几何模型。图1简化后的几何模型1．1．2网格划分网格分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格适用于简单规则的几何体边界，其优点

5、是}陈翠柳，女，1989年7月生，硕士研究生。甘肃省兰州市，730060。第42卷第2期化工机械255网格数易于控制，从而模拟计算量可以大大减少∞。。设备所简化的物理模型结构规则，因此选择结构网格，使用ICEM进行网格划分。将划分好的网格输入Fluent后检查网格质量，显示共计60万个网格，最大网格体积为2．3×10“m3，最小网格体积1．17×10“m3，满足网格无关性假设。1．1．3立式废热锅炉模拟条件假设运行中的废热锅炉内部实际流动和传热过程非常复杂，笔者对模拟的流动和传热过程进行如下假设：废热锅炉内的流动与传

6、热均处于稳态工况下运行，系统的各项参数不随时间变化；内部含灰煤气在稳定工况下不发生化学反应与变化；忽略粉尘的复杂组分，按照平均成分物理特性拟合烟气物性参数¨1。1．2Fluent参数设置1．2．1基本参数设置选择分离式求解器按顺序逐一求解各方程。笔者意在描述设备稳定运行时的状况，在时间上认为是稳态的，气体中粉尘含量大于10％，选择离散相模型，用欧拉观点描述气相流场，用拉格朗日观点描述粉尘颗粒的运动轨迹。把通过废热锅炉的气流看做连续相，作为背景流体；把粉尘看作离散相，即分布在背景流体的颗粒¨一。离散相模型中，喷射源为面

7、射流源，粒径分布Rosin—Rammler形式，最大颗粒直径35I山m，最小颗粒直径10斗m，中粒径22．51,Lm，粒径分布指数1．2，质量流率139／s，颗粒追踪采用随机轨道模型。1．2．2边界条件设定通过对含灰煤气流量进行计算得到煤气流速，选用速度人口和压力出口边界条件。人口压强2．95MPa，温度1323K，进口湍流强度为10％。出口压力2．94MPa，温度1023K，出口端流强度10％。本模型中不考虑外部水和水蒸气湿度变化及相变，换热管外侧认为是恒温饱和水蒸气，因此选用等壁温壁面条件，选用钢材料，材料表面粗

8、糙度为0．064mm，壁面发射率取0．9，固体壁面为无滑移壁面。1．3控制方程含粉尘气体在换热管内流动为湍流流动，受连续性方程、运动方程和能量守恒方程的支配，但方程组不封闭，需引入_

9、}一s方程。笔者认为流体处于稳定流动状态，即描述流体流动特性的各物理量不随时间变化，因此选择经典的标准庇．占方程，具体如下：连续性方程掣：o03Ci运动方程塑掣O