气化炉与辐射废锅接口的数值模拟

第38卷第1期化学工程Vol.38No.I.2010年1 月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Jan. 2010气化炉与辐射废锅接口的数值模拟倪建军，梁钦锋,于广锁，于遵宏(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)摘要:建立了多相流动和传热耦合数学模型,以实验室规模气化装置对模型进行了验证,发现计算值与实验值吻合较好。再通过该模型对气化炉与辐射废锅的接口进行了数值模拟,结果发现:气化炉底部锥体璧面有大量灰渣颗粒积聚,并在锥体上形成热阻较大的熔渣流;废锅拱顶存在长约4 m的回流区,部分颗粒被卷吸回流;此外,增加直段高度、加长冷却管和降低耐火砖厚度都将使接口工作温度下降;提高气化温度和操作负荷则会使接口工作温度上升,且气流流速也将随产气量的增加而提高。关键词:整体煤气化联合循环;气化炉;熔渣颗粒;辐射废锅;辐射传热中图分类号:TK 284文献标识码:A文章编号: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废锅流程煤气化技术是指利用辐射式和对流式气的辐射特性参数通过Hottel等[2]的实验数据外推废热锅炉最大限度地回收合成气中的显热,以生产得到,运用颗粒辐射特性计算模型[34)包括了颗粒相高压蒸汽或预热其他工艺介质。这样可以回收相当对传热的影响,采用随机轨道模型[5]计算了颗粒的于原料煤低位发热量中15% -18%的能量,使得热运动规律,运用DOM模型求解辐射传热方程,得到煤气效率可达到90%- 95% ,对于整体煤气化联合了结构参数和操作参数对接口内温度场和流动场的循环( ICCC)系统,发电净效率可提高4%- -5%(绝影响规律。.对值)。气化炉和废锅的接口由于操作条件苛刻, .对其直接实验研究相当困难,而通过数值模拟可对1数学模型的建立气化系统的运行规律进行准确分析”。.1.1 控制方程本文通过建立多相流动和传热数学模型,对接中国煤化工,考虑接口结构.口内的多相流动和传热过程进行了数值分析。合成fHCNMHGt算。基于将沿基金项目:国家重点基础研究计划项自(000C217703) ;教育部新世纪优秀人才支持计划( NCET:060416);上海市教委曙光计划(06SC34)作者简介:倪建军(1983--) .男,博士研究生,研究方向为煤气化与ICCC发电,电话:(021 )64252831 ,Email:jaijunni@ mail. ecust. edu. cn。●90●化学工程2010年第38卷第1期壁熔融态流渣与合成气流作为某种连续介质,且对气流夹带颗粒运动的建模中采用随机轨道有质量分数25%的灰分以颗粒形式被气流夹带模型,离散相是通过积分拉氏坐标系的颗粒作用的假设,建立了接口内气液固三相系统的传热流力微分方程求解颗粒的轨道,颗粒作用力平衡方动过程的数学模型。由于气液二相在流动过程程为15)中没有发生相互渗透,因而本文采用流体体积法dup=F,(u-u)+6:(Pe -P)+F(3)(VOF)多相流模型进行模拟,不可压湍流采用标ltP准k-8模型[6]:式中:F为附加加速度项;Fp(u-u,)为单位质量颗a(pk) + a(pku.)品[(4+共)验]+粒的曳力项,其中Fp=18 CgRe Re。pd,|u。-u.x;ρ。d 24Gq+G, -pe-Yy+S; .(1)g为重力加速度;Pp为颗粒密度;C为曳力系数;upa(e) + a(pau:)[(μ+5)三] +为颗粒速度;d,为颗粒直径。x:1.2 介质辐射模型C号(G +C2.G)-C2p∈+S。(2)采用Hotel(2J)的图表法结合修正公式计算介质式中:模型常数C。=1.44,C2 =1.92,σ=1.0,的辐射特性参数,采用合成气中的CO2和H2O为主σ。=1.3;C3为模型变量;G;,G,分别为平均速度梯要热辐射介质,其典型体积分数分别为0.1369和度和浮力产生的湍流动力学能;Yu为脉动膨胀对湍0.2233。此时高温高压下混合气体辐射吸收系数流扩散的贡献度;t为时间;p为气体密度;u,u,分别可近似计算12.748。H20 和CO2的气体吸收率分别为流体黏度和湍流黏度;s,S。为自定义源项;k为计算为湍动能;e为耗散率;u;为速度;ij=1,3,-.a(H20) =C(H20)●.e'(H20) ●合成气和颗粒(T/T.)0.45 =0.514(4)耐火砖入唱a(CO2) =C(CO2)●.e'(CO2) ●(T/T.)".s =0.186(5)《化炉式中:e°(H20) ,e(CO2) ,C( H20)和C(CO2)分别为0.42 ,0.15,1.6,1.2;Tg,T.分别表示气体和壁面温度。接口直段~熔清流a(H20 +CO2) =a(H20) +a(CO2)-热对流Aετr。 =0.514 +0.186 -0. 05 =0.65(6)式中:Aer表示水蒸气和CO2混合气体辐射修正系数。1.05 m颗粒的辐射吸收率和散射率分别采用如下公式昌|计算[34):軀射废锅入口热辐射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:飞灰发射系数ε,取0.9,N,和πd:/4分别为颗粒数密度和i颗粒投影截面积;σ_为散射率;d;为直径,m。中国煤化工系数.0]:水.MYHCNMHGm-'=2.97 m-'图1物理横型示意围(9)Fig.1 Structure of physical model该计算值与李铁等['0]计算下降管内合成气辐倪建军等气化炉 与辐射废锅接口的数值模拟●91射吸收系数相近。律和欧姆定律,多层圆简壁的导热模型可转换成同种材料的厚度导热模型[",则通过圆简壁的热流量2模型检验φ为为了检验模拟结果的准确性,首先计算了文献T.-T.(10)[5]中的实验工况。气化炉模型尺寸见图2,图中标1+号1-5为热偶位置,计算段的人口温度1350 K,气E2πλlha速0.5 m/s。模拟结果与实验结果对比如图3,可以式中:分母表示长度为L的n层圆筒壁的热阻，看出模拟结果与实验值吻合较好。且实验室规模气C/W;A. 为导热系数,W/(m.K)。化炉与工业规模气化装置的运行工况相似,因此可运用本模型对气化炉与辐射废锅接口运行情况进行4接口模拟结果及分析准确预测。4.1流场分析图4显示了接口锥体壁面有大量的灰渣颗粒沉积，固态灰渣颗粒与液态熔渣的混合使其厚度增加,总热阻提高,壁面温度上升。此外,直段内颗粒主要井串月集中在中心流道,这样降低了壁面熔渣沉积和结渣堵塞流道的概率。图5显示废锅拱顶存在长约4 m的回流区。由于拱顶烟气温度超过了灰渣相变温.0.3m度,熔融的煤灰颗粒在旋转气流的作用下，碰到温度较低的水冷璧沉淀并固化。不断增加的固态渣层增大了热阻,导致固态渣表面温度上升,最终超过渣的相变温度,形成液态渣层。.圈2多喷嘴气化炉示意圜Fig.2 Oppoed muli. burner gasifier1350p1345兰1340-图4接口头部颗粒流场1 335Fig.4 Particle flow inside transition133002 0.4 0.6 0.8 1.oH/m营崇嵩肖岩营崇嵩岗岩岩圈3气化炉炉壁温度Fig.3 Wwall temperature of gaifier3接口边界条件(1)合成气进口温度1585 K,流速1.37 m/s,圈5废锅头部速度矢量图颗粒流量0. 46 kg/s, 操作压力4 MPa,冷却水给水; vector of radiant syngas cooler ( RSC)温度593C，进水流速10 m/s，操作压力中国煤化工9.64 MPa。(2)壁面边界采用壁面无滑移速度,由于炉壁4.2H在接山人口益皮为1500 n时,讨论了结构参CNMHG有3种不同的耐火砖和金属外壳构成,按傅里叶定数变 化对接口内流动和传热的影响。●92.化学工程2010年第 38卷第1期(1)总直段高度H1585H变化对废锅人口温度T;的影响如图6所示。1580二上2....工况3随着H的增加,直段自然对流散热量增加,T;下降，1575但降幅不大。图7反映了H变化对接口内流场的157影响。可以看出,随着H的增加，接口中心流速明i 1565-显提高,当H为4.26m时，中心流速最高达.1560-24.5 m/s。进人废锅后流速迅速衰减至5 m/s以1555下,此时直段高度的影响很小。1550T 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6图8不同内火村里厚度下的T:1580-4.14Fig.8 T; comparison at diferent AdI 575I 570-1 590r拐点21 565-1 570-15660.15030 0.450.60宽度X/m心1ss0- 拐点圈6不同直段高度下的T对比140+Fig.6 T: comparion at diferent height1 5301520625[H/m0f--- 4.26圈9不同冷却管高度 H,下的壁面温度对比Fig.9 wall tempernture conmparison at dfferent Hg4.3操作参 数的影响在IGCC系统运行过程中,气化炉运行存在负荷变化和操作温度波动的情况。图10为气化负荷分别为80% ,100%和120%时T;的变化情况,可以图7不同直段高度下的轴心流速对比看出随着负荷的变化,T;变化在5 K左右。气流流Fig.7 Velocity comparison at diferent height速随产气量增加而提高。当负荷为130%时,中心流速达29m/s,流速的提高缩短了气流在废锅内的(2)耐火村里厚度停留时间,使废锅效率下降。此外还计算气化操作设d为接口耐火砖设计厚度工况2,而工况3温度T。分别为1 500,1 585,1 700 K时T;变化情和工况1的厚度分别为1.4d和0.55d。图8显示了况。随着T。提高,T;线性增加。3种不同耐火衬里厚度下的T;对比。可以看出,随气化负荷%着内火衬里厚度的减小,T;明显降低,尤其是近壁"8处温降较大,温差最大达15 C。因此,从耐火衬里厚度的角度出发,可以调控直段的温度。。1570-(3)冷却管高度E 1565-图9为冷却管高度H,对接口内壁温度分布的1 560影响。可看出壁面温度分布存在2个拐点，气化炉底部锥体渣层较厚,热阻较大,出现了第1拐点。由中国煤化工0.5 o.于废锅头部隔热填充层热阻较大，散热量小,炉壁温MYHCNM H G*度高而出现第2拐点。此外,随着H,的增加,T;降團10不同气化负荷下的T对比幅在10 C以内。Fig 10 T, comparison at diferet loading倪建军等气化炉 与辐射废锅接口的数值模拟，93●5结论fer, 2000, 42: 1699-1713.实验值和模拟值的吻合证明了本文建立的多相[4] BORJINI M N, CUEDRI K, SAID R. Modeling of radia-流传热、流动组合模型,适用于对气化炉与辐射废锅tive heat transfer in 3D complex boiler with non-gray Soo-接口的数值研究,并得出以下基本结论:ting media [ J]. Journal of Quantitative Spectroscopy &Radiative Transfer, 2007, 105(2) :167-179.(1)总直段高度和冷却管高度的增加,以及减小耐火衬里厚度都会使接口内整体温度下降;增加[5]王增瑩 梁钦锋,张志文，等.撞击流气流床气化炉浓度场和温度场的数值模拟[J].计算机与应用化学，直段高度还使流速大大提高。2007 ,24(10) :1319-1323.(2)变工况运行时,气化负荷和操作温度提高,[6] HABIBI A, MERCI B, HEYNDERICKX G J. Impact of气流携带热量增加,接口内整体温度上升,而流速也radiation models in CFD simulations of steam cracking随产气量的增加而提高。furnaces [J]. Computers & Chemical Engineering, 2007,(3)锥体段有大量的颗粒渣沉积,渣层较厚,通31(11) :1389-1406.过渣层的热流密度较小，壁温上升;废锅拱顶存在长[7] 钱家麟,李文辉,于遵宏,等.管式加热炉[M].2版.北约4 m的回流区,有一定量颗粒被卷吸。京:中国石化出版社,2002:1-66.[8] SIEGEL R, HOWELLJ R. Thermal radiation heat trans-参考文献:fer[M]. 2nd ed. Washington D C: Hemisphere,1981.[1]赵勇志 ,顾兆林,李云,等.带中间激冷器的气化炉激冷[9] ADAMS B R. Compulational evaluation of mechanisms室下降管数值研究[J].化学工程,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]李铁,李伟力,袁竹林.用不同辐射模型研究下降管内MeGra-Hill Book Co. ,1954.传热传质特性[J].中国电机工程学报,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,任泽霈.传热学[M].4版.北京:中国建筑工cles [J]. Intemational Joumal of Heat and Mass Trans-业出版社200:3234.版权声明为适应我国信息化建设,扩大本刊及作者知识信息交流渠道,《化学工程》期刊已加入《中国学术期刊综合评价数据库》、《中国期刊全文数据库》、《中国科技期刊精品数据库》.《中国科学引文数据库》《中国核心期刊(遴选)数据库》(一数字化期刊群) 、《中文科技期刊数据库》.《中国学术期刊文摘(中文版)》、《中国学术期刊文摘(英文版)》、美国《化学文摘》(CA)、美国《剑桥科学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》、荷兰Scopus、波兰(哥白尼索引> .《日本科学技术振兴机构中国文献数据库》、美国《乌利希期刊指南》等数据库。凡本刊发表的论文,将同时通过本刊加入的数据库进行网络出版或提供信息服务,稿件--经刊登,将在本刊稿酬中一次性支付著作权使用报酬(即包括印刷版、光盘版和网络版等各种使用方式的报酬)。如作者不同意论文被上述数据库收录,请向本刊提出书面说明,本刊将作适当处理。《化学工程》编辑部中国煤化工MYHCNMHG