氣化爐水冷壁襯里傳熱數(shù)值模擬研究

王鈺琪，王家璽，韓 旭，鄧云棋，杜旭鵬，許建良，

（1.華東理工大學 資源與環(huán)境工程學院，上海 200237； 2.華東理工大學 上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海 200237）

1 概述

能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，貧油、少氣、煤炭資源相對豐富的能源結(jié)構(gòu)決定了我國在未來長期一段時間內(nèi)以煤為主要能源，實現(xiàn)煤炭清潔高效利用是實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)文明和諧發(fā)展的關(guān)鍵[1]。氣流床煤氣化技術(shù)是我國煤炭清潔高效利用的重要途徑，是煤炭利用的優(yōu)先方向[2]。經(jīng)過30多年技術(shù)引進與自主研發(fā)，形成了多種成熟的氣流床煤氣化技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于化學品生產(chǎn)、煉廠制氫等領(lǐng)域[3,4]。

在氣流床煤氣化技術(shù)中，高效、可靠的氣化爐是整個技術(shù)的關(guān)鍵與核心裝備[2]，根據(jù)氣化爐隔熱襯里結(jié)構(gòu)形式可分為耐火磚氣化爐（熱壁爐）和水冷壁氣化爐（冷壁爐）[5]。現(xiàn)有耐火磚襯里一般為高鉻磚（氧化鉻含量約90%[6]），其最高允許使用溫度為1 673K，且因高溫蝕損需要定期更 換[7]。水冷壁氣化爐采用“以渣抗渣”思想，其操作溫度最高可在1 873K以上，且不需要定期更換。相對耐火磚襯里氣化爐，水冷壁襯里氣化爐具有更寬的操作溫度、更低的維護費用等優(yōu)點，其在氣流床煤氣化領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。目前對水冷壁表面熔渣流動與掛渣進行了大量的數(shù)值模擬研究[8-12]，研究爐型包括SHELL氣化爐、GSP氣化爐、SE氣化爐、清華爐等。然而在水冷壁襯里在使用過程中，因煤質(zhì)、操作負荷、操作溫度變化導(dǎo)致表面掛渣不均使得襯里燒蝕。為此本文以水冷壁耐火襯里為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對水冷壁襯里內(nèi)的流動與傳熱過程進行分析，揭示復(fù)雜結(jié)構(gòu)襯里內(nèi)的傳熱特性與溫度分布。

2 傳熱過程數(shù)值模擬方法

水冷壁襯里是氣化爐安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵部件。根據(jù)熱傳遞方向，水冷壁金屬管和鰭片的溫度應(yīng)介于爐內(nèi)高溫合成氣與管內(nèi)冷卻水之間，若金屬管溫度過高會導(dǎo)致管材使用壽命降低。本文以氣流床氣化爐內(nèi)受熱水冷壁為研究對象，包括：空間合成氣流動、復(fù)雜結(jié)構(gòu)壁面?zhèn)鳠帷⒗鋮s水流動、夾層空間流動。

2.1 數(shù)學模型

對于爐膛空間流動、水冷管內(nèi)流動均為湍流流動，采用雷諾平均（RANS）方法經(jīng)求解。對于夾層空間內(nèi)的夾層氣流動，由于氣體速度約0.01m/s，因此按層流處理。對于湍流流動，根據(jù)文獻研究和計算對比，選用Realizable k-ε模型對雷諾平均產(chǎn)生的雷諾應(yīng)力相進行求解。雷諾平均后的流動連續(xù)性方程和動量方程如下式所示：

式中μt為湍流黏度，Gk表示平均速度梯度引起的湍動能，Gb表示浮力引起的湍動能，YM表示可壓縮湍流中脈動膨脹對整體耗散率的貢獻，σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特數(shù)，σk和Sε為自定義源項，本文取值為0。

輻射模型選用普適性較好的DO（Discrete ordinates） 模型，其控制方程為：

輻射廢鍋內(nèi)合成氣為多元組分混合氣體，采用組分輸運模型（Species Transport）模擬合成氣中多組分氣體混合物，守恒方程式如下：

式中Ri為通過化學反應(yīng)生成組分i的凈速率，Si為分散相加上自定義源項產(chǎn)生的速率；本文僅考慮流動與產(chǎn)熱，忽略化學反應(yīng)作用，因此該兩項數(shù)值均 為0。

2.2 計算網(wǎng)格與條件

某一工業(yè)運行氣化爐為對象[如圖1（a）所示]，爐膛[見圖1（b）]采用195根Φ38×8mm的管子構(gòu)成水冷壁內(nèi)件，表面涂抹15mm厚SiC材料。由于氣化爐爐膛空間直徑約為2.3m，高度約為6m，研究對象與整體空間尺度相差較大，為了簡化計算過程，選取如圖1（c）所示的區(qū)域進行計算；計算域中，爐膛氣體計算區(qū)域為距離壁面300mm的范圍，計算區(qū)域為3根水冷管，長度為300mm，氣化爐徑向區(qū)域為500mm。固體區(qū)域包括熔渣層、碳化硅層、渣釘、水冷管壁面、焊接鰭片。為了提高計算精度，壁面附近流體網(wǎng)格進行加密，通過網(wǎng)格獨立性分析，確定計算網(wǎng)格為360萬左右。

圖1 計算對象、區(qū)域與網(wǎng)格

氣化爐爐膛平均表觀氣速為1.5m/s，合成氣溫度為1 673K。合成氣組分中CO2的濃度為10.5%、H2O濃度為22.2%、H2濃度為0.28%、CO為37.7%，其余組分N2；夾層氣為N2，表觀流速為0.01m/s。水冷管副產(chǎn)9.6MPa飽和蒸汽，飽和溫度為583K。水冷壁循環(huán)水流量為300t/h，計算得出每根管子內(nèi)冷卻水速度為0.4m/s。對于固體區(qū)域，渣、金屬（管壁和渣釘）、SiC層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.0、22和3.85W/（m2·K）。

3 結(jié)果與討論

3.1 熔渣厚度對水冷壁面熱通量的影響

表1給出了不同熔渣厚度下壁面?zhèn)鳠峒瓣P(guān)鍵溫度情況，其中工況1為氣化爐原始開車工況。從表1可以看出，初次使用氣化爐，壁面平均傳熱系數(shù)約為241W/（m2·K），其中渣釘部分的傳熱系數(shù)高達 471W/（m2·K），而 此 時的SiC表 面 溫度約 為1 598K，渣釘表面溫度約為1 517K，向火面平均溫度約為1 585K。從這些數(shù)據(jù)可以看出，此時沒有熔渣的保護，渣釘容易被燒毀。隨著壁面熔渣沉積，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)迅速減小，當熔渣厚度為10mm時，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低到30%。

表1 不同壁面熱損失參數(shù)

3.2 壁面溫度分布

在氣化爐開車初期，由于金屬壁面的導(dǎo)熱系數(shù)較大，熔渣會全部被冷凝成固態(tài)渣。隨著固態(tài)渣層的增厚，渣層的導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱阻增大，渣層表面溫度開始上升，而金屬表面和SiC表面溫度逐漸降低。圖2給出了向火面及渣層內(nèi)部的溫度分布。

圖2 渣層內(nèi)溫度分布（k）

在工況1下，由于壁面沒有渣層，因此向火面即為SiC層與高溫氣體的交界面，此時的溫度基本與氣相溫度相等。隨著熔渣的生成，SiC層表面被熔渣覆蓋，此時碳化硅表面溫度迅速從1 673K降低到1 000K（熔渣厚度為4mm，工況3），隨著熔渣進一步沉積，SiC表面溫度進一步降低到800K（熔渣厚度為10mm，工況6）。圖3給出了SiC層內(nèi)的溫度分布，可以看出工況1下，整體溫度要高于有渣層的 工況。

圖3 SiC層內(nèi)溫度分布（K）

金屬管道及渣釘狀態(tài)是氣化爐安全的核心。圖4和圖5分別給出了金屬管道和渣釘在不同階段的溫度分布，從圖中可以看出，開車工況下，金屬管道表面溫度最高約為1 100K；隨著熔渣沉積，溫度從 1 100K降低到630K（工況6，10mm熔渣）此時的管道處于安全運行狀態(tài)。對于渣釘而言，由于其鑲嵌在SiC層內(nèi)，整體溫度要高于金屬管的溫度。開車階段，最高溫度約為1 300K；隨著熔渣沉積，溫度從1 300K降低到800K（工況6，10mm熔渣）。

圖4 金屬管壁和鰭片內(nèi)溫度分布（K）

圖5 渣釘溫度分布（K）

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對復(fù)雜水冷壁襯里結(jié)構(gòu)進行研究，分析了渣層厚度對壁面導(dǎo)熱系數(shù)、熱通量的影響，考察了渣層內(nèi)的溫度分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1）氣化爐原始開車工況下，壁面平均傳熱系數(shù)約為241W/（m2·K），隨著渣層厚度增大，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)迅速降低，當壁面有10mm的渣層時，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低到30%。

2）原始開車工況下，SiC表面溫度約為1 598K，渣釘表面溫度約為1 517K，向火面平均溫度約為 1 585K，此時沒有熔渣的保護，渣釘容易被燒毀。原始開車時建議氣化爐低溫高灰分運行，有利于壁面掛渣。

3）隨著熔渣的生成，SiC層表面被熔渣覆蓋，金屬管道、碳化硅層、渣釘?shù)臏囟妊杆俳档汀．敱诿嬖鼘雍穸葹?0mm時，SiC表面溫度約為800K，金屬管道表面溫度約為630K，渣釘表面最高溫度約為800K，此時氣化爐水冷壁處于安全狀態(tài)。