合成氣對沖模擬分析及研究

高嘉楠，方小里，劉彬超

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

遵循世界能源清潔、高效、減排的發展趨勢，推動煤炭清潔高效利用是“十四五”期間我國能源轉型的首要任務。帶有顯熱回收的清潔高效型煤氣化廢鍋流程技術具有效率高、環境友好的特點，其技術優勢越來越明顯，將是現代大型煤化工發展的趨勢。對流廢鍋則是大型煤化工顯熱回收設備中最為關鍵的設備之一，其安全可靠運行決定著整個系統的效率。

對流廢鍋的殼程為高壓高溫的工藝合成氣，管程為高壓過熱蒸汽，可作為動力、工藝、園區發電用蒸汽等。對流廢鍋的合成氣入口多采用對沖結構的布置方式，對入口區域的受熱面存在高溫沖刷、磨蝕的風險；且合成氣中攜帶一定的灰粒，分析入口區域的速度場分布及湍流劇烈的程度，從而可得到爐墻內顆粒撞擊壁面的主要區域。目前，對沖燃燒鍋爐關于此方面的研究分析較多，用于指導水冷壁受熱面的結構布置、風量分布等。本文利用CFD軟件對某項目的合成氣對沖進行模擬分析，給出方形爐膛入口處的流場分布特性，為類似結構的設備設計提供一些參考。

1 設計參數

1.1 合成氣參數

設備入口是高溫高壓的合成氣，參數見表1。表中為總的合成氣量。

表1 合成氣物料特性

1.2 設備結構參數

本次分析結構模型主要由DN600的合成氣通道及方形爐膛組成，見圖1。

圖1 模型結構簡圖

2 模型選取及網格劃分

2.1 模型選取

整個對沖模擬過程中主要采用湍流模型、顆粒相模型，具體所選模型如下：

1)湍流模型選用Realizable k-ε模型，無滑移邊界條件和標準壁面函數。Realizable k-ε模型與標準k-ε模型的主要區別是粘度計算式中的系數不是常數，而是引入了與轉角、曲率等結構有關的內容，更適合涉及對沖、渦流等復雜流動。

2)顆粒相模型采用拉格朗日離散相模型，了解爐內顆粒相的運動軌跡。對于高粒子密度，如流化床等使用歐拉-歐拉模型，本項目使用歐拉-拉格朗日模型，了解爐內顆粒相的運動軌跡，為后續設置防磨措施提供依據。

2.2 網格劃分

對流廢鍋為了充分回收合成氣中的物理顯熱會設置汽包墻、換熱管等受熱面；考慮減小流通面積，增加流速，汽包墻采取方形結構。本模型簡化成由鋼板組成的相同尺寸的方形合成氣通道及對置的入口通道，見圖2。采用四面體網格對已建立的局部入口三維模型進行網格劃分，并在壁面處劃分邊界層網格。依據經驗及對流廢鍋幾何模型的實際尺寸，通過調整網格最大、最小尺寸，邊界層層數等參數，將網格無關性驗證的各算例對應的網格數調整為500萬、660萬、900萬，以上三個算例網格偏斜度均小于0.8，即正交質量均大于0.2，網格質量滿足要求。本文取網格數量660萬的模型進行以下研究分析。

圖2 三維模型及網格劃分

3 模擬結果分析

3.1 流場分析

根據以上的合成氣和結構尺寸參數，可知入口通道內的合成氣流速約9 m/s。由圖3、圖4明顯可見，合成氣從對置的兩個口流入爐膛后，兩股氣流在方形通道中心發生碰撞，形成垂直于入口通道的近視圓盤形狀的氣流對沖區[1]；氣流對沖區中心的氣流速度很低，接近停滯，外圍的氣流速度則較高，最高約為6～7 m/s。

圖3 速度流場示意圖

圖4 三向截面的速度分布圖

3.2 貼壁處的速度分析

兩股高溫高壓的合成氣從對置的入口通道進入爐膛之后，發生對沖，會形成劇烈復雜、不穩定的湍流運動，可能對四面爐墻形成磨蝕等效果[2]。需要分析研究爐墻貼壁處的氣流速度分布情況，便于對爐墻受熱面采取防護措施。由圖5可見，對沖區中心氣流速度很低，向四周擴散，在四面爐膛的貼壁處形成較高流速區域，且平行于合成氣入口通道的爐墻(稱為前、后墻)。貼壁處的合成氣流速明顯相比左、右墻貼壁處要高不少，最高達到7 m/s，且高速區域范圍較大；左、右墻貼壁處的最高流速為4 m/s。

(a) 前壁 (b)后壁

3.3 入口下部爐膛的速度分布

合成氣入口下面會設置其它受熱面，需要分析研究對沖后合成氣在不同水平高度的氣流速度分布情況[3]，便于指導受熱面的結構布置及防護措施設計。由圖6及圖7可見，合成氣發生對沖之后，向下擴散過程中，速度逐漸下降，且整個平面的速度分布逐漸趨于均勻化。在入口下面0.5 m的水平截面上，中心最高速度高達7 m/s，邊上最低速度為1 m/s；入口下面1.75 m(本項目第一組換熱管上部)的水平截面上，整個速度流場基本上屬于均勻化狀態(因為換熱管存在的原因，存在一定的擾動)，平均速度約2 m/s，最高速度僅3 m/s；合成氣對換熱管的沖刷微乎其微。

圖6 入口下部不同水平截面位置

(a) 入口以下0.5 m (b) 入口以下1 m

4 結 語

本文通過對對流廢鍋方形爐膛的合成氣對沖進行模擬分析及研究，可得到以下幾點主要結論，為類似設備的設計提供參考意見：

1)合成氣從對置的兩個口流入爐膛后，兩股氣流在方形通道中心發生劇烈碰撞，形成復雜、不穩定的湍流對沖區；且中心的氣流很低，接近停滯，外圍的氣流速度則較高。

2)入口通道附近的爐墻貼壁處合成氣流速很高，對爐墻的磨蝕較嚴重，建議對此處爐墻的換熱管采取一定的防護措施，如表面設置SIC澆筑料、堆焊耐磨材料等。

3)入口下部爐膛的氣流分布隨著水平高度的下降，流速逐漸降低，并趨于均勻化，對下部一定距離的受熱面無嚴重的沖刷作用。