氣化爐水冷壁襯里傳熱數值模擬研究

王鈺琪，王家璽，韓 旭，鄧云棋，杜旭鵬，許建良，

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

1 概述

能源是國民經濟和社會發展的基礎，貧油、少氣、煤炭資源相對豐富的能源結構決定了我國在未來長期一段時間內以煤為主要能源，實現煤炭清潔高效利用是實現經濟發展與生態文明和諧發展的關鍵[1]。氣流床煤氣化技術是我國煤炭清潔高效利用的重要途徑，是煤炭利用的優先方向[2]。經過30多年技術引進與自主研發，形成了多種成熟的氣流床煤氣化技術，并廣泛應用于化學品生產、煉廠制氫等領域[3,4]。

在氣流床煤氣化技術中，高效、可靠的氣化爐是整個技術的關鍵與核心裝備[2]，根據氣化爐隔熱襯里結構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點，其在氣流床煤氣化領域應用越來越廣泛。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、操作負荷、操作溫度變化導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，采用數值模擬方法對水冷壁襯里內的流動與傳熱過程進行分析，揭示復雜結構襯里內的傳熱特性與溫度分布。

2 傳熱過程數值模擬方法

水冷壁襯里是氣化爐安全穩定運行的關鍵部件。根據熱傳遞方向，水冷壁金屬管和鰭片的溫度應介于爐內高溫合成氣與管內冷卻水之間，若金屬管溫度過高會導致管材使用壽命降低。本文以氣流床氣化爐內受熱水冷壁為研究對象，包括：空間合成氣流動、復雜結構壁面傳熱、冷卻水流動、夾層空間流動。

2.1 數學模型

對于爐膛空間流動、水冷管內流動均為湍流流動，采用雷諾平均（RANS）方法經求解。對于夾層空間內的夾層氣流動，由于氣體速度約0.01m/s，因此按層流處理。對于湍流流動，根據文獻研究和計算對比，選用Realizable k-ε模型對雷諾平均產生的雷諾應力相進行求解。雷諾平均后的流動連續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，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為通過化學反應生成組分i的凈速率，Si為分散相加上自定義源項產生的速率；本文僅考慮流動與產熱，忽略化學反應作用，因此該兩項數值均 為0。

2.2 計算網格與條件

某一工業運行氣化爐為對象[如圖1（a）所示]，爐膛[見圖1（b）]采用195根Φ38×8mm的管子構成水冷壁內件，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）所示的區域進行計算；計算域中，爐膛氣體計算區域為距離壁面300mm的范圍，計算區域為3根水冷管，長度為300mm，氣化爐徑向區域為500mm。固體區域包括熔渣層、碳化硅層、渣釘、水冷管壁面、焊接鰭片。為了提高計算精度，壁面附近流體網格進行加密，通過網格獨立性分析，確定計算網格為360萬左右。

圖1 計算對象、區域與網格

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9.6MPa飽和蒸汽，飽和溫度為583K。水冷壁循環水流量為300t/h，計算得出每根管子內冷卻水速度為0.4m/s。對于固體區域，渣、金屬（管壁和渣釘）、SiC層的導熱系數分別為1.0、22和3.85W/（m2·K）。

3 結果與討論

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傳熱及關鍵溫度情況，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，壁面平均傳熱系數約為241W/（m2·K），其中渣釘部分的傳熱系數高達 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。從這些數據可以看出，此時沒有熔渣的保護，渣釘容易被燒毀。隨著壁面熔渣沉積，壁面傳熱系數迅速減小，當熔渣厚度為10mm時，壁面傳熱系數降低到30%。

表1 不同壁面熱損失參數

3.2 壁面溫度分布

在氣化爐開車初期，由于金屬壁面的導熱系數較大，熔渣會全部被冷凝成固態渣。隨著固態渣層的增厚，渣層的導熱系數較低，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部的溫度分布。

圖2 渣層內溫度分布（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層內溫度分布（K）

金屬管道及渣釘狀態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。對于渣釘而言，由于其鑲嵌在SiC層內，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 金屬管壁和鰭片內溫度分布（K）

圖5 渣釘溫度分布（K）

4 結論

采用數值模擬方法對復雜水冷壁襯里結構進行研究，分析了渣層厚度對壁面導熱系數、熱通量的影響，考察了渣層內的溫度分布規律，得出如下結論：

1）氣化爐原始開車工況下，壁面平均傳熱系數約為241W/（m2·K），隨著渣層厚度增大，壁面傳熱系數迅速降低，當壁面有10mm的渣層時，壁面傳熱系數降低到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、渣釘的溫度迅速降低。當壁面渣層厚度為10mm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。