气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热

第60卷第12期化工学报Vol. 60 No. 122009年12月CIESC JournalDecember 2009研究论文贫气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热倪建军'，粱钦锋',周志杰'，张玉柱”，于广锁'('华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237;z神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川750004)摘要:采用多相流动与传热模型耦合的数值方法，对气流床煤气化辐射废锅内多相流场与传热过程进行了数值模拟。在Euler坐标系中采用组分输运模型计算气体组分扩散过程，并通过realizable k-e湍流模型计算炉内流场，煤渣颗粒运动轨迹在Lagrange坐标系中计算，并考虑了气固相间双向耦合。利用灰气体加权和模型与离散坐标法相结合，计算了炉内辐射传热过程，并考虑了煤渣颗粒的热辐射特性。结果表明:炉体入口存在张角约为10°的中心射流区，其流速和温度均较高，且周围存在明显回流区，回流区内部分颗粒富集;大部分颗粒直接落入渍池，且粒径越大落入渣池时温度越高;炉内温度分布除中心射流区，整体分布均匀，且随壁面灰渣厚度的增加而升高;计算结果与实验测量结果及文献值基本一致。关键词:辐射废锅;辐射传热;多相流;煤气化中圈分类号: TQ546; TK 11+4文献标识码: A文章编号: 0438-1157 (2009) 12-2997-09Multiphase flow and heat transfer in entrained-flowcoal gasification radiant syngas coolerNI Jianjun'，LIANG Qinfeng' , ZHOU Zhijie' , ZHANG Yuzhu2 , YU Guangsuo'(' Key Laboratory of Coal Gasification. Ministry of Education，East China University ofScience and Technology, Shanghai 200237, China; 2 Shenhua Ningxia Coal Group CorporationLimited, Yinchuan 750004, Ningxia, China)Abstract: The process of multiphase flow and heat transfer in an entrained-flow coal gasification radiantsyngas cooler (RSC) was simulated by coupling the multiphase flow model and heat transfer model. Thegas phase flow field was calculated by realizable k-e model with an Euler method while the discrete randomwalk (DRW) was applied to trace the particles, and the interaction between gas and particles wasconsidered. The radiative properties of syngas mixture were calculated by W eighted-Sum-of-Gray-Gases(WSGG) model. The discrete ordinates model (DOM) was used for modeling the radiative heat transfer,and the effect of slag particles on radiative heat transfer was included. Results showed that the expandingangle of inlet jet is 10°，where the temperature and velocity are higher than other area' s. The recirculationregion around the inlet jet has a higher particle concentration. Most of the slag particles are straightlydropped into the slag pool, and the larger the particle, the faster the dropping and the higher thetemperature it will have. The temperature distribution in RSC is uniform except the inlet jet region, andthe temperature increases with the increase in ash/ slag deposition thickness. The mathematical models for2009-04- 22收到初稿，2009-08- 31收到修改稿。Received date: 2009 -04- - 22.联系人:于广锁。第一作者:倪建军(1983-), 男，博士研CoresDondineouthor:_ Prof. YU Guangsuo， gsyu @究生。基金项目:国家重点基础研究发展计划项目ecu中国煤化工Hational Basic Research(2004CB217707);国家自然科学基金项目(20876048); 教育部新YHCNMHGation!世纪优秀人才支持计划项目(NCET-06-0416); 教育部长江学者与Program or unina zUU4LDci1u1, ana the National Natural创新团队发展计划项目(IRT0620)。Science Foundation of China (20876048).2998● .化工学报第60卷numerical simulation are compared with experimental and literature data. Overall agreement between thepredicted and experimental values is good and gives confidence in using these routines for RSC designcalculations.Key words: radiant syngas cooler; radiative heat transfer; multiphase flow; coal gasification采用如下假设:①气化炉稳定运行，出口合成气和引言煤渣量不随时间变化;②假设煤渣为球形颗粒，不先进气流床煤气化工艺按产物冷却方式分主要考虑其冷凝相变和颗粒间碰撞(颗粒体积分数小于有激冷流程、辐射废锅流程和废锅激冷流程3种。10~*);③辐射废锅运行过程中渣池内灰水采用外第1种流程主要用于合成氨、甲醇合成等相关产部水循环，忽略灰水蒸发，并设定渣池内水温恒定业，后两种主要用于整体煤气化联合循环(IGCC)为40C;④假定辐射废锅水冷壁壁面渣层和灰层发电和煤基多联产。国内对激冷流程中洗涤冷却室厚度分布均匀，并取渣、灰热导率分别为1.87、进行了深人研究(2],但对辐射废锅的研究尚未见.0.25 W. m~1●K-1[8]。报道。我国是世界上电力需求增长最快的国家，且80%依靠以煤为原料的火力发电。采用先进的洁3.89m净煤发电技术，是可持续发展战略对电力工业的必, outlet然要求。气流床煤气化炉出口温度为1200 ~1500C，废锅流程可将合成气和熔渣显热有效回收. division wall利用，产生的高压蒸汽可用于发电，使lGCC整体供电效率提高约4%~5%。气化产物依次通过辐17.5m射废锅、对流废锅进行降温，然后进人净化除尘系统，最终进入燃气轮机发电。辐射废锅操作条件苛outer wall刻，了解其内部多相流动和传热过程对传热优化和提高合成气净化效率具有重要指导意义。国外对辐射废锅流程IGCC发电技术的研究起. slag pool步较早，并取得了很大的进展门。Brooke[5]对美 国冷水电站辐射废锅水冷壁壁面煤渣沉积物的化学性质进行了分析，得到水冷壁壁面局部渣层厚度达.图1辐射废锅结构2.5 cm，积灰厚度约2 mm。Kihara 等[6]对一Fig.1 Structure of radiant syngas coolerIGCC示范电站的辐射废锅水冷壁管的腐蚀进行了研究。以上研究主要集中于水冷壁积灰和腐蚀等局2数学模型部问题。近年来，Kraft 等[”设计了一种底部带洗2.1连续相模型涤冷却室的辐射废锅，并通过CFD模拟对其内部.采用Euler法建立连续介质流动控制方程。辗流场和温度场进行了设计优化，但由于以专利形式射废锅人口圆形射流与Texaco气化炉顶部喷嘴射发表，辐射废锅内流场和温度场细节仍未能充分流相似，人口直径与简体直径相比，突扩比较大，展现。本文通过数值模拟方法对水煤浆气化辐射属于典型的圆形湍流受限射流过程。而关于废锅进行了研究，以期为该领域的研究提供重要Texaco气化炉的实验和模拟研究已有文献报道[0]，信息。通过对多种湍流模型计算结果与实验对比分析得1研究对象与模型假设出,中国煤化，士时圆形湍流受限射流过:HCNMH(致(011]，因此本图1显示了辐射废锅顶部圆形人口、双层水冷文采算炉内流场。底部壁和渣池结构。为便于建立计算稳定的数值模型，渣池气液两相运动界面的控制采用流体体积VOF.第12期倪建军等:气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热●2999 ●模型[12]。Schmidt数;么为湍流黏度，Pa.s; Y:为组分i的在传热和相间能量传递计算中共用一套能量质量分数; x; 为空间方向; N为组分数。方程2.2离 散相模型a(p.E).9p.2+0●[U(q,E +p)]=v.(kaVT)+S。(1)不同粒径颗粒群在辐射废锅内的运动及分布情况采用随机轨道模型在Lagrange坐标系下考察，式中p。为第q 相密度，kg.m~'; U为混合相速采用双向耦合算法考虑颗粒相与连续相间的相互作度，m's'; p为压力，Pa; k为热导率，W●用。在笛卡尔坐标系(y方向)下的单颗粒运动方m-'●K-'; l为时间，s; Sn为能量源项，包括热程为[4辐射和相间热传递。VOF模型中将温度为T时的出=P0(4.-u)+ Buse +F,(4)能量E作为质量平均变量处理。Pp在求解能量方程时，不同温度下的合成气比热式中 Fo(up-up) 为单位质量颗粒曳力项; Pq、容为ue、P%、up分别为气体和颗粒密度和速度; g,为重Co.dT)(2力加速度y方向分量;第二项为重力和浮力的合力项; F,为附加力的合力，包括虚假质量力、热.式中Cp,1为组分i的热容，J●g~'●K-'; Tw=泳力、布朗力和Saffman力等，在本文计算条件298.15K.根据表1给出的合成气组分数据，可得.下，由于P236031.52360> 118015. 41.17703网格划分与边界条件>85011.660153.1网格划分和求解方 法6.84>15012.44288根据辐射废锅的轴对称性和计算域突扩比大的>756.29113特点，对辐射废锅进行1/2六面体非结构化网格划≥454.8750分。在考察网格独立性计算中，对网格数为45万、11. 0081万和120万的计算域进行了对比求解，最终确定合适的网格数约为81万，计算区域及网格划分煤渣颗粒密度为2700 kg. m~',热导率为如图2所示。1.89 W.m-. K-',比热容为1670J. kg-'●计算采用控制体积法离散微分方程，对流项采K-'.壁面灰渣表面发射率取为0.83[19]。 根据用二次迎风插值方法，压力耦合的求解基于质量、壁厚和灰渣层厚度以及管内水温587K， 可以计动量和能量传递方程的SIMPLE半隐式方法，压算得到内、外简壁面灰层表面温度。灰、渣总力采用PRESTO离散化方法。采用出入口质量差厚度(S)与灰层表面温度(Th)的关(<0.1%X人口质量)、出口温度(波动<0. 1%平系为[20]均值)以及控制方程残差(能量方程和离散坐标方A(Tb一T.)程<10-s，各组分残差<10-*,其他方程<10-*)S=h(T.-Tmh) +a(T:一;x10(9)这3个标准判断收敛。由于辐射废锅内主要以辐射式中λ为灰渣层热导率， W.m-'●K-+; T.为传热为主，而辐射传热是以光速传播电磁波，故采水冷壁管金属壁面温度，K; h为对流传热系数，用稳态计算。W.m~°.K-'; ε为灰表面发射系数。中国煤化工图2辐射废锅计算城及.MYHCNMHGFig.2 Calculation domain of RSC and mesh generation第12期倪建军等:气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热4计算结果与讨论4.1模型验证由于对辐射废锅计算结果进行验证存在较大困难，而洗涤冷却室与辐射废锅同处于气化炉出口，操作工况类似，洗涤冷却室内辐射传热也是传热过程的主要方式之一，因此首先利用本模型对文献[1]中不同工况下洗涤冷却室下降管温度场进行了模拟，模型预测值和实验结果如图3所示。由图可见，本模型与实验结果吻合较好，本文所建立模型可对辐射废锅做出合理预测。1000口experimental data(Case 1)---- simulation(Case I)experimental data(Case II)8000--. simulation(Case I)600(a) velocity contours(b) velocity vectorB图4截面Y=0速度等值线和流向分布Fig. 4 Velocity contours and velocity vector200 !profile in plane Y=0 (CaseI)0.150.450.60beigh/m图5为辐射废锅出口截面速度流向分布，从图图3文献[1] 实验结果与本文模拟结果比较中可见环隙气流在环形绕流后从出口流出，但在出Fig.3 Comparison of experimental data in口附近不同流向气流相汇混合，产生了较大的湍流Ref. [1] and simulated data in this work扰动，气流流向相对混乱。4.2连续相流场图4为辐射废锅轴截面速度等值线和速度向量分布。由图4 (a)可见，辐射废锅入口中心射流区城明显，射流张角为10°，长度约为6.5m,最大流速为11 m.s-',在6.5 m以后区域速度分布相对均匀。气流抵达渣池液面流速约为0.4 m●s~', 辐射废锅出口截面平均流速约为7.8 m●图5 A-A 截面速度流向分布s~'.从图4 (b) 中可发现辐射废锅内简顶角处存.Fig.5 Velocity flow in A- A profile (Case I )在对称的旋涡。在辐射废锅底部，合成气主要从内图6为合成气主要气体组分CO、CO2、 H2 和筒导流到环隙，内筒出口气流中心垂直于渣池液H2O在辐射废锅内筒沿轴线的浓度分布。其总体面，气流转向流动形成了一对旋涡。图中还可见底浓度沿气流方向升高，这是由气流温度降低而总部合成气流向相对紊乱，环隙部分气流有向下流的压和体积不变所致，与气体状态方程结论相符。各.现象，主要是由于气流由向下流动转为向上流动过组分浓度分布合理，说明各组分扩散比较均匀。程湍流扰动较大，同时非对称单侧出口对气流也有此外，采用VOF多相流模型对渣池液面的计一定影响。此外，在中心射流周围还有高约为4. 5算发中国煤化工中未出现较明显m的回流区，这种中心射流伴有回流区的现象与的湍气经由下降管通入0HCNMH C文献[9]所揭示的Texaco气化炉内圆形受限射渣池w于玖收画制烈而列个问，辐射废锅内气流未流物理现象和变化趋势一致。充人渣池，冲击渣池液面的气速仅为0.4 m.sI,●3002●化工学报第60卷0.15p-C0 .... H----C02 ---- H2OI 0.09-concentration/kg●m':0.03.18 21heighU/m图6主要气体组分沿轴线的浓度分布Fig. 6 Molar concentration distribution of maincomponents of syngas along axial line (Case I )且气流夹带的颗粒粒径较小，故未能使渣池液面产生明显波动。4.3离散相流场图7为辐射废锅内煤渣颗粒浓度分布和运动轨线。由图可见，大多数煤渣颗粒落人渣池，但少数(a) concentration粒径较小的颗粒由于自身沉降速度小于气流速度而被气流夹带。辐射废锅内筒颗粒由于受惯性力和重力作用，主要集中在中心区域，水冷壁壁面附近颗粒浓度偏低，因此不易出现大颗粒熔渣在水冷壁上沉积结渣现象。此外，在内筒人口中心射流回流60 h区、内简顶部和出口对称旋涡区有- -定量颗粒富集。人口射流回流区内颗粒仍处于熔融态，易出现velocity/m.s':壁面结渣。图8显示了辐射废锅内简管面灰渣沉积情况，由图可以看出，管面存在少量结渣且外层为.一薄灰层。4.4整体温度场由于辐射废锅内部灰渣层厚度随着实际运行和操作条件的改变而变化，因此本文对灰渣层厚度对温度场的影响进行了研究，结果见表4。图9为不同灰渣厚度时内简和环隙界面平均温度分布的比较。由图可见，随着灰渣层厚度的增加，传热效率明显降低，当内外水冷壁灰渣层厚度53一致时(CaseI )，计算结果与工程公司的设计值一致。在内简人口附近平均温度较低，因为内简顶部存在涡旋回流区，气体停留时间较长。从图中还(b)trajctory可以发现，内简渣层越厚，内简出口温度越高。对中国煤化工。CaseV的计算得出辐射废锅出口温度为580C，布和运动轨线YHCN M H Gnd rijetiry工厂实际运行出口温度通常约为600C，表明模in RSC (CaseI, Y=0)拟结果与实际工况吻合较好。此时环隙水冷壁吸热第12期倪建军等:气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热●3003 ●温度骤降。图10为辐射废锅轴截面温度场。炉内入口中心射流温度分布呈火炬状，中心温度较高，在径向方向沿壁面递减，该结论与文献[8]中结果基本一致。整体温度分布随着与人口距离的增大，合成气流速降低，热量主要通过辐射传热和对流换热的(a) top view of deposition形式传递给水冷壁，从而温度迅速下降。在距内简顶部7.5 m后，火炬状温度分布已不明显，但温度分布仍为中心高两侧低。通过对比发现，内筒渣层厚度增加，使热阻增加，换热量减少，温度下降速度明显降低。还可以发现，气流在渣池液面附近.syngas flow温度为1100C左右，进入环隙温度下降到1000C以下，出口温度为600C左右。(b) deposition on tube surface图8辐射废锅内管 面灰渣沉积情况Fig. 8 Ash/ slag deposition on water tube of RSC表4不同灰渣厚度分布条件Table 4 Calculation conditions with differentash/slag deposition thickness/Inner cylinderAnnular spaceCaseSlag/mmAsh/ mmSlag/ mmAsh/mm8102001800由Case IVinner cylinder▲Casell●CaseV1600●CaseI ■design1400(a) Case I(b) CaseV引1200图10辐射废锅轴截面温度场outer cylinder1000Fig. 10 Static temperature profiles in plane Y=04.5颗粒平均停 留时间与温度分布800. outlet profile图11为对3360个颗粒分60组进行示踪统计602得到的不同粒径颗粒落人渣池时的温度和平均停留height/m时间分布。由图可见，粒径越大温度越高，由于其图9不同工况下截面温度对比自身重力和惯性力越大，沉降速度也大，从而使Fig. 9 Evolution of temperature at diferent其在炉内运动的停留时间缩短，粒径大于850heights and conditionsmm |中国煤化工当内简水冷壁壁量达到总吸热量的73.3%，由于环隙气流流速低，面渣|YHCN MH G渣池颗粒温度随且与水冷壁管进行逆行对流换热和热传递所致。此整体温度场的升高而提高，最高达1298.4C，远外，由于渣池温度较低，气流温度在渣池液面附近高于气流温度1155.3C，而颗粒最小温度仅为●3004●化工学报第60卷160060References1550 I501500 t[1] Wang Yifei (王亦飞)，Lu Ruihua (卢瑞华)，Su Yiteng40(苏宜丰)，Liang Qinfeng (梁钦锋), Yu Zunhong (于遵宏). Temperature distibution in the serubbing coling tube! 140030翼of the new type coal slurry gasifier. Journal of East Chinat 1350p particle temperature.20University of Science and Technology (华东理工大学学■mean residence time报)，2006, 32 (3); 300-304particle temperature t 10mean residence time[2] Zhao Yongzhi (赵水志), Gu Zhaolin (顾兆林)，Li Yun1200 l(李云)，Feng Xiao (冯霄). Numerical simulation on.73.6diameter/mmturbulent flow and heat transfer of vertical pipe in quench图11不同粒径颗粒落人渣池时的温度和停留时间chamber of coal gasifier. Jourmal of Chemical Industry andFig. 11 Temperature and residence time ofEngineering (China) (化工学报), 2003, 54 (1):115-118particles with different diameters[3LiuH, Ni W. LiZ, Ma L Strategic thinking on IGCC1032. 5C，但可以判断所有颗粒在落人渣池时已development in China Energy Polics, 2008, 36; 1-11成固态。当颗粒粒径小于10μm时，颗粒在辐射[4Minchener A J. Coal gasification for advanced powe废锅内停留时间较长，且极易被气流夹带进人环generation. Fuel, 2005, 84: 222-2235隙，较易在壁面形成结渣或积灰，该结果与文献[5Brooke D. Chemistry of deposit formation in a coalgasification syngas coler Fuel, 1993, 72 (5); 665-670[5] 计算值一致，也间接证明假设工况CaseV的[6] Kihara s, Namba I, Kuwabara T, Fujti N. Corrosion of合理性。T-11 syngas cooler tubes in 1GCC pilot plant. Mater. High5结论Temp.1997. 14 (4): 429-433[7Wessel R A, Kraft DL, Fry S R. Compact radial platen在Euler/Lagrange坐标系下模拟了气流床煤arrangement for radiant syngas cooler: US， 2008/气化辐射废锅内的三维多相流动与传热过程，得到0041572. 2008-02-21了以下结论。[8] Zbogar A, FrandsenFJ, JensenP A, Glarborg P. Heattransfer in ash deposits: a modeling tool-box Prog.(1)在辐射废锅人口形成了张角为10°.长约Energy Combust. Sci,, 2005, 31: 371-4216.5m的高速中心射流，该区域周围伴随有对称回[9Wu Yuxin (吴玉新)，Zhang Jiansheng (张建胜), Yue流区，内简顶角处也存在两个对称的旋涡区。气流Guangxi (岳光溪)，Lo Junfu (昌俊复). Comparison of从底部折返区形成较大湍流扰动，流向相对混乱，diferet turbulence models in computation of co-axial jet气流向下流至渣池液面时流速约为0.4 m. s扩',stream of Texaco gasifier. Journal of Chemical Industry出口截面平均流速约为7.8 m.s-1.and Engineering (China)(化工学报)， 2007， 58 (3);537-543(2)炉内颗粒主要集中在中心流道，但部分沉[10]Ni Jianjun (倪建军)，Liang Qinfeng (梁钦镰)，Dai .降速度较小的颗粒将被气流夹带出辐射废锅，与流.Zhenghua (代正华)，Yu Guangsuo (于广锁)，Yu场相对应的内简顶部、中心射流周围和内筒出口旋Zunhong (于遵宏). Numerical simulation of gas paricle涡区域有一定量颗粒富集.two-phase flow in the impinging streams gasifier. CIESC(3)炉内人口射流中心温度较高，呈火炬状分Joumnal(化工学报), 2009，60 (4); 864-871布，在距内简顶部7.5 m后火炬状分布逐渐消失，[11] ShihTH, LouW W, Shbbir A, YangZ, Zhu J. A new渣池液面附近气流温度下降较快，环隙温度基本保.ke eddy viscosity model for high Reynolds number turbulentflows Comput. Fluids, 1995， 24 (3): 227-238持在1000C以下。[12].me of fluid methods for(4)大部分颗粒最终以固态落人渣池，粒径大中国煤化工w Chm Eng. J.,于850 μm的颗粒在5 s内即落人渣池，粒径越大YHCNMHG温度越高，且随着水冷壁壁面灰渣层厚度的增加，[13] Habibi A, Merci B, Heynderickx G J. Impact of radiation整体温度升高，颗粒温度也随之升高。models in CFD simulations of steam cracking furnaces.第12期倪建军等:气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热3005Comput. Chem. Eng. ，2007, 31 (11): 1389-1406[18] Goodwin D G, Mitchner M. Infrared optical constants of[14]MorsiS A, Alexander A J. An investigation of particleslags: dependence on chermical composition.trajectories in tworphase flow systems. J. Fluid Mech. ,J. Thermophysics, 1989,3 (1); 53-601972，55; 193-208[19] Mills K C, Rhine J M. The measurement and estimation of[15] Modest M F. Radiative Heat Transfer. Burlington;the physical properties of slags formned during coalAcademic Press, 2003: 498gsification. Fuel, 1989， 68: 904-910[16] Smith T F, Shen Z F, Friedman J N. Evaluation of[20] Mueller C, Selenius M, Theis M, Skrifvars BJ, Backmencoefficients for the weighted sum of gray gases model. J.R, Hupa M, Tran H. Deposition behaviour of moltenHeat Transfer, 1982, 104: 602-608alkalirich fly ashes- -development of a subrmodel for CFDCoppalle，Vervisch;The total emissivities of high-applications. Proc. Combust. Inst. 2005, 30; 2991-2998temperature flames Combust Flame, 1983, 49: 101-108中国煤化工MYHCNMHG