胡振中，畢大鵬，張建勝，2

(1.清華大學(xué)山西清潔能源研究院，山西 太原 030032；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084)

煤氣化是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，對(duì)緩解我國(guó)對(duì)外石油依存度、保障國(guó)家能源安全具有重大意義[1-3]。氣流床氣化爐具有操作壓力高、氣化規(guī)模大、煤種適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)，是煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向。氣化燒嘴是氣流床氣化爐的核心部件，所有進(jìn)入氣化爐發(fā)生氣化反應(yīng)的原料都需經(jīng)過(guò)燒嘴輸送至氣化爐，并通過(guò)燒嘴和氣化爐的配合在氣化室內(nèi)形成合理的流場(chǎng)形態(tài)，保證氣化反應(yīng)快速高效完成[4]。無(wú)論采取何種燒嘴布置方式，氣化燒嘴本身的使用壽命都是影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素。

氣化燒嘴的工作環(huán)境惡劣，頭部直接暴露在1 500 ℃以上的高溫環(huán)境中，極易因高溫產(chǎn)生開裂和變形[5]，因此需要在燒嘴外側(cè)套設(shè)一層水冷夾套，對(duì)燒嘴進(jìn)行冷卻保護(hù)。但是即便如此，由于冷卻效果不理想，燒嘴的平均使用壽命仍不足60天[6]，嚴(yán)重制約氣化爐的長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行。

在此背景下，本文以氣化燒嘴的水冷夾套為研究對(duì)象，從強(qiáng)化傳熱角度出發(fā)，提出一種基于增材制造技術(shù)的內(nèi)置微翅片式水冷夾套，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)“V”形微翅片的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析，以期指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)方案

目前，氣化燒嘴水冷夾套大多采用套管的形式(圖1)，由內(nèi)外兩層鋼管套設(shè)的方式形成冷卻水的進(jìn)出水通道，冷卻水自外層通道進(jìn)入夾套，流動(dòng)至頭部端面后折返，從內(nèi)層通道流出。在氣化燒嘴頭部端面，冷卻水沿徑向自外向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與內(nèi)表面發(fā)生對(duì)流換熱、帶走高溫?zé)崃?。見圖2。

圖1 套設(shè)水冷夾套的煤氣化燒嘴

圖2 水冷夾套和端蓋表面水流方向

傳統(tǒng)的冷卻水夾套受限于加工方式，通道內(nèi)為光滑的表面，未進(jìn)行強(qiáng)化傳熱處理，水冷夾套的冷卻效果不理想，未能對(duì)氣化燒嘴起到有效的保護(hù)作用，氣化燒嘴在高熱負(fù)荷工作條件下易出現(xiàn)熱疲勞開裂。

增材制造技術(shù)是一種快速成形的先進(jìn)制造技術(shù)。其本質(zhì)原理是離散與堆積，即在計(jì)算機(jī)的輔助下，通過(guò)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行切片處理，把三維實(shí)體的制造轉(zhuǎn)換成二維層面的堆積和沿成形方向不斷疊加，最終實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的制造。相比于傳統(tǒng)制造方法，增材制造具有制造周期短、成形不受零件復(fù)雜程度限制，以及節(jié)材、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)[7-9]。將增材制造技術(shù)引入水煤漿工藝燒嘴的生產(chǎn)制造，實(shí)現(xiàn)了燒嘴冷卻夾套的換熱精細(xì)化設(shè)計(jì)，有望大幅優(yōu)化水煤漿燒嘴的冷卻效果，延長(zhǎng)燒嘴的使用壽命。

基于強(qiáng)化換熱的設(shè)計(jì)理念，本文采用增材制造技術(shù)，在氣化燒嘴冷卻水夾套內(nèi)設(shè)置“V形”微翅片換熱結(jié)構(gòu)(圖3)，從而增加冷卻水的對(duì)流換熱面積，改善冷卻水流經(jīng)微翅片的流動(dòng)形態(tài)，提高對(duì)流換熱系數(shù)，達(dá)到提升水冷夾套冷卻效果的目的。

圖3 內(nèi)置“V形”微翅片的水冷夾套結(jié)構(gòu)示意

2 計(jì)算方法和對(duì)象

2.1 計(jì)算方法

假設(shè)冷卻水在夾套內(nèi)無(wú)相變，則其流動(dòng)為受限空間內(nèi)的連續(xù)過(guò)程，可以通過(guò)質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程描述，其表達(dá)式如(1)-(3)所示。

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ui表示i方向的速度分量，m/s；u′為湍流脈動(dòng)速度，m/s；T為溫度，K；T′為湍流脈動(dòng)溫度，K；ρ為流體密度，kg/m3；μ為流體動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；cp為流體定壓比熱容，J/(kg·K)；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；φ為黏性耗散項(xiàng)。

計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流流動(dòng)，湍流動(dòng)能k和耗散率ε的傳輸控制方程如式(4)和式(5)：

Gκ-ρε

(4)

式中：ρ表示流體密度，kg/m3；ui表示i方向的速度分量，m/s；t為時(shí)間間隔，s；Gk表示由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；μ和μt分別表示流體黏度和湍流黏度，kg/(m·s)；σk=1、σε=1.3、C1ε=1.44、C2ε=1.92為方程常數(shù)[10]。

2.2 計(jì)算對(duì)象

本文以某投煤量為500 t/d、氣化壓力為4.0 MPa的水煤漿氣化燒嘴為計(jì)算對(duì)象，對(duì)水冷夾套內(nèi)冷卻水的流動(dòng)和換熱進(jìn)行數(shù)值模擬(圖4)。水冷夾套冷卻水入口為質(zhì)量流量邊界條件，流量恒定為10 t/h、冷卻水為4.0 MPa壓力下的飽和水，水溫為250 ℃，水冷夾套冷卻水出口為壓力出口邊界條件。氣化爐內(nèi)高溫合成氣與氣化燒嘴之間的通過(guò)輻射進(jìn)行換熱，燒嘴錐段設(shè)置為輻射熱邊界，輻射溫度為1 500 ℃。

圖4 計(jì)算對(duì)象邊界條件設(shè)置示意

翅片的張角θ和長(zhǎng)度L是決定單個(gè)“V形”翅片換熱性能的重要幾何參數(shù)(圖5)。在換熱空間和冷卻水量一定的條件下，翅片的這些幾何參數(shù)會(huì)直接影響冷卻水的流動(dòng)性能和對(duì)流換熱特性。為了研究微翅片各幾何參數(shù)對(duì)燒嘴水冷夾套流動(dòng)換熱特性的影響，本文按照不同張角和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了7組不同的微翅片水冷夾套和1組不帶翅片的基準(zhǔn)水冷夾套進(jìn)行對(duì)比，其幾何參數(shù)見表1。

圖5 “V形”微翅片結(jié)構(gòu)

表1 “V形”微翅片幾何參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與討論

根據(jù)冷卻水在燒嘴頭部夾套內(nèi)的流動(dòng)方向，大致可將夾套的流動(dòng)區(qū)域分為直流段、收縮段、折返段和回流段四個(gè)區(qū)間(圖6)。

圖6 燒嘴頭部流動(dòng)區(qū)域分區(qū)

直流段和回流段為連接冷卻水進(jìn)出口和燒嘴頭部的區(qū)間，該區(qū)間段水流平緩、方向相反，壓力損失主要來(lái)自管道的沿程阻力，由于直流段和回流段外表面不直接暴露在氣化爐高溫環(huán)境下，因而承受的熱負(fù)荷也較小。

為滿足氣化工質(zhì)流動(dòng)的需要，燒嘴出口處一般設(shè)計(jì)成具有一定收縮角的錐形，與之相對(duì)應(yīng)的冷卻水通道區(qū)間為收縮段和折返段。在收縮段，冷卻水流動(dòng)方向發(fā)生偏斜，通過(guò)折返段后發(fā)生反向流動(dòng)。由于燒嘴錐段直接暴露在高溫合成氣中，因而收縮段和折返段需承受較大的熱負(fù)荷，是燒嘴的關(guān)鍵冷卻部位。

圖7為燒嘴頭部沿水流方向的壓力和溫度變化曲線圖?？梢钥闯?，由于收縮段和折返段的長(zhǎng)度相當(dāng)，承受的輻射熱負(fù)荷大小也接近，且由于內(nèi)表面均為光滑表面，對(duì)流換熱系數(shù)也近似相等，因而冷卻水溫升幅度大小接近；但在壓力損失方面，由于收縮段的水流方向變化較小，因而局部阻力損失遠(yuǎn)小于折返段，導(dǎo)致收縮段的流動(dòng)阻力大幅低于折返段。因此，熱負(fù)荷高、流動(dòng)阻力適中是燒嘴收縮段主要的換熱和流動(dòng)特征，是內(nèi)置微翅片強(qiáng)化換熱的最佳部位，通過(guò)合理設(shè)計(jì)翅片結(jié)構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)流換熱和流動(dòng)阻力之間的平衡。

圖7 燒嘴頭部冷卻水壓力和溫度變化

3.1 翅片張角對(duì)換熱和流動(dòng)特性的影響

圖8為不同“V”形翅片張角的水冷夾套頭部溫度分布云?？梢钥闯?，當(dāng)燒嘴夾套為光滑表面時(shí)，夾套錐段表面大量分布著溫度在600 ℃以上的高溫區(qū)，在錐面和端面交界的棱角處的表面溫度也較高，這些區(qū)域極易因熱應(yīng)力而發(fā)生開裂，是影響氣化燒嘴安全運(yùn)行的不穩(wěn)定因素。

當(dāng)在內(nèi)表面增加“V”形翅片后，錐段表面的高溫區(qū)得到了明顯的改善，特別是翅片所在位置，由于對(duì)流換熱得到了增強(qiáng)，表面溫度顯著降低，并且這種對(duì)溫度場(chǎng)的影響沿著翅片尾部向燒嘴軸向擴(kuò)散，使得翅片張角范圍內(nèi)的扇形區(qū)域溫度都在一個(gè)較低的水平，起到了較好的降溫作用。這對(duì)于燒嘴的長(zhǎng)周期運(yùn)行無(wú)疑是有利的。對(duì)比不同張角的溫度云可以看出，隨著翅片張角的增大，翅片尾部的溫降區(qū)域越大，錐段表面的低溫區(qū)分布也更加均勻。

圖9為不同“V”形翅片張角的水冷夾套頭部端面沿徑向的溫度分布曲線。可以清楚地看出，端面兩側(cè)是高溫區(qū)，且外側(cè)面的溫度高于內(nèi)側(cè)面。對(duì)于未加翅片的水冷夾套，端面平均溫度為達(dá)443 ℃，隨著翅片的加入，端面溫度顯著降低，而隨著翅片張角的增大，燒嘴端面的溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)翅片張角達(dá)到90°時(shí)，端面平均溫度降低為401 ℃，降幅達(dá)42 ℃。這有利于延長(zhǎng)端面材料的使用壽命。

圖9 水冷夾套頭部端面溫度分布曲線

圖10為不同“V”形翅片張角的水冷夾套頭部錐段速度矢量分布?？梢钥闯觯瑢?duì)于無(wú)翅片的光管夾套，水流方向平穩(wěn)無(wú)擾動(dòng)。隨著翅片的加入，在“V型”翅片尾部區(qū)域出現(xiàn)了渦流，而且渦流影響的范圍隨著擴(kuò)張角的增大而增大。值得注意的是，這種影響范圍的擴(kuò)張方向主要沿著錐段的軸向；而在錐段的周向非翅片區(qū)域，流體仍保持原有的直線型流動(dòng)路徑。渦流的產(chǎn)生強(qiáng)化了冷卻水和夾套壁面之間的對(duì)流換熱，這是夾套表面溫度分布改善的根本原因。

圖10 水冷夾套頭部錐段速度矢量分布

圖11為不同“V”形翅片張角的水冷夾套頭部冷卻水沿流程的壓力曲線?？梢钥闯?，對(duì)于沒(méi)有翅片的光管夾套，壓力降主要出現(xiàn)在折返段。而對(duì)于內(nèi)置微翅片的夾套，在兩處翅片設(shè)置的位置，均有一個(gè)明顯的小幅壓力降，但主要的壓力降仍出現(xiàn)在折返段。對(duì)比不同翅片張角的壓降曲線可以看出，隨著翅片張角的增大，冷卻水沿流動(dòng)方向的壓降的水平呈提高的趨勢(shì)，即流動(dòng)阻力隨翅片張角的增大而增大。

圖11 水冷夾套頭部沿流程壓力分布曲線

3.2 翅片長(zhǎng)度對(duì)換熱和流動(dòng)特性的影響

圖12為不同“V”形翅片長(zhǎng)度的水冷夾套頭部溫度分布云。由于翅片的長(zhǎng)度直接影響了翅片的換熱面積，因而翅片長(zhǎng)度對(duì)夾套表面溫度分布的影響是顯而易見的。隨著翅片長(zhǎng)度的增大，燒嘴側(cè)面和端面的高溫區(qū)都得到了明顯的改善，當(dāng)翅片長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，基本消除了翅片分布區(qū)域的高溫區(qū)。

圖12 水冷夾套頭部溫度分布云

圖13為不同“V”形翅片長(zhǎng)度的水冷夾套頭部端面沿徑向的溫度分布曲線。可以看出，隨著翅片長(zhǎng)度的增大，燒嘴端面溫度降低，而且當(dāng)長(zhǎng)度由10 mm增大到15 mm時(shí)，溫度的降低幅度最為明顯，端面平均溫度由435 ℃降低至408 ℃，降幅達(dá)27 ℃。

圖13 水冷夾套頭部端面溫度分布曲線

圖14為不同“V”形翅片長(zhǎng)度的水冷夾套頭部錐段速度矢量分布。可以看出，翅片長(zhǎng)度對(duì)夾套內(nèi)冷卻水流場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在周向。隨著翅片長(zhǎng)度的增大，翅片在周向的影響范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)翅片長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，相鄰翅片之間產(chǎn)生的渦流區(qū)域近乎相交。由于相鄰渦流之間的撞擊會(huì)增大流體的流動(dòng)阻力，可以推斷的是，當(dāng)渦流區(qū)相交重疊后，勢(shì)必會(huì)造成壓損的大幅提高。因此，在設(shè)計(jì)翅片長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)充分考慮渦流區(qū)的范圍，在增大渦流區(qū)的同時(shí)盡量減少其交叉重合的區(qū)域。

圖14 水冷夾套頭部錐段速度矢量分布

圖15為不同“V”形翅片長(zhǎng)度的水冷夾套頭部冷卻水沿流程的壓力曲線?？梢钥闯?，隨著翅片長(zhǎng)度的增大，冷卻水壓力損失也呈提升的趨勢(shì)，其壓降曲線形態(tài)與變張角壓力曲線形態(tài)一致。

圖15 水冷夾套頭部沿流程壓力分布曲線

4 結(jié) 論

針對(duì)煤氣化燒嘴運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)端部開裂的實(shí)際問(wèn)題，提出采用增材制造的手段在水冷夾套內(nèi)表面設(shè)置微翅片的技術(shù)方案，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法，計(jì)算分析了內(nèi)置“V”形微翅片氣化燒嘴水冷夾套的換熱和流動(dòng)特性，證明了技術(shù)方案的可行性，主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)冷卻水在水冷夾套內(nèi)的流動(dòng)方向，可將水冷夾套分為直流段、收縮段、折返段和回流段四個(gè)區(qū)域，其中收縮段具有受熱負(fù)荷大、壓力損失適中的特點(diǎn)，是優(yōu)化改造的主要區(qū)間段。

(2)水冷夾套內(nèi)置“V”形微翅片可以顯著改善燒嘴的換熱條件，相比于無(wú)翅片光管夾套，燒嘴端面溫度降幅可達(dá)42 ℃，有利于延長(zhǎng)材料的使用壽命。

(3)“V”形翅片的張角和長(zhǎng)度是影響冷卻水流動(dòng)和換熱的主要幾何因素。隨著張角和翅片長(zhǎng)度的增大，水冷夾套換熱的改善程度增大，燒嘴表面的溫度也更低，但同時(shí)壓力損失也增大。

(4)“V”形翅片擴(kuò)張角對(duì)夾套內(nèi)冷卻水流動(dòng)的影響范圍主要沿?zé)燧S向，翅片長(zhǎng)度對(duì)冷卻水流動(dòng)的影響范圍主要沿?zé)熘芟?。渦流區(qū)的分布是評(píng)價(jià)冷卻水換熱和流動(dòng)的主要指標(biāo)，渦流區(qū)分布越均勻，換熱效果越好，渦流區(qū)交叉重合越多，流動(dòng)壓降越大。