陳國喜，尚夢(mèng)源，王為術(shù)，王健濱，趙建勛，張景堯

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州450016；2.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，河南鄭州450045；3.鄭州中鼎鍋爐股份有限公司，河南 鄭州451164）

正壓水煤氣立式余熱鍋爐是針對(duì)煤化工恩德爐工序余熱所設(shè)計(jì)的余熱高效利用技術(shù)設(shè)備。典型鋼鐵流程焦?fàn)t焦化工序中，恩德爐高達(dá)1 000℃的水煤氣需要冷卻至150℃，余熱損失高達(dá)50 kg標(biāo)煤/t焦，按年產(chǎn)5億t焦，損失能量高達(dá)2 500萬t標(biāo)煤，工序存在巨大溫壓，水煤氣溫度高，溫度波動(dòng)大，煤氣含塵量很大，煤氣中CO和H2高達(dá)70%，且為正壓狀態(tài)，利用起來難度較大。為了提高煤化工能量轉(zhuǎn)化效率，必須高效回收恩德爐工序的余熱。爐內(nèi)的傳熱特性、流場(chǎng)特性對(duì)余熱鍋爐安全、高效運(yùn)行有著很大的影響。為提高余熱鍋爐的安全性、高效節(jié)能性，國內(nèi)外學(xué)者大多采用理論建模數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行研究。董龍標(biāo)等[1]對(duì)8個(gè)熱態(tài)工況下爐內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性。趙啟成[2]以實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為邊界條件，對(duì)余熱鍋爐內(nèi)部多場(chǎng)耦合進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了爐內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)對(duì)鍋爐磨損、結(jié)渣的影響規(guī)律。ZHOU N J等[3]提出兩階段模擬方法，得出切向溫度分布表達(dá)式。劉欣欣[4]對(duì)工業(yè)鍋進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)模擬，詳細(xì)分析了爐內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的局部特性，并根據(jù)爐內(nèi)流場(chǎng)分布的特點(diǎn)，增加擋板使得爐內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布更加均勻。SHAO H S等[5]將實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，得到了氣液兩相流在管束中沸騰的壓降、含氣率、流場(chǎng)和傳熱特性。丁陽等[6]采用數(shù)值模擬方法，研究了余熱鍋爐過渡段的流動(dòng)特性，結(jié)果表明在入口處增加導(dǎo)流板可以有效降低入口平均流速。研究實(shí)踐結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的情況誤差在允許范圍以內(nèi)。為節(jié)約研究成本，縮短研究時(shí)間，大多學(xué)者均采用數(shù)值研究方法對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究。張子坤[7]利用CFD方法對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠余熱鍋爐的運(yùn)行工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了爐膛內(nèi)的流場(chǎng)特性、溫度場(chǎng)特性和換熱特性。聶德云[8]對(duì)高爐煤氣余熱鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布，對(duì)灰斗和通流結(jié)構(gòu)處進(jìn)行了優(yōu)化。周翼等[9]、周津煒等[10]對(duì)余熱鍋爐通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析加裝倒V型均流裝置前后的煙道內(nèi)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布以及均流裝置對(duì)流動(dòng)特性的影響，進(jìn)而對(duì)如何提高傳熱效率、減輕局部磨損提出可行性意見。張麗麗等[11]、汪杰[12]采用k-ε雙方程與多孔介質(zhì)模型，對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了爐內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。袁艷平[13]、喬雷[14]對(duì)流管束簡(jiǎn)化為厚度與對(duì)流管直徑相等的對(duì)流板，研究了余熱鍋爐內(nèi)部的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布，分析了各個(gè)煙道段內(nèi)的換熱趨勢(shì)和煙氣流場(chǎng)對(duì)換熱的影響。Antonio等[15]建立了一維數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算蒸汽與水的傳熱、流動(dòng)特性及其影響。穆林等[16]建立了余熱鍋爐二維求解模型，研究了不同尺寸的粒子在爐膛內(nèi)不同區(qū)域的沉積情況。

正壓水煤氣立式余熱鍋爐針對(duì)煤化工流程的高溫水煤氣設(shè)計(jì)，可以得到可供發(fā)電、生產(chǎn)使用的過熱蒸汽。爐內(nèi)的傳熱特性、流場(chǎng)特性對(duì)余熱鍋爐安全、高效運(yùn)行有著很大的影響。為掌握余熱鍋爐的傳熱、流動(dòng)特性，提高其經(jīng)濟(jì)性、安全性，作者基于正壓水煤氣立式余熱鍋爐，利用CFD方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，研究典型余熱鍋爐在四種不同工況下的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布規(guī)律，以期對(duì)優(yōu)化和改進(jìn)余熱鍋爐的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型與計(jì)算方法

1.1 物理模型

模擬對(duì)象為正壓水煤氣立式余熱鍋爐，鍋爐由上煙道、下煙道及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備組成。上、下煙道之間采用膨脹節(jié)密封連接；高溫含塵煙氣經(jīng)凝渣管、高低溫過熱器、對(duì)流管束Ⅰ、外來蒸汽過熱器、對(duì)流管束Ⅱ、對(duì)流管束Ⅲ、高溫省煤器、低溫省煤器、軟水加熱器后排出爐子下部結(jié)構(gòu)。上煙道尺寸為3.82 m×2.2 m×16.5 m，下煙道為3.4 m×1.68 m×12.5 m，爐內(nèi)管束系統(tǒng)均為順排布置，具體布置如圖1所示。以余熱鍋爐實(shí)際尺寸1:1建立三維幾何模型。由于余熱鍋爐兩端對(duì)稱，故將其模型從中心截取一半；將爐內(nèi)區(qū)域按照管束區(qū)域進(jìn)行劃分，管束區(qū)域以多孔介質(zhì)模型代替。

圖1 余熱鍋爐物理模型示意圖

1.2 網(wǎng)格模型

物理模型計(jì)算范圍規(guī)則區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成六面體網(wǎng)格，多孔介質(zhì)區(qū)域和立式鍋爐入口和出口處的直角轉(zhuǎn)彎處局部加密處理。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，逐次加密網(wǎng)格并進(jìn)行初步的迭代計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。得到網(wǎng)格無關(guān)解模型，如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果圖

圖3 網(wǎng)格模型示意圖

1.3 數(shù)學(xué)模型

余熱鍋爐內(nèi)煙氣流動(dòng)復(fù)雜，采用RNG k-ε湍流方程模型對(duì)氣相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

（1）連續(xù)性方程

（2）動(dòng)量方程

（3）湍動(dòng)能方程

（4）湍動(dòng)能耗散率方程

式中：C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=0

B—體積力的總和，N

μeff—有效黏度，Pa·s

P′—修正后的壓力，Pa

Gk—由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2

Gb—浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，m2/s2

YM—可壓縮湍流過渡中的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，常量

αk、αε—k方程和e方程的湍流普朗特?cái)?shù)，無因次數(shù)

Sk、Sε—自定義的源項(xiàng)

對(duì)于高溫水煤氣，采用組分運(yùn)輸模型，水煤氣成分見表1。

表1 高溫?zé)煔獬煞?/p>

對(duì)于多孔介質(zhì)區(qū)域，通過管束體積與換熱區(qū)域體積，由式（5）計(jì)算得出孔隙率。

式中：V′—管束體積，m3

V—多孔介質(zhì)區(qū)域體積，m3

由于高溫?zé)煔饬魉佥^高，故忽略滲透項(xiàng)的黏性阻力，只考慮慣性損失項(xiàng)的慣性阻力。由式（6）提取多孔介質(zhì)區(qū)域的慣性阻力系數(shù)。

式中：C2ij—系數(shù)矩陣C中的項(xiàng)，常量

Δni—多孔介質(zhì)區(qū)域在x、y、z方向上的厚度，m

1.4 數(shù)值方法和邊界條件

爐內(nèi)數(shù)值研究湍流模型選用RNG k-ε湍流雙方程模型，為提高計(jì)算精度，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，微分方程用VOF方法離散化處理；用Simple算法對(duì)壓力和速度的離散項(xiàng)方程進(jìn)行耦合求解。將高溫?zé)煔獾娜肟陬愋驮O(shè)置為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為2 kg/s，不同工況下入口煙溫見表2；用計(jì)算得出的參數(shù)對(duì)多孔區(qū)域的條件進(jìn)行設(shè)置；出口類型設(shè)置為自由出流邊界；水冷壁面區(qū)域選用無滑移邊界條件和恒溫壁面邊界條件進(jìn)行計(jì)算。

表2 入口煙溫

2 結(jié)果分析

2.1 爐內(nèi)速度分布特性

余熱鍋爐爐內(nèi)速度分布是高效回收余熱熱量的關(guān)鍵，良好的流場(chǎng)分布可以強(qiáng)化高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)的換熱效果，提高余熱回收效率。圖4為不同工況下沿爐膛高度方向上橫截面的平均速度分布圖，四個(gè)工況下，高溫?zé)煔饬魉傺刂鵂t膛高度方向上分布趨勢(shì)一致。可以看出，高溫?zé)煔鈴倪M(jìn)口進(jìn)入爐膛，在入口轉(zhuǎn)角處煙氣平均流速突然增高；在換熱管束區(qū)域，由于管束的阻力和均流作用，煙氣流速沿程逐漸降低；煙氣經(jīng)過爐膛中部的膨脹節(jié)后，由于流通截面變小，煙氣平均流速上升，強(qiáng)化了省煤器、軟水加熱器處的換熱效果，防止由于流速過低，造成下部受熱面積灰；出口轉(zhuǎn)角處煙氣流速急劇上升。由圖4可以看出，煙氣在爐膛內(nèi)的流速受入口煙溫的影響，與入口煙溫成正比。入口煙溫降低20%，沿程煙速下降約14%；入口煙溫增高20%，沿程煙速上升約13.8%，但在出口處煙速急劇上升約80%。余熱鍋爐內(nèi)煙氣流速過快或過慢都會(huì)對(duì)鍋爐的安全高效運(yùn)行造成影響，過快會(huì)加劇爐膛內(nèi)管束的磨損，換熱時(shí)間降低，能量損失增大，過慢會(huì)削弱換熱效果，故應(yīng)控制入口煙溫在合理的范圍內(nèi)，使余熱鍋爐運(yùn)行性能最佳。

圖4 不同工況下沿爐膛高度速度分布圖

圖5為工況2下，沿爐膛橫向方向不同橫截面的速度等值線圖。可以看出，爐膛內(nèi)部速度最大值可達(dá)19 m/s，此速度出現(xiàn)在爐膛上部轉(zhuǎn)角處，下部轉(zhuǎn)角處速度達(dá)14 m/s。轉(zhuǎn)角處煙氣流速極高與煙氣入口和出口的結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于入口和出口均布置在煙道的側(cè)面，煙氣在轉(zhuǎn)角處，形成了繞角流動(dòng)區(qū)域，由于離心力的作用，煙氣在兩側(cè)分布不均，轉(zhuǎn)角側(cè)煙氣流速高，另一側(cè)煙氣流速低，均勻性變差。高速煙氣轉(zhuǎn)角流動(dòng)會(huì)造成爐墻磨損，為保護(hù)爐墻壁面，可以考慮加裝均流板或在轉(zhuǎn)角處加強(qiáng)防護(hù)措施，防止高速煙氣帶來的損傷；同時(shí)考慮在下部轉(zhuǎn)角處加裝擋板，防止顆粒直徑較小的固化煙塵被出口處的高速煙氣帶走。在上部轉(zhuǎn)角處和爐膛右上角貼壁處，由于煙氣流向轉(zhuǎn)變，在離心力的作用下形成了低速渦流區(qū)域，這兩處與水冷壁進(jìn)行換熱，會(huì)有積灰現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 不同縱截面速度分布等值線圖（單位：m/s）

2.2 爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性

不同工況下，高溫?zé)煔鈴倪M(jìn)口進(jìn)入爐膛，然后到達(dá)過熱器上部空間再轉(zhuǎn)向90°向下進(jìn)入爐膛內(nèi)部，煙氣沿爐膛縱向方向溫度不斷下降，溫度場(chǎng)分布變化趨勢(shì)一致。

圖6為工況2下，沿爐膛橫向方向不同截面的溫度等值線圖。由圖6可知，高溫?zé)煔庠趦?nèi)部、外來蒸汽過熱器和對(duì)流管束Ⅰ處溫度梯度變化大，表明這三個(gè)區(qū)域換熱量極大；進(jìn)入對(duì)流管束Ⅱ、Ⅲ區(qū)域后，煙氣溫度進(jìn)一步降低；在爐膛下部省煤器和軟水加熱器區(qū)域，煙氣溫度梯度變化小，煙氣離開軟水加熱器區(qū)域后，從下部出口流出；底部冷灰斗區(qū)域溫度低，利于煙塵顆粒凝結(jié)。

圖6 不同縱截面溫度分布等值線圖（單位：K）

圖7所示為不同工況下沿爐膛高度方向上各個(gè)橫截面平均溫度分布圖。由圖7可知，隨著入口煙溫升高，沿爐膛高度方向上平均溫度升高，但工況2下入口煙溫為1 223 K時(shí)，余熱鍋爐入口和出口溫差最大。同時(shí)出口煙溫被冷卻至460 K，高于酸露點(diǎn)，保證了尾部受熱面不會(huì)發(fā)生低溫腐蝕。圖8為計(jì)算得到的不同工況下的余熱利用率圖，與圖4結(jié)合分析可得，四種工況中，工況2下既保證了余熱鍋爐較高的余熱利用率，又防止了煙氣流速過高對(duì)鍋爐的損害。

圖7 不同工況下沿爐膛高度溫度分布對(duì)比圖

圖8 不同工況下余熱利用率對(duì)比圖

圖9（a）、（c）和圖9（b）、（d）分別為工況2下，外來蒸汽過熱器、對(duì)流管束Ⅲ區(qū)域的橫截面溫度分布圖。由圖可知，從爐膛中心至四周爐墻，溫度在逐步下降，爐膛中心處溫度最高，溫度場(chǎng)在X方向和Z方向上均呈現(xiàn)出一種“Π”型分布。沿爐膛方向向下，爐膛橫截面中心溫度與四周溫度的溫差在不斷增大。爐膛內(nèi)存在大量并列的蛇形管束，在這種“Π”型分布的溫度場(chǎng)中，管束間會(huì)產(chǎn)生熱偏差現(xiàn)象，管壁溫度超過管材允許的最高溫度，將加快管子的蠕脹速度，甚至損壞管束。

圖9 橫截面溫度分布圖

3 結(jié)論

（1）爐膛入、出口轉(zhuǎn)角處煙氣轉(zhuǎn)向，在離心力的作用下近轉(zhuǎn)角側(cè)煙氣流速急劇上升，流場(chǎng)均勻性變差。當(dāng)煙氣流經(jīng)爐膛中部的膨脹節(jié)后，流通截面減小，從而有效增大爐膛下部的煙氣流速，換熱效果得到強(qiáng)化。

（2）入口煙溫是影響煙氣流動(dòng)傳熱的重要因素。煙氣流速隨入口煙溫升高而增大，余熱利用率隨入口煙溫上升呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，存在最佳入口煙溫，選擇合理的入口煙溫可減低爐內(nèi)磨損，提高余熱利用率。

（3）換熱管束區(qū)橫截面溫度場(chǎng)在X、Z方向均呈Π型對(duì)稱分布特征，爐膛中心與四周的溫差沿程增加，爐內(nèi)大量并列管束之間吸熱不均，造成受熱面熱偏差，進(jìn)而影響鍋爐安全高效運(yùn)行。

以上結(jié)論可為爐內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)化和防磨設(shè)計(jì)提供參考。