辐射激冷流程气化辐射废锅鳍片结构模拟研究

采用数值模拟方法研究了辐射激冷流程中不同鳍片结构对辐射废锅(radiant syngas cooler,RSC)内传热传质的影响.基于Euler坐标系,采用Realizable k-ε湍流模型计算辐射废锅内气相流场.在Lagrange坐标系中采用随机轨道模型计算颗粒粒径分布及其运动轨迹,并通过双向耦合法求解气相与颗粒相间的能量传递.采用P-1模型计算辐射传热,合成气辐射特性参数通过WSGGM模型(weight-sum-of-gray-gas model)加权求解.通过对比模拟结果与工业测量结果,得到最大相对误差为3.7%,验证了计算模型的可靠性.对比辐射废锅内不同鳍片布置方式发现,鳍片径向长度越大,中心流道越小,顶部回流越强.靠近中心轴线处的鳍片灰渣表面温度最高,高度为12m~15m位置处的灰渣表面温度则高达1 080K.随着轴向高度的增加,鳍片径向长度越小,含汽率越大.鳍片径向长度越小,相同径向位置处的含汽率越大,最大值可达0.214.不同径向长度的鳍片交错布置,有利于提高辐射废锅筒体水冷壁的换热量,改善筒体表面温度分布.鳍片表面高温区域减小,水冷壁管吸热趋于均衡,避免局部过冷过热所引起的交变热应力,才能使水冷壁管使用寿命延长.     

带径向管屏水冷壁辐射废锅内流场与传热的数值模拟

对低压气流床辐射废锅进行直接数值模拟,分析带径向管屏水冷壁辐射废锅内流场与传热。结果表明:管屏水冷壁增强了辐射传热与湍流,降低了回流区的气流及灰渣温度,使得射流长度变短,回流区域及回流速度变小;无管屏与有管屏的截面平均温度差随截面高度增加而逐渐增加,到达出口处其截面平均温度差达到80℃;管屏水冷壁有效提高气流降温速度和热回收效率,但使细小灰渣颗粒更易于富集在辐射废锅顶锥及管屏水冷壁周边区域。     

鳍片对辐射废锅多相流动及颗粒沉积特性影响

采用Realiazable k-ε湍流模型和随机轨道模型对不同鳍片径向长度辐射废锅内颗粒运动及沉积特性进行数值模拟,研究了鳍片径向长度对气流床气化辐射废锅内多相流场及温度场的影响。模拟结果表明:拐点及出口温度模拟值与实际测量值吻合较好,相差15 K以内,验证了模型的可靠性。受中心射流的影响,辐射废锅顶部存在火炬状温度分布。削减鳍片水冷壁导致换热面积减小,出口温度升高。在12.5 m高度处沉积速率最大,达到0.015 kg/(m~2·s)。相对长鳍片,颗粒沉积速率降低,沉积区域减少,有效缓解实际运行过程中出现的堵渣现象。     

辐射废锅内熔渣传热过程动态分析

气流床煤气化技术是煤炭高效清洁利用的技术之一。工业上常采用辐射废锅对出气化炉的高温合成气和熔渣进行余热回收。在辐射废锅内,高温合成气冷却降温过程常伴随熔渣的冷却和固化,其对废锅的排渣和安全运行有重要的影响。今以工业运行水煤浆气化装置中的辐射废锅为对象,采用数值数模方法对废锅内的复杂气固两相流动与传热过程进行研究,重点分析了熔渣半径对熔渣内部传热及相变的影响,结果表明:在辐射废锅内,部分熔渣因降温发生固化,熔渣直径是影响熔渣传热与相变的重要参数;熔渣尺寸越大,其传热速率越慢,固化程度越小;半径大于3 cm的熔渣在辐射废锅出口仍为液态,而半径小于0.4 cm的小尺寸熔渣在辐射废锅出口已全部凝固。     

水冷壁气化炉温度分布及影响因素分析

对气流床水冷壁气化炉炉壁的温度分布及影响因素进行了计算和分析。建立了气流床水冷壁气化炉的三维传热数学模型,运用有限元方法,计算出水冷壁的温度分布,炉壁导热主要通过渣钉完成;探讨了水冷管内工质传热系数、炉内温度、渣钉间距、鳍片厚度、鳍片宽度及熔渣厚度对渣钉、水冷管、鳍片端部和根部等关键部位的最高温度点温度的影响;为了验证热分析的正确性,在实验室的小型气化炉上进行试验,鳍端背火侧温度计算值与实验测量值吻合良好,误差在5%之内;其计算模型和分析结果可为水冷壁气化炉的设计提供相应依据。     

油田注汽锅炉辐射受热面结构优化研究

由于体积庞大,油田注汽锅炉难以在采油现场灵活运输及使用,因此将注汽锅炉辐射受热面设计为蛇形布置的膜式水冷壁,增大了辐射受热面的角系数和吸热量从而实现了注汽锅炉的小型化。通过热力计算得到炉膛受热面平均热流密度与水冷壁管内侧对流放热系数。结合膜式水冷壁角系数公式,利用ANSYS数值模拟软件对锅炉膜式水冷壁温度场进行研究。结果表明:当鳍片厚度一定时,膜式水冷壁的危险点温度随管间距的增加而增加,且呈线性关系。膜式水冷壁管间距越小,其危险点温度随鳍片厚度的增加而降低的速度越快,危险点温度与鳍片厚度符合良好的三次多项式关系。研究为注汽锅炉小型化奠定基础。     

Texaco废锅流程气化炉死区超温的分析探讨

神华宁煤集团甲醇厂的Texaco全废锅流程气化装置是国内首套煤化工节能示范装置,在该装置运行的9年时间里,通过一系列技术手段解决了辐射废锅结渣、对流废锅出口温度高等影响装置稳定运行的关键问题,但在系统运行过程中,仍会出现气化炉死区超温的情况,影响装置的长周期运行。就该废锅流程气化炉死区温度上涨的原因进行探讨,分析主要是由于高温工艺气反串导致,从保护气压力、膨胀节、密封板和水冷壁鳍板的角度对原因进行了分析,同时,根据多年的运行经验提出了合理的处理措施,提高了装置的运行水平。     

浅议壳牌气化炉的炉温调节

0引言壳牌气化炉内部采用膜式水冷壁结构,用来转移反应产生的热量,并产生废热蒸汽。水冷壁表面附着一层耐火材料,煤粉和氧气、蒸汽在1 600℃的高温下瞬间完成燃烧反应并生成熔融态灰渣,在4个烧嘴对喷产生的旋流作用下,熔融灰渣被甩到水冷壁表面。原始开车时,液态熔渣在耐火衬里及其内置的金属销钉的热传导作用下冷却固化,附着在水冷壁上形成了原始挂渣,渣层增厚到一定程度时热传导作用减弱,外表渣层就变成了熔融态,并向下流淌而使渣层厚度减薄。当厚度降低到一定程度时,热传导作用增大,使熔渣温度降低而固化,渣层重新聚积增厚,这样不断维持动态平衡,实现“以渣抗渣”,保护水冷壁免受高温烧蚀和熔渣冲蚀。渣层的厚度主要取决于炉内温度,炉温的波动会造成渣层厚度的变化。过厚的渣层会使气化炉下部堵渣而停车;过薄的渣层会失去对水冷壁的保护作用。     

气化炉水冷壁衬里传热数值模拟研究

水冷壁衬里是气化炉安全稳定运行的关键部件.以高温高压气流床气化炉内水冷壁耐火衬里为研究对象,采用数值模拟方法对水冷壁衬里附近的流动与传热进行研究,分析了渣层厚度对壁面导热系数、热通量、各层材料表面的影响.结果表明,气化炉原始开车工况下,壁面平均传热系数高达241W/(m2·K),渣钉表面温度约为1517K,此时渣钉容易...     

火管式废热锅炉管板冷却室内流动、传热与热应力研究

通过对火管式废热锅炉管板冷却室建立三维流动、传热模型,考察了冷却室侧面和顶端进水的优劣,探究了工艺参数对冷却室传热的影响。结果表明:侧面进水较顶端进水室内近壁区存在更多湍流漩涡、强化传热效果显著;合成气进口温度对热应力影响显著,温度从1373增加到1623 K,热应力增幅45.4%;进气负荷对传热影响有限,负荷从70%增至120%,热应力增幅18.2%;提高冷却水进口温度可降低管壁热应力,水温从430增至520 K,热应力降幅11.4%;降低合成气进口温度、升高冷却水进口温度对维持装置长周期运行很有意义。     

水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究

水冷壁气流床气化炉的核心思想是"以渣抗渣",因此对熔渣沉积形态与流动规律的研究尤为重要。文中在实验室小型水冷壁气化炉热模装置上,以神府煤气化灰渣、柴油和纯氧气为原料模拟气流床水冷壁气化实验,采用高温内窥镜并结合数字图像处理技术研究了熔渣的沉积、流动过程。实验结果表明:气化炉操作温度高于熔渣临界黏度温度时,渣层表面灰渣处于熔融状态;运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收;熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系,渣层表面温度越高,熔渣流动速度越大。在实验条件下,熔渣层表面速度约为0.002 6—0.003 m/s。     

垂直水冷壁异形鳍片区域温度与热应力分布

超/超超临界锅炉垂直水冷壁中间集箱附近的水冷壁异形鳍片区域向火侧易出现横向裂纹,可能导致水冷壁泄漏或爆管。以某660 MW超超临界锅炉为对象,介绍了水冷壁异形鳍片区域温度和热应力的数值计算模型。针对横向裂纹问题,基于计算数据分析了该区域的温度和热应力分布特征,以及锅炉负荷变化和水冷壁尺寸的影响。结果表明,异形鳍片旁的管壁向火侧顶点的轴向拉应力和等效应力大,锅炉变负荷运行易产生交变热应力,导致横向裂纹;异形鳍片中心为整个模型温度最高处,轴向应力和等效应力值也较大,需要重点关注;异形鳍片与管壁交接处等效应力大,材料失效时容易产生裂纹,可能向旁边的异形鳍片区域管壁向火侧延伸。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）、丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

气流床煤气化的部分水激冷流程研究

提出了采用部分水激冷的方式冷却气流床气化炉气化室出口的高温合成气和融渣,模拟计算了(1)水煤浆气化+耐火砖衬里、(2)粉煤气化+耐火砖衬里、(3)粉煤气化+水冷壁衬里3个气化工艺的性能指标。结果表明:采用部分水激冷方式的出废热锅炉的气体流量远小于用合成气激冷方案的Shell和Prenflo流程,这将有助于减少后续的设备尺寸;激冷水温度对合成气和废热锅炉蒸汽的总热效率无明显影响,可以采用低温的激冷水以减少出废热锅炉的气体流量以及后续的设备尺寸;工艺(1)的总热效率约为84%,低于采用高温辐射锅炉的Texaco流程;工艺(2)、(3)的总热效率约为90%,与采用合成气激冷方案的Shell和Prenflo流程相当。部分水激冷的方式适合于整体煤气化联合循环发电(IGCC)的粉煤气化。     

垂直水冷壁异形鳍片区域温度与热应力分布

超/超超临界锅炉垂直水冷壁中间集箱附近的水冷壁异形鳍片区域向火侧易出现横向裂纹,可能导致水冷壁泄漏或爆管。以某660 MW超超临界锅炉为对象,介绍了水冷壁异形鳍片区域温度和热应力的数值计算模型。针对横向裂纹问题,基于计算数据分析了该区域的温度和热应力分布特征,以及锅炉负荷变化和水冷壁尺寸的影响。结果表明,异形鳍片旁的管壁向火侧顶点的轴向拉应力和等效应力大,锅炉变负荷运行易产生交变热应力,导致横向裂纹;异形鳍片中心为整个模型温度最高处,轴向应力和等效应力值也较大,需要重点关注;异形鳍片与管壁交接处等效应力大,材料失效时容易产生裂纹,可能向旁边的异形鳍片区域管壁向火侧延伸。     

炭黑纳米流体对火管式废热锅炉传热的影响

沥青气化生产合成气过程中有大量炭黑颗粒生成,炭黑颗粒对流体的流动和传热有较大影响。文章将含有炭黑纳米粒子的合成气定义为炭黑纳米流体,建立了炭黑纳米流体的单相流体模型,并用数值模拟的方法,分析了合成气中炭黑颗粒在传热中的作用。结果表明:炭黑粒子的直径、粒子流量对传热有很大影响。适当增加炭黑粒子的流量,可以增进传热,降低流动阻力。而炭黑粒子对火管废锅的产汽量影响很小。     

IGCC系统燃气轮机变工况对气化岛性能的影响

采用Thermoflex软件建立200MW级IGCC系统模型,简要地对气化岛设计参数进行了分析,并对燃气轮机在100％～40％负荷下的气化岛变工况进行计算,分析比较气化岛主要设备性能参数的变化。结果表明：燃气轮机负荷降低时,在氧碳比不变的条件下,入气化炉的煤浆量和氧气量都减小,空分系统等耗功减少;废锅出口合成气温度、压力降低,废锅吸热功率也同时减少,废锅蒸汽做功能力下降;脱硫系统吸收塔入口合成气温度降低;燃气湿饱和器出口合成气压力降低,导致合成气中H2O的体积分数减小,不利于减少NOx排放。     

水冷壁式气化炉内侧渣钉对气化炉传热的影响

煤气化炉的水冷壁对于维持气化炉在高温高压下安全稳定运行具有重要作用。利用ANSYS软件对水冷壁内侧壁面的温度分布进行模拟,模拟分析了渣层内有渣钉、无渣钉和用等面积肋片代替渣钉三种状况对传热过程的影响,考察了渣钉排布方式对水冷壁传热的影响。结果表明,布置渣钉可有效提高传热效率,及时带走气化炉内多余的热量;采用夹角小、三角形排布的渣钉排布方式传热效率更好,温度分布更均匀。该模拟计算对于水冷壁气化炉的传热结构设计及长周期安全运行具有实际意义。     

水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析

基于实验室小型水冷壁气流床气化炉,研究了两种油渣浆气化后在炉内壁形成渣层的内部结构及组成。建立了气化炉水冷壁的三维传热和应力模型,对气化炉紧急停车时炉壁的热应力变化及其分布进行了模拟计算。计算结果表明：渣层中越靠近渣层表面,热应力的变化越大;靠近水冷管和渣钉处的渣层热应力变化相对较小;渣层表面温度变化相同时,孔隙率大的渣层产生的形变较大。