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IGCC系统火管式废热锅炉传热研究进展
朱越，刘智勇，王永刚，冯宁
（兰州交通大学 环境与市政工程学院， 甘肃 兰州 730070）
整体煤气化燃气蒸汽联合循环发电（IGCC）技术是目前被认为最具有前途的发电方式之一，应用潜力巨大［1-2］。IGCC工艺流程为：煤经过气化炉气化生产煤气，生产的煤气经过废热锅炉（辐射式废热锅炉以辐射换热为主，对流式废热锅炉以对流换热为主）回收余热后，再经除尘、降温、脱硫、再加热等处理后，进入燃气轮机燃烧室燃烧发电。高温烟气流经废热锅炉换热管内，与管外液态水进行换热降温，液态水吸热后变为蒸汽。最后，通过余热锅炉将废热锅炉产生的蒸汽及燃气轮机排烟中的余热进行回收，产生满足汽轮机要求的蒸汽，进入汽轮机内驱动其发电。文献［3］研究显示，IGCC技术使煤气利用效率达到90%~95%，供电效率达42%~45%。作为关键换热装置，废热锅炉的性能优化具有重要意义。本文对结构及运行工况、颗粒物沉积磨损对火管式废热锅炉传热影响的研究进展进行介绍。
火管式废热锅炉属于对流式废热锅炉，结构见图1。炉内有48根换热烟管，煤气流经换热烟管内，液态水在管外，具有传热效率高、体积小、造价低等优点，缺点是吹灰困难，易积灰［3-4］。火管式废热锅炉炉内换热过程包括换热烟管内高温煤气与管内壁对流换热、辐射换热以及换热烟管外壁液态水沸腾换热、液态水与管外壁对流换热。高温烟气携带少量煤粉颗粒进入废热锅炉换热烟管内部，煤粉颗粒可增强烟气的扰动，破坏温度边界层，对换热效果产生一定影响。
闫丹丽［5］通过对火管式废热锅炉换热烟管外液态水的沸腾换热及管内烟气流动进行模拟计算，发现火管式废热锅炉蒸汽出口管径、液态水进口水温、换热烟管管径及烟气流速均对传热有影响，确定了最佳蒸汽出口管径、液态水进口水温、换热烟管管径、烟气流速。陈翠柳等人［6］通过对火管式废热锅炉换热烟管内气固两相流场进行模拟计算，得到换热烟管内颗粒物流速变化范围及颗粒物运动轨迹。安连想等人［7］对火管式废热锅炉关键部件进行模拟分析，为关键部件优化设计提供依据，并与设备现场试车情况进行对比，基本达到运行要求。王颖等人［8］从IGCC系统效率出发，分析了火管式废热锅炉出口煤气温度及不同蒸汽参数对IGCC系统性能的影响，提供了最佳的蒸汽参数方案。
谭喜元等人［9］建立了IGCC系统的热力计算模型，综合考虑废热锅炉换热温差等因素，得到了大幅度提升系统效率的最优参数。林文珠等人［10］阐述了管壳式换热器强化传热的相关研究进展，包括换热器本身几何结构的优化、换热流体的热物性改善以及多种强化传热技术结合的复合强化传热方法。刘传平等人［11］分析了颗粒物在换热中所起的作用，得到的结论是：换热管内气固两相流中颗粒浓度、颗粒运动对其传热起决定性作用，而操作参数则主要通过改变颗粒浓度和颗粒运动影响传热。陈俊霖［12］对含凝固性粉尘的高温烟气在颗粒床内的流动换热进行数值模拟，分析了烟气流速、粉尘粒径、烟气温度及流动方向对单层颗粒床除尘换热效率的影响。通过计算得到了含尘烟气在颗粒床流动换热过程中的整体换热系数，发现加入粉尘会强化换热。Xu等人［13］基于多孔介质理论和局部热平衡理论，建立烧结矿立式槽内气固传热的二维稳态模型。分析了空气流量、烧结矿流量和烧结矿颗粒粒径对气固传热过程的影响。结果表明：随着空气流量增加，换热量增加；随着烧结矿流量增加，换热量降低；随着烧结矿粒径增大，换热量降低。Patro等人［14］通过对水平管道稀疏气固两相流的传热压力降模拟研究，分析了气体雷诺数和颗粒浓度对总压力降和传热量的影响，得出的结论是：相比于气相流动，在气体流动中加入固体颗粒易导致压力降和传热量增加。最后，通过非线性回归方法，提出了稀疏气固两相流的努塞尔数关联式。Zhang等人［15］通过对流化床内稠密气固两相流数值模拟，分析出炉膛结构和进气速度对流化床炉内气固两相流动状态的影响，结果表明：随着进气速度增加，炉膛中心区域的气体和颗粒平均速度均逐渐增加，气体速度增加相对明显。Patro等人［16］通过对绝热壁水平管道内气固两相流动数值模拟，分析出颗粒物浓度、粒径和进气速度对传热和压力降的影响。结果表明：随着颗粒物粒径增大，努塞尔数减小，压力降增大。在较小粒径下，努塞尔数随颗粒物浓度增加而减小。努塞尔数和压力降均随进气速度增加而增大。Bisognin等人［17］采用数值模拟结合实验的方法，研究了不同参数对气固流化床热交换器管-床传热性能的影响。得出的结论是：粒径对传热影响最大，气体速度和固体热导率对传热的影响不大。Cong等人［18］通过对恒热流条件下流过圆柱形填充床反应器的气固两相混合物的瞬态和稳态传热进行实验研究，分析了颗粒物浓度、粒径、雷诺数对传热的影响。得出的结论是：颗粒的引入提高了反应器的传热性能。Yurong等人［19］进行了稠密气固两相流流动、传热及传质行为的多尺度数值模拟方面相关工作，分析了不同模型在工业流化床中的应用及优缺点，为研究气固两相流传热及流动模型选择提供思路。Luo等人［20］通过对喷动床进行数值模拟，分析了运行参数对气固两相流体动力学及传热性能的影响，得到了不同操作条件和几何参数下的传热性能。
综上所述，颗粒物浓度、粒径、速度等参数对气固两相流的传热有较大影响，应考虑火管式废热锅炉换热烟管内烟气颗粒物参数对传热的影响。
高温煤气中含有煤灰颗粒，煤灰颗粒随煤气流经换热烟管时，会在热泳力及湍流综合作用下向管壁移动，对管壁产生一定磨损，降低换热管使用寿命。且煤灰颗粒有一定概率沉积在管壁，从而增大换热烟管管壁热阻，影响换热效果。
赵状等人［21］在管道两相流冲刷腐蚀研究进展提到：影响冲刷腐蚀的主要因素是流体力学因素、材料因素、颗粒物因素的耦合。刘建斌等人［22］通过分析国内外典型IGCC系统中辐射式废热锅炉结构特点、运行工况，得出：锅炉的积灰磨损是影响其可靠运行的关键因素。孙中圣等人［23］研究了热泳力和布朗力对热膜芯片上颗粒物沉积的影响，得出：热膜芯片发热电阻产生的温度场降低了入口速度小于3m/s、粒径小于3 μm颗粒物在热膜芯片上的沉积，而对其他工况下颗粒物沉积影响不明显；入口速度和颗粒物粒径是影响热膜芯片上颗粒物沉积的主要因素。唐婵等人［24］采用欧拉-拉格朗日方法及EI-Batsh等人提出的粒子沉积模型模拟稀疏气固两相流，分析了颗粒横掠受热表面时的沉积分布情况。结果表明：不管是改变粒径还是改变流速，对颗粒沉积特性均有影响。付双成等人［25］针对热电厂低温省煤器发生飞灰沉积阻塞炉管间隙的情况，采用剪切力传递湍流模型和离散粒子模型分析飞灰颗粒沉积行为，预测了省煤器中支撑梁附近的颗粒物沉积动态。安朴艳等人［26］对竖直通风管道内粒径范围为5~200 μm的颗粒运动和沉积特性进行数值模拟，分析了流速、流动方向、重力及升力对颗粒物沉积的影响。得出：流向对颗粒物沉积影响较大，流速、重力和升力对颗粒物沉积的影响与颗粒物粒径有关。Varaksin［27］进行了气固两相流流过物体的理论和实验方面的工作，分析了不同形状物体附近粒子运动的特性对传热的影响。Dong等人［28］运用计算流体动力学（CFD）模拟方法预测了燃气轮机发电厂主要部件中的颗粒传输以及侵蚀、沉积物形成等复杂现象，结果表明：选择正确的流动和求解器组合，以及适当的颗粒粘附或侵蚀模型，可以模拟复杂现象，为工业和研究提供重要依据。Zhou等人［29］提出一种适用于普通煤灰沉积所有阶段的侵蚀模型，设置3组不同温度来研究温度对冷却探针表面沉积煤灰侵蚀的影响，并将侵蚀模型的预测结果与实验数据进行对比，验证了模型的合理性。结果表明：与没有采用侵蚀模型的计算相比，采用侵蚀模型，沉积厚度的相对偏差大幅度降低，说明侵蚀模型可提高计算的精确度，高温也可能是阻碍颗粒沉积物积聚的一个因素。Cardillo等人［30］测试了CFD在预测燃气轮机发电厂主要部件的颗粒输运及相关现象（即侵蚀、沉积形成）方面的潜力，结果表明：选择正确的流动和颗粒求解器组以及合适的颗粒侵蚀、粘附模型，可以模拟复杂的现象，为研究提供帮助。Li等人［31］采用数值模拟方法研究了热回收蒸汽发生器内颗粒物在不同换热管排布下的沉积和分布特征。结果表明：相对于顺排和插排，菱形排布有利于减少灰分的沉积，粒径和气体流速是影响沉积的两个主要因素，小颗粒具有较强的沉积倾向，速度的降低促进大颗粒的粘附。谭建宇等人［32］通过对双层水冷壁辐射式废热锅炉进行数值模拟，得到受热面粒子磨损状况及炉内灰渣颗粒的运行轨迹及其与壁面碰撞情况，采用管壁磨损实验关系式计算出水冷壁壁面磨损量，指出需要进行防磨损处理的区域。结果表明：壁面磨损主要来自粒径小于50 μm的灰渣颗粒，随运行压力增大，磨损减小。肖凯华等人［33］采用数值模拟方法研究了国内某250 MW规模IGCC电站对流式废热锅炉（内部由上、中、下3段环形通道构成，每1段环形通道由内至外的结构均为3层膜式壁+1层水冷壁）的积灰特性，分析了环形通道内的颗粒相分布、速度分布及流动特性对积灰的影响。得出：对流式废热锅炉上段环形通道出口处的烟气温度范围易使碱金属在壁面形成稳定的沉积层，使得积灰现象严重，环形通道内存在涡流易延长颗粒物的停留时间，加大了积灰的可能。叶侠丰等人［34］从传热特性、流阻特性、沉积磨损特性方面综合考虑，对比分析流体横掠圆管束、椭圆管束的性能优劣，提出了一种评价换热设备性能优劣的综合指标，即从换热设备的换热量、体积、流阻3方面评价换热设备的性能。
可见，影响管道磨损的因素很多，包括两相流中的固相颗粒因素。应考虑应用CFD预测废热锅炉换热烟管沉积、磨损情况，为实际运行提供参考。
① 目前学者主要研究火管式废热锅炉管外沸腾传热情况，以及颗粒物在废热锅炉炉内浓度分布及运动轨迹，没有考虑换热烟管内颗粒物特性参数（质量流量、粒径、速度等）对换热烟管传热的影响。后续应研究不同颗粒物特性参数对废热锅炉传热性能的影响。
② 部分学者研究了辐射式废热锅炉内煤灰颗粒物的沉积磨损情况，关注的是颗粒物在水冷壁沉积的具体部位，指导其结构优化，提出相应防磨损措施。目前，对火管式废热锅炉换热管内沉积磨损情况的研究不足。后续应用CFD对火管式废热锅炉换热烟管内沉积磨损情况进行预测，将颗粒物特性参数对换热烟管沉积磨损的影响进行量化。
③ 火管式废热锅炉现有研究均是将换热烟管内外分开进行模拟，未考虑二者之间的相互影响。后续应对换热烟管内外同时进行模拟研究。
④ 目前，对火管式废热锅炉传热研究均是在同种换热管排布方式下进行。后续应分析不同管子排布方式对废热锅炉换热性能的影响，选取最佳排布方式。
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