辐射废热锅炉径向分离装置结构优化及壁面磨损预测

论文摘要

我国是以煤为主要一次能源的国家,而50%以上煤炭消耗于火力发电,传统火力发电面临发电效率低、环境污染大等缺点,亟待改善。整体煤气化联合循环技术（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）将煤的气化和高效联合循环相结合,是一种高效洁净的燃煤发电技术。其中辐射式废热锅炉是IGCC系统中煤气化显热回收设备的重要组成部分。气化炉生成的高温合成气经辐射式废热锅炉回收其显热,可提高整个系统发电效率24%。由气化炉进入辐射式废热锅炉的合成气中带有大量的高硬度飞灰颗粒,其进入废热锅炉后受气体夹带作用会对受热面产生严重的冲刷,进而造成水冷壁严重磨损,影响显热回收装置的安全正常运行。因此,在对辐射式废热锅炉温度场、流场的模拟和分析的基础上,根据数值模拟结果加装有效的飞灰分离装置并对飞灰颗粒对壁面磨损进行预测,对IGCC系统辐射式废热锅炉的设计、安全运行具有重要意义。本文针对“国家863计划”项目中某中试试验废热锅炉开展了现较为通用的双层水冷壁式辐射式废热锅炉内部气体流动、温度分布的模拟,并采用欧拉-拉格朗日随机轨道模型进行了辐射式废热锅炉内气体、粒子气固两相流动的模拟,最终获得了辐射式废热锅炉内气体温度场、流场以及颗粒相运行轨迹。在此基础上,结合该中试试验设计工况,根据固体颗粒沉降以及惯性分离原则,在确定最佳固体颗粒分离位置的情况下,提出了一种具有多层结构的固体颗粒径向分离装置,采用Fluent软件进行了相关数值模拟,深入研究了该分离装置分离效果,并开展了相关参数,如分离环倾角、间距比、遮盖比例对分离效果影响规律的研究,为不同设计参数情况下分离装置的设计提供了理论依据。结果表明:当分离环倾角为50°、间距比为0.5、遮盖比例为5 %时,径向分离装置的分离效率达到最高。而后,根据辐射式废热锅炉内流场情况结合粒子运行轨迹模拟结果,编制程序,统计了内、外水冷壁粒子碰撞情况,确定了辐射式废热锅炉内粒子碰撞概率较大区域,并针对该类型区域,统计了30100μm不同粒径固体颗粒在该区域的碰撞次数,并根据其运行轨迹计算出颗粒入射角,进而采用磨损模型计算出不同颗粒对壁面的磨损状况,同时给出了年标准工况下壁面区域由机械磨损引起的减薄的预测值。结果表明,辐射废热锅炉内筒末段区域壁面磨损程度大,最严重时可每年磨掉壁面3.3mm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 显热回收装置数值模拟
• 1.2.2 颗粒相模型
• 1.2.3 惯性分离器的研究现状
• 1.2.4 关于壁面磨损的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 辐射式废热锅炉内气固流动的热态模拟
• 2.1 计算条件及模拟原型
• 2.2 模拟所选用的模型
• 2.3 边界条件的设定
• 2.3.1 入口边界条件设定
• 2.3.2 壁面边界条件设定
• 2.3.3 出口边界条件设定
• 2.4 模拟结果分析
• 2.4.1 网格相关性验证
• 2.4.2 辐射式废热锅炉内速度场分布特性
• 2.4.3 辐射式废热锅炉内温度场场分布特性
• 2.4.4 辐射式废热锅炉内颗粒相分离情况
• 2.5 本章小结
• 第3章 辐射式废热锅炉气固分离装置的优化设计
• 3.1 径向分离环的结构原理和性能指标
• 3.2 内筒径向分离环结构优化
• 3.2.1 内筒径向分离环结构参数计算
• 3.2.2 内筒径向分离环结构参数对分离效率的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 辐射式废热锅炉水冷壁磨损情况的预测
• 4.1 磨损模型及数值模拟方法
• 4.2 辐射式废热锅炉内颗粒冲刷位置的评估
• 4.3 颗粒相与壁面磨损的预测
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢