（华能（天津）煤气化发电有限公司 300450）
摘要：在新时期环境下，能源和环境问题成为了世界关注的话题，在各行各业的发展中也是提倡能源的节约和环节的保护。在这种时代时代背景下，发电行业也是不断进行技术的改进和创新，而IGCC系统就是一种新型的发电技术，有效的实现了能源和环境问题的解决，此系统的核心设备是气化炉，其对系统的性能有着直接的影响，下面，本文就针对IGCC系统中气化炉的流场模拟进行分析，希望对IGCC系统中气化炉设计提供帮助。
关键词：IGCC系统；气化炉；流场模拟
前言：煤发电是现阶段主要的发电形式，而由于煤发电对环境存在污染，其对煤炭资源的消耗也是十分巨大，国家也是逐渐对煤发电形式较为限制。而IGCC系统就对煤发电中的以上问题进行了解决，在IGCC系统的使用中，气化炉发挥着重要的作用，其对此系统的性能的发挥和发电效率的提升具有重要的影响，因此这就需要做好对IGCC系统中气化炉的流场模拟分析，来为气化炉性能的提升提供参考性依据。
1.建立气化炉的数学模拟
本文根据模拟气化炉内粒子的传输、换热、流体的流动以及化学反应的过程，通过质量、能量、动量和物料等守恒的原理，借助ANSYS CFX软件（具体什么软件）来进行粒子的传输、辐射的传热、湍流的流动和燃烧的化学反应等数学模型的建立[1]。
2.流场模拟重要研究的内容
为了对气化炉内流动、燃烧以及化学反应等特性进行分析，通过ANSYS CFX软件来对气化炉中冷态的流动以及点火燃烧的过程等数值进行模拟。在不同的进气工况以及不同尺寸气化炉条件下对其实施冷流的模拟，并对气化炉内天然气燃烧点火的过程进行模拟，从而获取气化炉中速度场、浓度场和温度场等分布的情况[2]。通过模拟计算和结果的分析，为最佳进料的参数和对气化炉适宜结构的尺寸进行确定提供依据。
3.IGCC系统中气化炉的流场模拟分析
3.1冷态流场的模拟
在气化炉的炉顶位置，对炉内的流场随着燃料的进口以及氧化剂的进口参数逐渐变化进行研究，并确定炉内流场合理分布情况最佳的参数值。本文按照相应冷态模拟的数据当作依据，对气化炉的炉顶位置喷嘴两个的进口实施气体流速的模拟，且模拟设计三种方案：一）进口处燃料气体是80m／s的速度，而氧化剂在进口的气体是40m／s的速度；二）对燃料进口以及氧化剂的进口位置气体都是40m／s的流速；三）对燃料进口以及氧化剂的进口气体都是80m／s的流速。在以上进气的三种方案模拟中，都是将空气当作介质，对湍流的模型都选择k-epsilon双方程的模型。在通过CFX-的求解器计算后，把求解的结果向CFX进行导入并计算，实现模拟的结果可视化与定性定量的处理，从而获取三种方案进口位置流速工况的流场[3]。
通过对其流场进行分析，根据速度矢量的分布得知：a）在进气中，和喷嘴不远处中央区域的两侧位置形成明显旋涡，此流动的状态能够对喷嘴的附近位置温度实现有效的降低，防止其长时间处在高温燃料的燃烧环境内，从而实现对喷嘴寿命的延长；在当燃料的喷口以及氧化剂的喷口进行相同进气的速度选择时，也就是在b）以及c）的工况条件下，不管是较低的流速工况条件，还是较高的流速工况条件，尽管都存在逆向气体的流动，但喷嘴的附近区域并未形成显著的旋涡流。
通过对三种不同的进气速度情况下，炉内的速度流线实际分布进行分析，这三种的进气中炉子的中央区域都产生了高速的射流，在主侧壁都形成了较大回流区，在下椎体的下部分呈现管流的流动情况。
另外，在a）的进气工况条件下，其炉内的主侧壁呈现出长和宽较为适中的回流区，于喷嘴的不远处位置存在较小的旋涡；而在b）和c）的进气工况条件下，喷嘴的附近位置并未出现旋涡，且在主侧壁存在过大尺寸的回流，这对管流的形成范围会造成影响，并且回流的尺寸太大的话还会存在严重返混，进而对炉内的反应进行产生影响。
根据三种不同的进气工况条件下，对气化炉内的速度分布进行分析，在三种进气的条件下，炉内的中央区域够够产生明显性高速的射流区，并且速度沿着轴线自喷口向出口位置逐渐进行递减。于a）进气的工况条件下，则炉内的射程较为适中，确保管流区内良好反应，其射流的宽度也比较合理，促进回流区能够充分的发展；而对b）较小进气的流速工况条件和c）较高进气的流速工况条件，其射流都出现过长的发展，且一直向下椎体区域附近延伸，同时射流的尺寸也比较宽，这种射流区的分布不仅会使管流区的范围出现缩减，还会影响炉子两侧位置的回流[4]。
3.2点火燃烧的过程模拟
对模拟气化炉进行预热的试验中，往往将天然气以及柴油当作点火的介质。在点火中，如果温度不超过600℃，可以选择较为安全的点火枪进行点火，将天然气当作燃料，本文主要对这种点火方案进行模拟。
3.2.1模拟点火的过程构建数学计算的模型
模拟气化炉内发生化学的反应主要是气固、气液或者气气的湍流流动等过程，而湍流的流场是模拟反应过程的基础。在模拟燃烧反应的湍流模型中，选择k-epsilon双方程的模型类型使用，通过粒子输运的模型对粒子进行跟踪，通过液体蒸发的模型对油滴的蒸发过程进行模拟，而对气相内挥发性的气体燃烧则选择涡耗散的模型使用。
3.2.2气化炉内对天然气点火燃烧的模拟
根据温度的分布进行分析，燃料的进口位置存在较低的温度，这主要是因为天然气的流速比较高，所以燃料还没有和氧化剂进行反应，空气的喷口位置火焰也十分明显，则表明甲烷于此处位置发生了燃烧的反应，其火焰也比较短，且最高的温度约是1800K，当火焰持续有一段时间后，炉内温度逐渐均匀，约保持1100K的温度。对辐射的强度分布分析，因为气化炉上的中段出现甲烷剧烈的燃烧，则此处的辐射最强[5]。
通过对气化炉内的CH4、N2、02质量分数的分布进行分析，煤烧嘴处的CH4具有最高的含量，后沿轴线逐渐发生降低，且在气化炉的中央呈现出递减的分布，而空气的喷口位置CH4的含量基本达到了0，这也说明此区域内出现剧烈燃烧的反应；对气化炉内O2的分布进行分析，因为02进入到气化炉后便完全反应，则整个炉内的含量几乎达到了0；对气化炉内N2的分布进行分析，空气的喷口位置N2具有最高的含量，而随炉内的反应进行，N2的含量逐渐降低并趋向均匀性，且平均的含量约是O．5，这也说明了部分的N2进行了反应。则推测出本文的模拟中，CH4所发生点火燃烧的反应是一种过量燃料的反应，要对02供给量进行提升或者对CH4供给量降低，从而时间对材料最大化的利用。
结语：综上所述，本文主要对气化炉冷流模拟而得出了炉内流场的分布，并对气化炉其点火燃烧的过程实施数值的模拟，而此种方式主要还是理论性的研究，还需要进一步结合实践进行分析，从而更好实现对气化炉的设计和改造。
参考文献：
[1]邢文朝，雷福林，肖云汉.煤粉柔和气化炉内流动特性数值模拟[J].动力工程学报，2019，39（2）：104-109.
[2]赵月岭.水煤浆气化炉生产废水的现代预处理技术[J].科学与信息化，2017（3）：00093-00094.
[3]贺丙飞，宋新朝，李海冰.灰熔聚流化床煤气化炉的模拟分析[J].内蒙古煤炭经济，2019（5）：139-139.
[4]王芳杰，唐玉林，夏国富，et al.配煤煤灰熔融特性模拟研究[J].洁净煤技术，2019（4）.00029-00030.
[5]李由，王锦生，李维成.带废热锅炉的IGCC系统流程模拟研究[J].煤炭加工与综合利用，2016（8）：69-72.