燃煤机组中熔盐炉蓄热过程数值模拟研究

吴泽东

（南京工程学院）

0 引言

全球能源消耗的大幅增长给能源系统带来巨大挑战。储存多余的能源并在需要时将其转化为立即可用的能源，可能有助于解决迫在眉睫的能源危机。钢铁工业是能源消耗大户，占全球能源使用量的8%以上［1］。钢铁生产伴随着大量的能源浪费，特别是以各种气体的形式存在，这些气体带走了大量的能源。在这些气体中，高炉煤气（BFG）通常直接排放到大气中或被燃烧，导致钢铁行业70%以上的二氧化碳排放量。因此，回收高炉煤气对减少二氧化碳排放至关重要，并有望为实现碳中和做出贡献。

作为钢铁生产的副产品，碱性煤气产量高但热值低，因此是一种潜在的宝贵可再生能源。世界上已开发出多种利用含硫燃气的方法。例如，BFG可与高热值天然气或焦炉煤气（COG）混合，通过加热高炉或发电厂的锅炉直接用于发电。BFG中含有有价值的成分，倪星星［2］等人尝试利用BFG制氢，同时使用ASPEN Plus软件验证可行性并优化参数。张泉泉［3］等人利用Cu（Ⅰ）作为催化剂，在室温下从BFG中提取CO，从而避免高温处理。BFG还可用于生产其他化学物质。

且近年来，熔盐储热系统（MSTES）的应用在聚光太阳能发电（CSP）领域获得了极大的关注和成功［4］。此类系统的商业运行证明了其在存储和利用热能方面的有效性。然而，在钢铁工业中，应用MSTES回收和利用BFG余热的潜力在很大程度上仍未得到开发。该领域以往的研究主要集中在太阳能吸收器的热性能分析上，而对燃烧加热MSF的传热研究关注有限。

本文提出一种创新方法，利用1.05MW熔盐炉研究非均匀热流条件下的热能存储。使用ANSYS FLUENT软件以进一步分析不同加热条件下熔盐炉的热性能。通过数值模拟和1.05MW熔盐炉实验台实验数据的相互验证，本研究旨在更好地理解熔盐炉的加热过程，并分析加热过程中熔盐和线圈的温度分布和瞬态变化。

1 实验系统和设置

1.1 燃煤机实验系统

熔盐炉储热实验系统可分为三个部分：熔盐储能系统、加热系统和信息控制与采集系统。熔盐储能系统是将熔盐冷罐中的低温熔盐通过熔盐泵打入盘管，经高温盘管加热为高温熔盐，然后储存在熔盐热罐中。熔盐炉通过柴油燃烧器燃烧油箱中的柴油来加热线圈。信息控制收集系统从安装在实验系统中的热电偶和流量计收集信息，并根据这些信息对实验系统进行调节。实验系统的详细尺寸信息见表1。热电偶分别安装在盘管外壁、熔盐出口、熔盐入口、烟气出口和炉膛上方。其中，盘管外壁上的热电偶是垂直方向上每隔8层布置的一个测量点。总共设置10个测量点［5-6］。质量流量计和体积流量计分别安装在熔盐入口和柴油燃烧器入口处。

1.2 实验装置

在实验过程中，首先检查熔盐冷槽中的熔盐温度（ST）是否达到所需的入口温度。点燃柴油燃烧器，使用较低的加热负荷对线圈进行均匀预热。当所有线圈层的温度都高于290℃后，以实验设定的质量流量将质谱仪冷槽中的低温质谱仪泵入线圈，同时将柴油燃烧器切换到实验所需的加热负载。在此期间，记录线圈壁温（WT）、熔盐入口温度（ST-入口）、熔盐出口温度（ST-出口）、熔盐入口质量流量（SR-inlеt）和柴油流量［7］。

熔盐炉是燃烧器和热交换器的结合体，其主要作用是通过对流和辐射将燃烧热传递给熔盐。本文构建的蓄热系统主体是一个双回路立式熔盐炉实验平台，由炉体和燃烧系统两大部分组成。熔盐炉的结构为盘管式，炉体由加热盘管和外壳组成。加热盘管采用相同直径的钢管沿炉体密集盘绕。螺旋管的熔盐在前进过程中不断改变方向，从而在横截面上形成二次环流，强化了传热。燃烧器位于熔盐炉底部，柴油燃烧产生高温辐射和烟气［8］。盘管和熔盐炉外壳之间留有环形烟气回流室，盘管作为"隔墙"密集布置，以充分利用热量。盘管壁控制高温烟气的流向，使其上升到炉顶，并通过烟气回流室从烟气出口排出。燃烧器的主要作用是产生辐射热流和高温烟气，为熔盐炉提供热源。由于高炉煤气成分复杂且危险，目前实验室中还没有能满足全部实验要求的高炉煤气。本研究的主要目的是分析和测试熔盐炉的蓄热性能。燃料的选择不会对本研究产生影响，因此实验中使用柴油代替高炉煤气作为实验室规模熔盐炉的燃料。

2 数值建模

熔盐炉炉壳采用较厚的隔热材料，以最大限度地减少热量损失并达到最佳绝热条件。这使得无法利用外部设备测试炉膛内的辐射通量分布。由于实验数据有限，因此本文使用ANSYS FLUENT 16.0和MATLAB R2021а进行数值模拟，以研究熔盐炉的热性能。在FLUENT中，朝向火源（FW）的盘管外壁表面被选为主要模拟对象。然后将获得的热通量分布作为热边界条件输入本研究开发的MATLAB程序，以模拟和分析熔盐炉的热性能。熔盐炉实验设备的封闭性导致实验过程中可测量的实验数据极少，从而导致实验数据缺乏通用性。而数值建模有助于解决这一问题，并节省实验成本。

3 结果与讨论

3.1 网格独立性分析

良好的网格有利于获得精确的模拟结果并节省计算资源。在图1中，根据基准情况下的最大辐射热通量密度和盘管最大壁温（WT-mаx）进行网格独立性分析。分析选择498766、1035230、1739844、2433658和3057447个单元格。当网格中的单元数比1739844增加39.88%，最大盘管最大壁温值仅增加0.1%，最大辐射热通量密度仅增加19.0W/m2，均远小于1%。当紧凑网格与相对网格之间的误差差距缩小到小于1%时，就可以认为网格收敛了。因此，后续研究最终选择1739844个单元的网格。

图1 网格独立性分析

3.2 线圈热通量分布

应用FLUENT 16.0软件，使用选定的网格模拟熔盐炉的加热过程，以获得线圈上的热通量密度分布。如图2所示，随着加热功率的增加，热通量密度逐渐增加到额定负载下的70 kW/m2左右［9］。且可以观察到，当加热功率较低时，由于柴油入口流速较低，火焰高度也较低，因此火源上的热流密度分布较为均匀。在相同的加热功率下，热流密度随着线圈高度的增加而逐渐增大。在75%的负荷下，顶部盘管的热流密度是底部盘管的三倍，在更高的负荷下，这一数值更大。在相同高度下，盘管外壁表面接收到的热流密度是均匀的。尽管如此，火焰燃烧的不稳定性和烟气出口的设置仍会造成不可避免的波动。但这并不影响接下来的数据提取和MATLAB程序的使用。

图2 不同加热功率下线圈的热通量密度分布

3.3 不同的熔盐温度入口

在基准情况下，SR入口（1.7kg/s）和火源上的热通量密度（加热功率为75%）保持不变。通过改变熔盐温度入口（260°C、290°C、320°C、350°C、380°C）来研究对熔盐炉热性能的影响。

如图3所示，MS在线圈中流动的过程中逐渐被加热。熔盐温度入口的变化并不影响MS加热的整体趋势。当熔盐温度入口温度为380℃时，熔盐温度出口温度达到最大值563.06℃，而当熔盐温度入口温度为260℃时，MS仍能被加热到546.73℃。随着熔盐温度入口温度的升高，熔盐温度出口温度也随之升高，但当熔盐温度入口温度升高到350℃以上时，熔盐温度出口温度稳定在565℃。相反，随着熔盐温度入口的升高，熔盐温度-升高也随之降低，从286.5°C降至183°C。一般来说，当熔盐温度入口升高时，WT变高，盘管的辐射热损失增加，从而导致MS的能量吸收减少。因此，当线圈表面的热流恒定时，MS的温升会随着熔盐温度入口的升高而降低，这一规律应与一些关于太阳能接收器吸热管的模拟结果相一致。

图3 不同熔盐炉温度入口的变化

在图4中，θ=0时WT最大值的上升趋势与之前分析的ST上升趋势一致。在不同的ST入口处，MS出口处的WT-out被加热到超过545°C。ST入口的增加会提高整个线圈的最大WT值。当ST入口温度升高120°C，ST出口温度仅升高17°C。同样，MS出口的WT最大值也提高15°C，甚至更低。造成这些现象的原因也是辐射热损失的增加。努塞尔特数相关性在WT中起着重要作用，而ST入口的增加会导致盘管中强制对流相关性的修正参数发生变化，具体表现为MS的粘度随着温度的升高而降低，这导致MS靠近壁面的流速升高，并增强了盘管与MS之间的热量传递。另一方面，MS与盘管之间的温差减小导致传热系数减小，从模拟结果来看，温差对WT的影响更为明显。

图4 WT-max分布

4 结束语

随着熔盐温度入口温度的升高，熔盐温度出口温度也随之升高，但当熔盐温度入口温度升高到350℃以上时，熔盐温度出口温度稳定在565℃。相反，随着熔盐温度入口的升高，熔盐温度-升高也随之降低，从286.5°C降至183°C。在75%的负荷下，顶部盘管的热流密度是底部盘管的三倍。在相同高度下，盘管外壁表面接收到的热流密度是均匀的。