熔渣流動(dòng)與傳熱特性是影響氣流床氣化爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。本文從壁面熔渣傳質(zhì)與傳熱過程出發(fā)建立了熔渣流動(dòng)與傳熱模型,以及壁面熔渣停留時(shí)間計(jì)算模型,分析了操作條件和煤渣物性等因素對(duì)渣層流動(dòng)與傳熱特性的影響。針對(duì)氣化爐的安全及長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行,探討了爐內(nèi)渣層動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征及對(duì)可能造成氣化爐燒蝕和堵渣的因素進(jìn)行分析,對(duì)提高氣化爐運(yùn)行的安全性具有理論支撐和合理指導(dǎo)意義。本文主要研究?jī)?nèi)容包括:1.分別建立了氣流床氣化爐內(nèi)直段和錐段壁面熔渣穩(wěn)態(tài)條件下的流動(dòng)與傳熱模型�；诒诿嫒墼Q直二維截面每一層渣單元的傳質(zhì)與傳熱規(guī)律,建立了穩(wěn)態(tài)時(shí)熔渣流動(dòng)與傳熱過程的基礎(chǔ)模型。由于氣化爐結(jié)構(gòu)原因錐段上熔渣流動(dòng)存在面積收縮或擴(kuò)張過程,因此建模時(shí)需考慮多維流動(dòng)特征。此外,根據(jù)液態(tài)渣層流運(yùn)動(dòng)的假設(shè),采用示蹤單元法建立了熔渣停留時(shí)間預(yù)測(cè)模型。2.根據(jù)直段熔渣流動(dòng)與傳熱模型預(yù)測(cè)得到氣化爐渣層特性,包括渣層厚度、液態(tài)渣流速、渣層熱流密度及壁面熔渣停留時(shí)間分布。結(jié)果表明直段液態(tài)渣層厚度沿著熔渣流動(dòng)方向逐漸增厚,液態(tài)渣流速?gòu)膬?nèi)到外從上到下逐漸增大,而固態(tài)渣層厚度和渣層熱流密度則與溫度分布和沉積量有關(guān)。根據(jù)工業(yè)氣化爐蒸汽產(chǎn)量計(jì)算得到的渣層熱流密度和本文模型計(jì)算結(jié)果接近,說明模型結(jié)果可靠。另外,壁面熔渣平均停留時(shí)間約為100～500 s,且隨煤灰含量的增加而降低,隨煤渣臨界粘度的增大而延長(zhǎng)。采用一個(gè)PFR串聯(lián)一個(gè)近似層流反應(yīng)器模型來模擬熔渣流動(dòng),兩者RTD曲線吻合良好,并且分析了不同RTD曲線模型參數(shù)與操作條件之間的關(guān)系。3.通過錐段熔渣流動(dòng)與傳熱模型分析了錐段渣層特性與錐角的關(guān)系。結(jié)果表明上錐段渣層平均厚度隨著錐角的增加先變薄后增厚,SiC表面溫度隨錐角的增加先增大后減小,但變化幅度很小。下錐段渣層厚度隨錐角的增加而變厚,而SiC表面溫度和渣層熱流密度隨錐角的增加而減小。此外,錐段總傳熱量和液態(tài)渣平均流速隨錐角的增加有明顯的降低。本文還研究了氣化爐運(yùn)行安全問題,一方面上錐段SiC表面平均溫度受氣化爐操作溫度影響很大,因此運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意控制氣化爐操作溫度不要太高,以防耐火襯里燒蝕;另一方面排渣口渣層厚度隨距臨界溫度的降低而顯著增厚,因此建議排渣溫度要高于煤渣臨界溫度50 K以上以防堵渣。4.建立了熔渣流動(dòng)與傳熱過程動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型,采用剛性問題求解方法進(jìn)行計(jì)算,得到渣層特性隨操作條件變化的動(dòng)態(tài)結(jié)果。當(dāng)煤灰含量瞬間增加時(shí),渣層厚度快速增厚后趨于穩(wěn)定,SiC表面溫度和渣層熱流密度都快速降低后趨于穩(wěn)定,而煤灰含量瞬間降低時(shí)渣層特性變化趨勢(shì)相反。當(dāng)氣化爐操作溫度瞬間升高后,渣層厚度快速變薄后趨于穩(wěn)定,SiC表面溫度和渣層熱流密度與厚度變化趨勢(shì)相反;當(dāng)氣化爐操作溫度瞬間降低后,渣層厚度先減薄后增厚,而SiC表面溫度與渣層熱流密度先增大后減小,最后都趨于穩(wěn)定。當(dāng)氣化爐操作溫度成周期性變化時(shí),渣層特性也成周期變化,且兩者頻率相近。但是渣層特性振幅隨操作溫度振幅的增大而增大,隨著操作溫度頻率的增大而減小,而且不同的渣層特性無量綱振幅受操作溫度振幅和頻率影響變化趨勢(shì)一致。5.分析了煤渣物性對(duì)渣層流動(dòng)與傳熱特性的影響。通過顯微鏡觀察到工業(yè)爐渣為多孔結(jié)構(gòu)并測(cè)得孔隙率,推測(cè)出熔渣為含氣泡的非均相物質(zhì),氣泡體積分?jǐn)?shù)就是煤渣孔隙率。結(jié)合氣泡對(duì)煤渣物性影響的子模型探究了氣泡的存在對(duì)渣層特性的影響。結(jié)果表明存在氣泡時(shí),熔渣有效導(dǎo)熱系數(shù)和有效粘度都有所降低,液態(tài)渣流速增加了約22%,液態(tài)渣渣層厚度降低了 10%。由于工業(yè)氣化爐蒸汽產(chǎn)量計(jì)算所得到的渣層平均熱流密度與Maxwell-Eucken模型結(jié)果更接近,因此認(rèn)為Maxwell-Eucken模型更適合本文煤渣。此外,由于大部分文獻(xiàn)采用絕對(duì)粘度作為液-固渣界面判據(jù)而沒有探討合理性,通過本文計(jì)算發(fā)現(xiàn)熔渣粘溫曲線越平滑液-固渣界面粘度對(duì)渣層特性影響越大,因此,對(duì)于結(jié)晶型渣可以采用臨界粘度作為液-固渣界面粘度,而對(duì)于其他渣型則建議定義100 Pa·s為界面粘度。
【學(xué)位單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ541
【部分圖文】：

因此可以利用多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算模型計(jì)算煤渣的有效導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于一般逡逑的氣化爐內(nèi)渣層來說，可將固相作為連續(xù)相，空隙內(nèi)氣體看成分散相。根據(jù)不同相之間逡逑的排列方式不同，可以得到不同的導(dǎo)熱系數(shù)模型，圖２．１中列舉了幾種常見的導(dǎo)熱系數(shù)逡逑模型［３７］。逡逑

可能導(dǎo)致渣層太厚，影響壁面排渣過程，甚至造成堵渣。另外沉積分布不均勻的話也會(huì)逡逑導(dǎo)致渣層厚度以及溫度分布不均勻，影響局部區(qū)域的耐火襯里壽命甚至可能燒蝕，這對(duì)逡逑氣化爐的安全來說也是至關(guān)重要的。圖２．３為冷壁式氣流床氣化爐內(nèi)熔渣沉積過程和壁逡逑面渣層結(jié)構(gòu)示意圖。逡逑

分顆粒變?yōu)槿廴趹B(tài)，因此被捕獲的概率大大增加。逡逑Ｓｈｉｍｉｚｕ和Ｔｏｍｍａｇａ等？研究了氣化爐內(nèi)顆粒沉積過程，建立了熔渣壁面顆粒捕獲逡逑模型，如圖２．５所示。逡逑９邐９邐９0逡逑：－木yU逡逑Ｓｌａｇ邋ｓｕｒｆａｃｅ邐Ｏｃｃｕｐｉｅｄ邋ｂｙ邐＊Ｖ邋Ｓｌａｇ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑ｕｎｒｅａｃｔｅｄ邋ｃｈａｒ邐＜．逡逑？邐ＬｚＪＬ邐山邐（ｉ邐Ｊ邐Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ａ逡逑圖２．５渣表面焦炭顆粒捕獲模型示意圖１７８１逡逑Ｆｉｇ．邋２．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃｈａｒ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｃａｐｔｕｒｅ逡逑該模型假設(shè)當(dāng)顆粒撞擊到壁面熔渣表面時(shí)立即被捕獲，而撞擊到壁面上未反應(yīng)的焦逡逑炭顆粒時(shí)則立即反彈，其中顆粒覆蓋率由下式計(jì)算：逡逑尺丨（２－８）逡逑Ｐ＾Ｄｐ逡逑顆粒的消耗率由下式計(jì)算：逡逑Ｒ２邋＝邋ｒｅ邐（２－９）逡逑其中ｒ?yàn)轭w粒的消耗率常數(shù)。聯(lián)合上述兩個(gè)公式就可以得到捕獲概率與顆粒供給率之間逡逑

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