气流床水冷壁气化炉熔渣沉积试验研究及水冷壁数值模拟

论文摘要

气流床煤气化技术具有煤种适应性广、操作压力和操作温度高、碳转化率高、生产强度和规模大等特点,已成为煤基大容量、高效洁净的燃气与合成气制备的首选技术。水冷壁气化炉是气流床气化技术的重要类型,具有运行寿命长、维护费用低等优势,是气流床气化技术的发展方向。因此,对气化炉水冷壁技术进行研究具有重要意义。(1)基于实验室小型水冷壁气流床气化炉,以北宿煤为原料进行粉煤气化试验,考察气化炉内的熔渣沉积情况,并对附壁渣层的表面形态及组成进行分析研究。北宿煤灰分中碱性氧化物含量较高,灰熔点相应较低。气化渣样的XRD分析结果显示,气化过程中生成了熔点较低的复杂共熔体钙长石及磁赤铁矿。渣层形态与气化炉内的温度分布特征密切相关,总体上讲,渣层表面粗糙度随温度降低而增大。(2)神府煤灰渣的CaO含量相对较高,具有较低的熔融温度。试验条件下采用神府煤灰渣进料可以改善炉内结渣状况。气化过程中,渣层表面区域的煤渣处于熔融状态,形成液态渣层；渣层中存在大量气孔,气体受热膨胀,导致熔融的渣层发生变形、凸起,气体逸出后,该处渣层发生坍塌。气化渣样主要由钙长石、透辉石及钠长石组成,其孔隙率为36.6%。(3)建立气化炉水冷壁传热模型,采用有限元法对水冷壁的温度场进行模拟计算。气化炉正常运行状况下,采用稳态法可对水冷壁中的温度分布进行较为准确地预测,而气化炉变工况时,采用瞬态法的模拟结果则更为准确。水冷壁中的温度分布与材料的导热系数密切相关,导热系数较小的材料中存在较大的温度梯度。渣钉、水冷管及鳍片中的最高温度随渣层表面温度的升高而升高,随工质对流给热系数的增大而降低,而工质温度的影响并不明显。工业气化炉水冷壁传热稳态分析结果显示,水冷壁锥段抽出管附近区域的鳍片冷却效果较差,温度相应较高；对水冷壁结构进行优化、增设水冷管后,鳍片中的最高温度显著下降。(4)建立水冷壁热应力模型,对气化炉变工况水冷壁的应力场进行研究。升温阶段渣层中的热应力主要表现为压应力,而降温阶段则主要表现为拉应力。渣层的最大热应力随导热系数、孔隙率的增大而减小,随弹性模量、热膨胀系数、渣层厚度的增大而增大,渣层密度、比热的影响并不显著。初始固态渣层与新生固态渣层中的等效应力分布及其变化趋势均存在显著差异；初始固、液接触面处等效应力不连续分布。含裂纹的渣层中热应力的最大值出现在裂纹尖端,在裂纹尖端附近区域存在较大的应力梯度,而距裂纹尖端稍远处,应力梯度较小。裂纹尖端的应力强度因子与渣层温度分布、裂纹特征尺寸及断裂面与渣层表面法线夹角密切相关。当裂纹尖端的应力强度因子大于渣层的断裂韧性时,裂纹失稳扩展,且扩展具有定向性。(5)建立水冷壁冷却工质流动与传热模型,对冷却工质的水力特性进行研究。分配集箱中沿流向工质速度逐渐降低,静压逐渐升高。汇集集箱中沿流向工质速度逐渐增大,静压总体呈降低趋势。与集箱进口距离较远的冷却管的进、出口压差相对较大,因此具有较高的质量流量。缩小冷却管直径、增大管间夹角均可减小却冷管间流量差异,改善工质不均匀性。随集箱入口速度的增加,工质的不均匀性加剧。而在不发生相变的情况下,改变入口工质的温度对其不均匀性无显著影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 1.3 本文创新点
• 第2章 文献综述
• 2.1 灰渣沉积研究
• 2.1.1 灰渣颗粒的形成
• 2.1.2 灰渣成分
• 2.1.3 渣层的形成
• 2.1.4 灰渣沉积规律的研究
• 2.2 渣层的形态及结构
• 2.2.1 渣层的表面形态
• 2.2.2 渣层的内部结构
• 2.3 渣层的导热系数
• 2.3.1 渣层导热系数的影响因素
• 2.3.2 导热系数预测模型
• 2.4 气化炉水冷壁温度场研究
• 2.4.1 气化炉内传热特点
• 2.4.2 水冷壁温度场研究
• 2.5 渣层热应力及断裂研究
• 2.5.1 渣层的力学特性
• 2.5.2 水冷壁及渣层热应力研究
• 2.5.3 渣层断裂研究
• 2.6 水冷壁工质流场研究
• 2.7 本章小结
• 第3章 水冷壁气化炉粉煤气化试验
• 3.1 试验装置
• 3.1.1 水冷壁气流床气化炉
• 3.1.2 供料装置
• 3.2 气化试验流程
• 3.3 粉煤气化试验
• 3.3.1 北宿煤煤质分析
• 3.3.2 气化试验条件
• 3.3.3 试验结果及渣样分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 神府煤灰渣气化试验
• 4.1 试验用灰渣分析
• 4.2 试验装置
• 4.3 灰渣气化试验
• 4.3.1 操作条件
• 4.3.2 渣层表面温度及鳍片温度
• 4.3.3 试验中炉内渣层形态
• 4.3.4 渣层形态
• 4.3.5 渣层结构
• 4.3.6 渣样矿物组成分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 气化炉水冷壁的温度场的研究
• 5.1 传热模型
• 5.1.1 水冷壁直筒段模型
• 5.1.2 模型假设
• 5.1.3 数学模型
• 5.1.4 有限元方法及方程
• 5.1.5 边界条件
• 5.2 稳态模拟
• 5.2.1 模型验证
• 5.2.2 水冷壁温度场
• 5.2.3 操作参数的影响
• 5.3 温度场瞬态分析
• 5.3.1 粉煤气化试验
• 5.3.2 数学模型边界条件
• 5.3.3 模型验证
• 5.3.4 模拟结果
• 5.4 水冷壁锥段传热分析及结构优化
• 5.4.1 设计操作参数
• 5.4.2 管内沸腾给热系数
• 5.4.3 局部模型及边界条件
• 5.4.4 模拟结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 渣层热应力分析及断裂预测
• 6.1 渣层热应力瞬态分析
• 6.1.1 试验研究
• 6.1.2 水冷壁及渣层热应力模型
• 6.1.3 数学模型
• 6.1.4 有限元模型及边界条件
• 6.1.5 模型验证
• 6.1.6 结果与讨论
• 6.2 含相变冷却过程渣层热应力分析
• 6.2.1 数学模型
• 6.2.2 边界条件
• 6.2.3 结果与讨论
• 6.3 渣层表面裂纹与断裂
• 6.3.1 裂纹尖端区域的应力场与位移场
• 6.3.2 应力强度因子及Griffith能量准则
• 6.3.3 最大拉应力准则
• 6.3.4 渣层断裂模型
• 6.3.5 有限元模型及边界条件
• 6.3.6 模拟结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 气流床气化炉水冷壁水力特性研究
• 7.1 试验研究
• 7.2 数学模型
• 7.2.1 控制方程
• 7.2.2 边界条件
• 7.2.3 模型网格
• 7.3 模拟结果与分析
• 7.3.1 模型验证
• 7.3.2 流场分析
• 7.3.3 结构参数的影响
• 7.3.4 操作参数的影响
• 7.4 本章小结
• 第8章 全文结论与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 博士期间发表的论文