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气流床气化炉及其辐射废锅内的多相流动、传热与熔渣行为研究

倪建军

  为了废锅流程气流床气化系统的优化设计,提高其工业运行可靠性和稳定性,本文以气流床气化技术为背景,采用数值模拟与实验相结合的方法,对气流床气化炉及其辐射废锅内的多相流动、传热过程与熔渣行为进行了系统深入的研究。 1.采用数值模拟的方法对撞击流气流床气化炉内气-粒两相流场进行了研究,揭示了炉内气相流场和颗粒撞击流场特征,考察了熔融液滴间的碰撞聚并作用和颗粒Stokes数对气相流场的影响。气化炉底部渣口被气流携带的颗粒分数约为8%。基于气化炉内流场特征,运用马尔科夫链数学理论建立了适用于气化炉内颗粒停留时间分布预测的随机模型。随机模型预测得到的冷态颗粒停留时间分布与实验值基本吻合,模拟得到某工业气化炉内颗粒平均停留时间约为6.2s。 2.利用数值模拟方法对四种气化炉与辐射废锅接口设计方案进行了对比研究,考察了结构参数和操作参数对接口运行状况的影响。气化炉出口物流在接口直段的流速明显提高,保证了物料顺利进入辐射废锅;接口直段外壁的冷却水管对接口耐火砖和托砖架具有一定降温作用;物料从气化炉通过接口直段的总温降约为31.5℃。 3.搭建了辐射废锅大型冷模装置,利用恒温热线风速仪和皮托管对辐射废锅内的气相冷态流场进行测量。利用马尔文激光粒度分析仪对辐射废锅出口、底部渣池以及附壁颗粒的粒径进行了采样分析。运用Realizableκ-ε湍流模型计算得到的气相流场结果与实验值吻合较好;大部分颗粒直接被辐射废锅渣池捕集,少量细小颗粒被气流携带进入辐射废锅环隙或从出口逃逸;颗粒粒径越大、密度越高,颗粒的跟随性越差,出口颗粒的停留时间越长。 4.建立了适用于辐射废锅内多相流动、传热与熔渣行为模拟的数学模型,并通过对工业辐射废锅实例进行模拟,验证了模型计算的可靠性。研究表明:双筒体辐射废锅内筒顶部存在一入口射流,射流周边存在回流区;当在辐射废锅内筒布置鳍片水冷壁后,顶部入口射流的射流张角缩小,而且射流长度变短;布置鳍片水冷壁后,在内筒下半段中心出现一中心回流区;内筒物料温度随着鳍片水冷壁面积的增加而降低,而且主要传热过程在内筒完成;辐射废锅水冷壁上的积灰厚度对总体传热效率有较大影响。 5.通过对几种典型气流床气化合成气冷却工艺的对比研究得出:合成气在激冷室内的冷却过程主要在下降管内完成,降温过程伴随着大量的激冷水蒸发;合成气自下而上流动时,可采用低温合成气激冷工艺,该种含低温合成气激冷的冷却器必须确保冷却器换热面积和激冷气量,以使出口合成气温度降到足够低,避免后续工艺设备的积灰结渣情况发生;全辐射废锅采用双面水冷壁结构设计,出口颗粒夹带的临界分离粒径约为400μm;当在辐射废锅内筒中间设置低温合成气激冷时,在激冷气入口截面下方存在一中心回流区,高温合成气遇低温气流被迅速激冷,辐射废锅外筒可采用耐火砖等绝热材料设计,可有效缩减辐射废锅尺寸。 6.通过对熔渣碰壁过程的阶段性分解,引入了“最大反弹能”的概念,建立了液态排渣炉内的熔渣碰壁沉积过程预测的机理模型。考察了熔渣温度、碰撞角度、碰撞速度熔渣颗粒粒径以及壁面温度等对碰撞结果的影响。发现熔渣温度、颗粒粒径、撞击角度和撞击速度对碰撞结果有较大影响,而壁面温度的影响相对较小。 7.建立了气流床气化炉内熔渣贴壁流动预测的数值模型。通过与文献中的模型对比得出,本文建立的模型预测精度有了较大的提高。对水煤浆气化炉和干煤粉气化炉内的熔渣流动特性的研究表明:干煤粉气化炉内的熔渣流动分层较为明显,炉内渣层厚度约为6mm,而且其操作温度必须高于灰渣流动温度150℃以上才能实现稳定的液态排渣;水煤浆气化炉炉壁采用耐火砖砌筑,由于隔热效果较好,稳定运行时熔渣流动不会出现相变分层;根据传热平衡计算,得到了水煤浆气化炉内出现固态渣层的临界温度计算公式。……   
[关键词]:气流床气化炉;辐射废锅;多相流动;辐射传热;熔渣流动
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华东理工大学2011年