气流床煤气化辐射废锅内的多相流动、传热及熔渣行为研究

采用先进的洁净煤发电技术，是可持续发展战略对电力工业的必然需求。整体煤气化联合循环发电技术的供电效率已达到42~45%。废锅-激冷型气化工艺是甲醇及烃类合成的节能高效的关键。掌握和优化气流床煤气化辐射废锅的设计原理，对提高废锅流程IGCC发电的系统性能及促进新型煤化工的节能减排具有重要意义。运用冷态流场测试、热态模试和数值模拟相结合的方法，对气流床煤气化辐射废锅内多相流动、传热及熔渣行为的研究鲜见报道。本项目拟基于双水冷壁型辐射废锅冷模装置和热模装置，搭建加压滴管炉热模试验平台，对辐射废锅内多相流动规律进行试验研究，并对单颗粒熔渣沉积、冷凝、相变和熔渣颗粒群碰撞聚并、沉积、流动特性进行试验。结合冷模、热模实验数据以及煤种特性测试数据，建立适用于工业规模气流床气化辐射废锅内复杂多相流动、传热和熔渣沉积行为模拟的数学模型。

以废锅型气流床气化炉为研究对象，运用冷态流场测试、热态模试和数值模拟相结合的方法，对气化炉及其辐射废锅多相流动、传热及熔渣行为进行深入分析，探讨了辐射废锅水冷壁布置方式等对其传热性能和流场特征的影响，考察了不同操作及结构参数对水冷壁面的熔渣沉积的影响。研究结果表明：(1) Realizable k-ε湍流模型计算得到的气相流场结果与实验值吻合较好，辐射废锅内筒顶部存在一入口射流，射流沿流向逐渐衰减，气相流场在内筒底部趋于稳定；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。(2) 沉积温度变化和沉积气氛的变化对渣样的组成变化影响不大，沉积温度为800℃时沉积渣表面结构更为光滑，而1000℃下相应渣样的表面更为粗糙，还原性气氛条件下沉积渣样的含铁矿物质的晶相组成将发生明显变化。(3) SiO2对高钙山鑫煤的助熔效果最为明显，当硅铝比为7.36、酸碱比为1.23，灰熔融温度降低192℃；神府煤和榆林煤低温灰和高温灰加热过程中的流动行为表明，低温灰和高温灰在加热过程中，体积均有两次明显收缩；在均相S2模型基础上，结合非均相Einstein-Roscoe模型，建立了适用于榆林煤渣整个温度范围的非均相粘度预测经验公式。(4) 整个气化炉膛均有颗粒沉积，在撞击流股作用下，炉壁捕捉的颗粒粒径存在两个极大值点；缩短直段高度对喷嘴上方流场影响较大，拱顶对撞击流股产生限制作用，导致近拱顶及拱顶处炉壁捕捉的颗粒粒径增大，沉积量增大。(5) 鳍片水冷壁表面温度和总热通量沿径向方向降低，在双面水冷壁和鳍片水冷壁废锅中，中心流道的颗粒浓度高于近壁面区域；增大鳍片水冷壁的径向长度会增加沉积量；设置喷淋水后在喷淋水平面由于喷淋水液滴的蒸发形成扇形低温区，且与水液滴的运动轨迹类似。内筒水冷壁的温度分布则由于鳍片水冷壁而存在两个温度“低谷”及三个温度“高峰”。(6) 在基准工况条件下，熔渣颗粒主要沉积在高度为11.2-22.0m之间。当高于1612K时，入口温度越大或操作负荷越大，沉积速率变大，沉积区域变宽，沉积概率变大。积灰厚度改变了炉内的换热工况，积灰厚度越厚，炉内温度升高。