气化炉水冷壁衬里传热数值模拟研究

水冷壁衬里是气化炉安全稳定运行的关键部件.以高温高压气流床气化炉内水冷壁耐火衬里为研究对象,采用数值模拟方法对水冷壁衬里附近的流动与传热进行研究,分析了渣层厚度对壁面导热系数、热通量、各层材料表面的影响.结果表明,气化炉原始开车工况下,壁面平均传热系数高达241W/(m2·K),渣钉表面温度约为1517K,此时渣钉容易...     

水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析

在实验室小型水冷壁气化炉上进行变工况气化试验,建立气化炉水冷壁的二维传热和应力模型,对气化炉变工况时水冷壁及渣层中的温度及应力变化进行了模拟计算。模拟结果表明：水冷壁及渣层中的周向应力及径向应力均随温度的升高而增大,而周向应力在数值上相对较大。在渣层 碳化硅层接触面上,随指定点与水冷管及渣钉的距离逐渐增大,等效应力迅速增大后趋于稳定;不同材料中的等效应力差异显著。     

气化炉水冷壁金属极限高温安全性分析

通过对气化炉水冷壁传热的数值模拟,研究极限高温条件下水冷壁的传热过程及温度分布特性,对水冷壁的高温安全性进行分析;结果表明,在极限高温工况下,渣钉根部是管壁超温的危险部位,即使采用增大工质流速或管内强化换热等措施,也很难避免局部超温。     

水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析

基于实验室小型水冷壁气流床气化炉,研究了两种油渣浆气化后在炉内壁形成渣层的内部结构及组成。建立了气化炉水冷壁的三维传热和应力模型,对气化炉紧急停车时炉壁的热应力变化及其分布进行了模拟计算。计算结果表明：渣层中越靠近渣层表面,热应力的变化越大;靠近水冷管和渣钉处的渣层热应力变化相对较小;渣层表面温度变化相同时,孔隙率大的渣层产生的形变较大。     

水冷壁气化炉内熔渣流动特性模型

通过将3D气化炉模型、熔渣一维流动传热模型和颗粒壁面捕捉模型耦合,对工业水煤浆水冷壁气化炉内的熔渣流动特性进行模型研究。重点分析了颗粒壁面行为对气化炉结渣的影响以及氧煤比变化对于渣层厚度的影响,并简要分析了水冷壁气化炉和耐火砖气化炉的差异。研究结果表明:大粒径颗粒易于被壁面捕捉,利于穹顶和直筒段渣层的形成,但不利于碳转化率的提高;小粒径颗粒具有高碳转化率,是下游细灰的主要来源,容易加剧下游受热面和灰黑水系统的负担;水冷壁气化炉内形成的固态渣层是气化炉热阻的主要组成部分,能够起到"以渣抗渣"的作用。     

水冷壁式粉煤气化炉炉衬温度场数值模拟研究

为了使水冷壁式粉煤气化炉长周期、高效化运行,利用ANSYS有限元分析软件对粉煤气化工艺的水冷壁式气化炉炉衬服役过程的温度场进行了数值模拟研究。结果表明:1)水冷壁式气化炉内挂渣层由固态层、熔融层和流动层组成,提高耐火材料的热导率有利于挂渣层的形成。2)选用耐火材料的热导率为8~10 W·(m·K)~(-1),渣表面温度为1 290~1 310℃时,炉壁挂渣状态较好。3)当炉内已实现正常挂渣厚度(15 mm以上)时,水冷管和渣钉都会在安全温度下正常运行,在挂渣厚度较低的情况下(低于15 mm),渣钉和水冷管有超温的风险。     

气流床气化炉水冷壁结渣特性的实验研究

搭建了小型气流床水冷壁气化炉实验平台，进行水冷壁结渣实验，验证了“以渣抗渣”的思想，为气化炉水冷壁衬里的工业应用提供理论依据．研究了炉内火焰温度、壁温、循环水量等因素对渣的分布及形态的影响，以及渣层对水冷壁的保护作用．结果表明，熔渣对炉壁保护作用明显；循环水影响着水冷壁的正常运行；炉内温度及壁温是影响渣形态和渣分布的主要因素．     

水冷壁气化炉温度分布及影响因素分析

对气流床水冷壁气化炉炉壁的温度分布及影响因素进行了计算和分析。建立了气流床水冷壁气化炉的三维传热数学模型,运用有限元方法,计算出水冷壁的温度分布,炉壁导热主要通过渣钉完成;探讨了水冷管内工质传热系数、炉内温度、渣钉间距、鳍片厚度、鳍片宽度及熔渣厚度对渣钉、水冷管、鳍片端部和根部等关键部位的最高温度点温度的影响;为了验证热分析的正确性,在实验室的小型气化炉上进行试验,鳍端背火侧温度计算值与实验测量值吻合良好,误差在5%之内;其计算模型和分析结果可为水冷壁气化炉的设计提供相应依据。     

GSP气化炉水冷壁挂渣影响因素探究

水冷壁结构形式的GSP气化炉采用"以渣抗渣"的原理,在水冷壁内侧附着1层均匀分布的熔渣层,以抵御高温熔渣对水冷壁的腐蚀。气化炉内结渣是一个相当复杂的过程,不仅与煤种特性以及熔渣本身的沉积特性有关,还与炉内粉煤气化燃烧过程有着密切关系。GSP气化炉内的耐火材料很容易受到熔渣的侵蚀,极易损坏。主要讨论了煤质、气化炉操作温度、氧煤比的控制等对GSP气化炉内水冷壁挂渣的影响因素。     

水冷壁式粉煤气化炉炉衬应力场数值模拟研究

针对水冷壁式粉煤气化炉在使用过程中由热应力引起的耐火材料和渣层损毁现象,建立了水冷壁的局部热应力模型,运用ANSYS有限元分析软件对水冷壁式粉煤气化炉使用过程的应力场进行了数值模拟研究。结果表明:1)水冷壁式气化炉的最大应力出现在锚固钉与耐火材料的界面以及耐火材料与渣层的界面,渣层最大应力的位置在渣层表面。2)渣层厚度的增加可显著降低锚固钉与耐火材料界面处的热应力,但是会导致渣层与耐火材料层间的热应力增大。3)当热导率为2～6 W·m~(-1)·K~(-1)时,随着热导率增加,会导致热应力迅速升高;而当热导率为6～10 W·m~(-1)·K~(-1)时,热应力基本稳定。4)降温速率越快,炉衬各点的温度和热应力下降得越快。     

气流床煤气化炉壁面反应模型

建立了气流床煤气化炉煤灰渣颗粒沉积和壁面反应模型,相应完善了渣层流动、传热传质和相变模型,发展了数值模拟方法,并以国内某型两段式干煤粉加压气流床煤气化中试炉为对象进行了模拟。利用建立的模型可以得到壁面反应速率、渣层含碳量、固态渣层厚度、液态渣层厚度、渣层平均温度和液态渣层平均速度等。结果表明:氧煤比升高,渣层平均温度升高,固态渣层厚度、液态渣层厚度和气化炉出口灰渣含碳量降低。计算得到的灰渣含碳量在14%左右,整体碳转化率为95.2%左右,与实际值相近。通过模拟发现壁面反应对于所分析气化炉的碳转化率、排渣含碳量、壁面渣层流动和温度状态具有重要影响,进而影响气化炉的安全稳定运行。     

Shell粉煤气化炉渣口区熔渣流动与传热模型

国内Shell粉煤气化炉在长周期运行中曾多次出现大块熔渣堵塞渣池出口的现象,严重制约着工业化装置的安全、经济、稳定运行。为了探讨大块熔渣形成的原因,以Shell粉煤气化炉为研究对象,建立了其渣口区熔渣流动与传热模型。该模型可以预测固态渣层厚度、液态渣层厚度和渣层表面温度等。结果表明:气化炉运行时,由于熔渣的沉积,在渣裙表面将形成一定厚度的固态渣层。开车初期,熔渣全部被冷凝成固态渣,当渣层表面温度超过渣的临界温度,液态渣层开始出现,此后随着时间的增加,固态和液态渣层都继续增厚直至达到稳定状态。离气化炉渣口处越远,渣层厚度和表面温度就越大。气化炉渣口温度和沉积率越低,固态渣层厚度就越大,所需要的特征时间也越长。     

Dynamic modeling and simulation of reaction,slag behavior,and heat transfer to water-cooling wall of shell entrained-flow gasifier

A mathematical model is developed to simulate a pilot Shell entrained-flow coal gasifier. Submodels of specific structures of the gasifier are established to simulate the complicated gasification process. The model includes the total energy conservation equation and mass conservation equations for the gas components, solid flow, and gas flow. It simulates the influence of the gasifier structure and dimensions and can calculate the effects of changing almost every important operation parameter, e.g., the syngas composition, gasification temperature, carbon conversion ratio, walllayer temperature, and slag mass flow rate. The model can predict the syngas composition under a limited residence time condition. Furthermore, it considers the heat transfer coefficient of each layer of the water wall to calculate its heat loss and temperature. Thus, the model also reflects the influence of performance parameters of the gasifier’s water wall. The slag mass flow rate on the wall is calculated using a slag submodel.     

煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率与固/液渣层分布的影响

以中国华能集团清洁能源技术研究院（Huaneng Clean Energy Research Institute,HNCERI）两段干粉加压气化炉为研究对象,采用考虑了焦炭颗粒表面气体组分扩散效应的随机孔模型计算焦炭气化反应速率以评估碳转化率。同时,耦合熔渣子模型计算气化炉一段壁面固液渣层分布特性和热损失,研究了煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率和固液渣层分布特性的影响。结果表明所构建的模型可以准确预测气化炉出口主要气体组分组成、碳转化率和气化炉一段壁面热损失;气化炉一段碳转化率受固有气化速率和停留时间控制,二段主要受颗粒停留时间控制;因此,通过减小煤粉粒径可以减小气体在颗粒表面扩散阻力,有利于提高气化炉一段碳转化率,而适量增加煤粉粒径可以增加煤粉颗粒在气化炉二段的停留时间,有利于提高二段碳转化率。模拟结果显示煤粉颗粒粒径从20μm增加到200μm,一段碳转化率从99.68%降低到了95.06%,二段碳转化率从69.03%增加到了89%。煤粉粒径对气化炉上缩口和直段壁面液态渣层分布影响很小,但显著影响固态渣层厚度的发展。     

Modeling of an oxygen-staged membrane wall gasifier: effects of secondary oxygen

A new type of entrained flow gasifier with membrane wall and two-stage oxygen supply is being developed in China. The fraction of the secondary oxygen in total oxygen (FSO) is an important parameter for this kind of gasifier. A dynamic reduced order model (ROM) based on a reactor network model (RNM) is developed for this gasifier, which is used to investigate the effects of FSO on the slag layer thickness profile on the wall and explore the potential of FSO in dynamic slag control. The ROM adopts a flexible RNM blocking method, which varies with FSO to account for the influence of FSO on the flow pattern in the gasifier. Available industrial data was used to validate the model and a detailed sensitivity analysis for the calculation of slag layer thickness was performed. Static analyses show that FSO has a marked effect on the slag thickness distribution and higher FSO leads to lower heat loss through the wall. Finally, a slag control system, which introduced FSO as an auxiliary regulator, is proposed. Dynamic simulation shows that the new control system offers an improved performance in slag control and can broaden the regulating range of operating temperature.     

气化炉炉体关键部位温度分布研究

从通用传热模型出发，研究了气化炉炉体的传热模型。应用有限单元法进行了求解，以德士古气化炉炉体为具体实例，计算了气化炉炉体关键部位的温度分布，结果表明，该方法可以有效的计算出气化炉炉体上任意一点的温度，以气化炉的设计。运行和维护提供理论依据。     

基于热传导原理的气化炉内高温测量方法研究

受高温熔渣和气流影响,气流床气化炉内的温度测量往往十分困难,需要一种简单准确的方法来测量炉内温度.文中基于一维热传导原理,设计了带吹扫和水冷结构的气流床气化炉内高温测量装置.通过对气化炉壁面传热过程分析,提出了能够估算炉内温度的公式,并利用黑体炉中的实验数据拟合出了公式内的待定常数.在实验室小型水冷壁气化炉内用2种气化...