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扩散火焰形态及气化炉内熔渣沉积与传热规律研究

梁钦锋  
【摘要】:水冷壁气流床气化炉是大型煤气化技术发展的主要方向之一。水冷壁采用“以渣抗渣”原理,利用渣层保护水冷壁不受高温侵蚀,气化炉内的熔渣沉积和传热与气化炉操作温度、煤灰理化性质等密切相关。本文以水冷壁气流床气化技术为背景,研究了扩散火焰形态及气化炉内熔渣沉积与传热规律。 (1)气化火焰是气流床气化炉的主要特征之一,气化火焰形态和特征影响炉内温度分布,火焰形态学是火焰研究的一个重要方向,本文通过研究发现,敞开空间下空气中氧气对扩散火焰形态有一定影响,但随着喷嘴自身携带氧气流量增大,扩散火焰整体形态转为受喷嘴氧气控制;采用多股射流组合的集束喷嘴有效强化了燃料与氧气的混合,扩散火焰绝对长度较两通道喷嘴火焰长度短;气流速度较低时,两通道气流式雾化喷嘴火焰形态与燃料初次雾化有关,热态与冷态下液体初次雾化规律相似,但燃烧过程中的初次雾化临界速度较冷态时高;撞击火焰在撞击前仍较好地保持着火焰湍流结构,撞击后火焰湍流结构迅速消失,随着撞击速度的增大,火焰撞击区域变大且不稳定,但单股火焰的分布更为均匀和连续;撞击火焰边缘具有分形特征,撞击火焰的分形维数在点火阶段逐渐降低,从两喷嘴向四喷嘴撞击过渡时火焰边缘曲线分形维数逐渐增大,随着操作负荷增大,分形维数增大,两喷嘴和四喷嘴撞击火焰分形维数相差逐渐减小 (2)通过水冷壁气化炉小试和中试研究发现,熔渣沉积形态与气化炉流场结构、操作温度和煤灰理化性质等因素相关,水冷壁表面均能覆盖渣层,能有效保护水冷壁不受高温烧蚀,随着气化炉处理负荷的增大,气化炉内温度梯度减小,熔渣分布更为均匀;随着水冷壁单位面积处理负荷增大,水冷壁带走热量比例显著降低,煤粉流量、氧煤比和汽包压力等参数对水冷壁传热的影响程度各不相同。 (3)建立水冷壁传热和应力模型,基于该模型分析了水冷壁结构温度和应力分布,计算结果与试验吻合良好,为进一步掌握气化炉水冷壁传热规律与渣层裂缝生成提供指导。计算结果表明,渣层内温度梯度大,可有效降低水冷壁结构内部温度;操作温度变化将导致水冷壁内部产生热应力,不同材料热应力差异显著,越接近渣层表面,热应力越大,靠近水冷管和渣钉处热应力相对较小;熔渣孔隙率越大,愈容易发生形变造成开裂;渣层表面存在裂纹时,与施加的拉力载荷相比,裂纹尖端附近的等效应力较高,最大值出现在裂尖,离开裂纹尖端稍远处,应力分布又趋于正常。


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