气流床气化炉壁面熔渣流动的实验研究与数值模拟

气流床煤气化技术是煤炭高效清洁利用的重要途径，从目前国内外气流床气化炉运行情况来看，气化炉壁面熔渣分布与流动对气化炉长周期安全运行重要的影响。由于气化炉属于高温高压反应器，很难开展实验研究，目前的数值模拟研究又忽略了炉内流场对壁面熔渣流动的影响，而且不适用于气化炉三维模型研究。本项目以气流床气化炉壁面熔渣沉积与流动为对象，选用模拟流体开展气化炉内壁面熔渣沉积与流动机理研究，建立适合三维结构气化炉的熔渣沉积模型和炉内含相变过程的多相流动模型。重点研究炉内壁面附近气粒相流体流动对壁面熔渣沉积与流动的影响，建立壁面熔渣沉积模型和相间作用模型；分析熔渣物理性质、壁面结构、炉内流场和壁面传热等因素对熔渣沉积和流动的影响；在高性能计算平台上对气化炉内多相反应流动三维过程进行数值模拟研究。通过研究掌握气流床气化炉壁面熔渣沉积和流动机理，为气流床气化炉设计和操作优化提供理论依据。

本课题以气流床气化炉壁面熔渣沉积过程为对象，采用实验与数值模拟相结合研究壁面熔渣沉积与流动，重点研究了炉内颗粒和气体流动对壁面熔渣流动的影响，通过研究拟得到气流床气化炉壁面熔渣沉积与流动机理。.通过研究得出：（1）从冷模实验研究发现平均粒径大于56μm的颗粒基本被熔渣壁面吸附，对小型气化炉内颗粒壁面沉降进行了模拟与实验研究，得出约有82.4％的颗粒被壁面吸附。热模实验研究表明气化炉操作温度高于熔渣临界粘度温度时，渣层表面灰渣处于熔融状态；运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收；熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系，渣层表面温度越高，熔渣流动速度越大。（2）综合考虑了熔渣的比热容、导热系数随温度关系和气体对渣的剪切力作用，构建了更为完整的壁面熔渣流动模型。计算结果表明渣层内的温度偏离线性分布；渣层内速度分布预测更为合理；壁面气流的剪切对液态渣层内的速度分布影响很大。（3） 构建了炉内多相湍流反应模型，对工业规模OMB粉煤水冷壁气化炉内流动反应过程及颗粒的壁面沉积进行了模拟研究，通过研究得出，当顶部蒸汽比例为20%~40%较为理想，可有效降低顶部空间温度，且不会对顶部颗粒沉积产生不利影响。（4）对GSP气化炉内反应流动和壁面熔渣流动进行了模拟研究，得出渣层表面温度的变化规律、渣层平均温度、耐火衬里平均温度、渣层厚度随时间变化的趋势。壁面温度平衡时间约为30分钟，气化炉壁面渣膜平衡的时间约为1h；随着熔渣沉积量的增大，液态熔渣厚度增大，而固体熔渣厚度减小，而总渣层的厚度随渣沉积量的变化随位置的不同而不同。