水冷壁氣化爐內(nèi)熔渣流動(dòng)特性模型

畢大鵬，趙勇，管清亮，玄偉偉，張建勝

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水冷壁氣化爐內(nèi)熔渣流動(dòng)特性模型

畢大鵬，趙勇，管清亮，玄偉偉，張建勝

（清華大學(xué)熱能工程系，熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

通過將3D氣化爐模型、熔渣一維流動(dòng)傳熱模型和顆粒壁面捕捉模型耦合，對(duì)工業(yè)水煤漿水冷壁氣化爐內(nèi)的熔渣流動(dòng)特性進(jìn)行模型研究。重點(diǎn)分析了顆粒壁面行為對(duì)氣化爐結(jié)渣的影響以及氧煤比變化對(duì)于渣層厚度的影響，并簡(jiǎn)要分析了水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐的差異。研究結(jié)果表明：大粒徑顆粒易于被壁面捕捉，利于穹頂和直筒段渣層的形成，但不利于碳轉(zhuǎn)化率的提高；小粒徑顆粒具有高碳轉(zhuǎn)化率，是下游細(xì)灰的主要來(lái)源，容易加劇下游受熱面和灰黑水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；水冷壁氣化爐內(nèi)形成的固態(tài)渣層是氣化爐熱阻的主要組成部分，能夠起到“以渣抗渣”的作用。

熔渣；流動(dòng)；氣化；顆粒流；顆粒行為；熱阻

引 言

氣流床氣化技術(shù)由于日處理煤量大、碳轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)物無(wú)焦油、煤種適應(yīng)性高等特點(diǎn)在化工生產(chǎn)及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前氣流床氣化爐按照爐體結(jié)構(gòu)主要分為水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐，兩者都是以液態(tài)方式排渣[2]。煤中的礦物組分在氣化爐高溫高壓的條件下會(huì)形成煤灰，部分煤灰隨著合成氣進(jìn)入合成氣洗滌系統(tǒng)，剩余的煤灰會(huì)沉積在氣化爐內(nèi)壁面上形成熔渣，并由氣化爐底部排出。當(dāng)氣化爐內(nèi)結(jié)渣發(fā)生問題時(shí)，會(huì)影響氣化爐的連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，如水冷壁管被燒穿、耐火磚爐墻被腐蝕、排渣口堵塞等，因此對(duì)氣化爐內(nèi)熔渣特性的研究很有必要。鑒于目前直接觀察熔渣流動(dòng)的困難性，采用模型手段是研究工業(yè)裝置中熔渣流動(dòng)的有效途徑。

對(duì)于氣化爐熔渣特性的模型研究從本質(zhì)上主要分為3個(gè)方面：氣化爐內(nèi)三維數(shù)值模擬、顆粒與壁面的碰撞行為和渣層的流動(dòng)傳熱行為。對(duì)于氣化爐的三維數(shù)值模擬，Wu等[3]、Chen等[4]、Kumar等[5-6]均做了大量工作并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，相對(duì)較為成熟。對(duì)于顆粒與壁面的碰撞行為則有各種假說(shuō)，如Ni等[7]將顆粒與壁面的碰撞簡(jiǎn)化為熔融液體與剛性壁面碰撞的問題，并根據(jù)碰撞前后的能量守恒建立最大反彈能判別標(biāo)準(zhǔn)；Tominaga等[8]以某一黏度為參考值，通過比較熔渣黏度和參考值的大小確定顆粒與壁面的行為準(zhǔn)則；而Li等[9]采用沉降爐對(duì)煤焦顆粒壁面行為的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)存在臨界碳轉(zhuǎn)化率，當(dāng)顆粒碳轉(zhuǎn)化率高于該值時(shí)煤焦形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，并在高溫環(huán)境中形成黏性層，與壁面的黏附概率大大增加。對(duì)于渣層的流動(dòng)模型，多數(shù)學(xué)者對(duì)氣化爐內(nèi)渣層流動(dòng)的模擬都是建立在Seggiani[10]的微分模型基礎(chǔ)上，基于動(dòng)量守恒方程得到渣層速度分布，并通過建立渣層的質(zhì)量和能量守恒方程最終得到渣層的溫度、厚度等信息。

Bockelie等[11]曾對(duì)Texaco氣化爐和日本兩段爐建立了耦合CFD和熔渣流動(dòng)的模型，但并未提及顆粒與壁面的相互作用。Yang等[12]采用降階模型對(duì)分級(jí)供氧氣化爐的結(jié)渣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。本研究以Li等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)建立耦合3D氣化爐模型、顆粒壁面捕捉模型和熔渣一維流動(dòng)傳熱模型的綜合模型，對(duì)水冷壁氣化爐內(nèi)的熔渣流動(dòng)特性進(jìn)行研究，并分析顆粒的壁面行為以及渣層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，最 后簡(jiǎn)要分析水冷壁氣化爐和耐火磚氣化爐的主要差異。

1 模型描述

水冷壁氣化爐的爐壁附近的質(zhì)量和能量傳遞如圖1所示。水冷壁管內(nèi)側(cè)設(shè)有SiC保溫層，爐膛內(nèi)燃燒后的煤顆粒在流場(chǎng)作用下部分到達(dá)SiC表面，由于表面溫度低于煤灰的流動(dòng)溫度，形成固態(tài)渣層，而在固態(tài)渣層表面則是流動(dòng)的液態(tài)渣層。

圖1 水冷壁氣化爐爐壁質(zhì)量和能量傳遞

氣化爐內(nèi)熔渣流動(dòng)模型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型主要包含3部分：3D氣化爐模型采用單組分簡(jiǎn)化的PDF模型，完成對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的計(jì)算；顆粒壁面捕捉模型判斷顆粒撞擊壁面后被反彈還是被捕捉，從而確定渣層模型的質(zhì)量源項(xiàng)；熔渣流動(dòng)傳熱模型計(jì)算渣層厚度、溫度分布。3個(gè)模型之間的耦合過程為：3D氣化爐模型得到氣相速度、氣相溫度以及由輻射對(duì)流進(jìn)入渣層的熱流，作為渣層模型的輸入?yún)?shù)；3D氣化爐模型得到的顆粒碳轉(zhuǎn)化率是顆粒壁面捕捉模型的輸入?yún)?shù)，該子模型對(duì)撞擊壁面的顆粒進(jìn)行分流，被反彈顆粒返回氣化爐繼續(xù)參加反應(yīng)，被捕捉的顆粒則進(jìn)入渣層，作為熔渣流動(dòng)模型的輸入?yún)?shù)；由渣層流動(dòng)模型得到的渣層表面溫度作為3D氣化爐計(jì)算的邊界條件返回氣化爐模型。

圖2 熔渣流動(dòng)模型結(jié)構(gòu)

1.1 3D氣化爐模型

對(duì)于3D氣化爐模型，參考Wu等[3]對(duì)于Texaco氣化爐的模擬方法，主要思想是采用歐拉-拉格朗日方法分別描述連續(xù)相和離散相，采用Realizable模型封閉雷諾應(yīng)力。對(duì)于氣相燃燒反應(yīng)采用簡(jiǎn)化PDF模型進(jìn)行描述，對(duì)于煤的脫揮發(fā)分采用單步反應(yīng)進(jìn)行描述，而顆粒異相反應(yīng)則由擴(kuò)散和動(dòng)力學(xué)共同控制[13]，輻射模型選擇P1模型[14]。

1.2 熔渣流動(dòng)傳熱模型

熔渣流動(dòng)傳熱模型主要基于Seggiani[10]對(duì)Prenflo氣化爐的熔渣模型，其主要思想是沿氣化爐的軸向劃分若干個(gè)小室，并假設(shè)熔渣為牛頓流體，建立熔渣的質(zhì)量、能量守恒方程以及碳化硅和水冷壁的能量守恒方程[式(1)～式(4)]，通過對(duì)渣層內(nèi)速度的積分得到質(zhì)量和能量傳遞項(xiàng)，聯(lián)立守恒方程最終得到渣層信息。該方法廣泛用于氣化爐內(nèi)渣層的流動(dòng)和傳熱研究[15-16]。在本研究的計(jì)算中，沿氣化爐軸向?qū)t體劃分為42個(gè)小室單元。穹頂和收縮段氣化爐直徑變化較大，分別設(shè)有4個(gè)小室單元。中間直筒段直徑變化不大，劃分為34個(gè)小室單元。

式中，、m、r分別為渣層平均溫度、水冷壁平均溫度、碳化硅層溫度，momoutin分別為冷卻水、金屬壁、碳化硅層、渣層之間的導(dǎo)熱熱流，exex為由液態(tài)渣層流動(dòng)引起的不同小室之間的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞，ing為被壁面捕獲的顆粒質(zhì)量流率和溫度。

1.3 顆粒壁面捕捉模型

根據(jù)Li等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，碳轉(zhuǎn)化率是顆粒與壁面碰撞后是否被捕捉的決定性因素，當(dāng)顆粒碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到88%時(shí)其被捕捉概率大大增加。本研究以Li等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，建立捕捉概率和碳轉(zhuǎn)化率的分段定量關(guān)系，如圖3所示，其中為捕捉概率，為碳轉(zhuǎn)化率，具體定量關(guān)系見式(5)

1.4 熔渣的物性參數(shù)

熔渣的物性與其煤灰的組分有密切的關(guān)系，通過XRF得到煤灰的組分，見表1。熔渣的密度根據(jù)Mills等[17]的表達(dá)式(6)得到，預(yù)測(cè)值的誤差在5%以內(nèi)，計(jì)算時(shí)按照Fe/Fe2+/Fe3+2/1/1。

表1 神木煤灰化學(xué)組成

式中，為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

熔渣的比熱容是溫度和組分的函數(shù)，根據(jù)Mills等[17]和Rezaei等[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以通過Kopp-Neumann公式關(guān)聯(lián)熔渣和各氧化物組分的比熱容，見式(7)

熔渣的熱導(dǎo)率按照式(9)計(jì)算

式中，為導(dǎo)溫系數(shù)，主要在(3×10-7)～(1×10-6) m2·s-1之間波動(dòng)，而且與溫度的關(guān)聯(lián)性不大[17]，本研究取6×10-7m2·s-1。

熔渣的黏溫特性由實(shí)驗(yàn)得到，如圖4所示?？梢钥闯?，該熔渣為典型的玻璃渣。

圖4 熔渣的黏溫特性

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算對(duì)象

本研究以山西陽(yáng)煤豐喜水煤漿水冷壁氣化爐為研究對(duì)象，圖5為氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸及小室單元?jiǎng)澐质疽鈭D。水冷壁管壁厚8 mm，管徑為38 mm×8 mm，節(jié)距50.3 mm，共計(jì)125根管，表面覆蓋30 mm的碳化硅涂層。氣化爐水冷壁冷卻水流量280 m3·h-1，水側(cè)壓力4.5 MPa。氣化煤種為神木煤，水煤漿流量38976 kg·h-1，水煤漿含量61.7%，氧氣流量16000 m3·h-1。煤種為神木煤，其工業(yè)分析和元素分析見表2。入爐煤假設(shè)由4種粒徑組成，其質(zhì)量分布見表3。

圖5 氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸及小室單元?jiǎng)澐?/p>

表2 神木煤工業(yè)分析、元素分析

表3 估計(jì)煤顆粒粒度分布

2.2 計(jì)算驗(yàn)證

表4為計(jì)算得到的氣化爐出口氣體組分、溫度和碳轉(zhuǎn)化率與工業(yè)數(shù)據(jù)[20]的對(duì)比?？梢钥闯龉I(yè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，鑒于工業(yè)氣化爐內(nèi)高溫高壓環(huán)境，獲得渣層厚度的工業(yè)數(shù)據(jù)比較困難，可以采用氣化爐出口參數(shù)間接表明該方法的準(zhǔn)確性。

表4 模擬值與工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 顆粒壁面行為

2.3.1 顆粒壁面捕捉比例分布 圖6為各粒徑段顆粒被壁面捕捉比例分布。約71.25%（顆粒數(shù)百分比）的顆粒被氣流攜帶出氣化爐，可以看出小顆粒流出氣化爐的比例較高，這主要是因?yàn)轭w粒越小其氣流跟隨性越好，越容易被氣流攜帶出氣化爐，而大顆粒慣性較強(qiáng)，不易被氣流攜帶；剩余28.75%的顆粒多被直筒段壁面和出口直段捕捉，并且隨顆粒粒徑增大顆粒被爐體壁面捕捉的比例增大。

圖6 顆粒壁面捕捉比例分布

2.3.2 顆粒有效停留時(shí)間分布 圖7為各粒徑段顆粒在爐內(nèi)有效停留時(shí)間分布。如圖所示，被穹頂、直筒段以及底部縮口壁面捕捉的顆粒停留時(shí)間在0.3～3.4 s之間，而且顆粒越大停留時(shí)間越長(zhǎng)，這是由于大粒徑顆粒需要經(jīng)歷更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間才能達(dá)到臨界碳轉(zhuǎn)化率，從而被壁面捕捉；被出口直段捕捉的顆粒停留時(shí)間較長(zhǎng)，并且隨顆粒粒徑的降低停留時(shí)間縮短，這是由于大顆粒的慣性使其更容易到達(dá)壁面；直筒段和底部縮口的熔渣層主要由于射流顆粒直接碰撞壁面進(jìn)入渣層，而穹頂段的顆粒主要由顆?；亓骶砦纬?，因而被穹頂壁面捕捉的顆粒有效停留時(shí)間比直筒段和底部縮口段長(zhǎng)。圖8為綜合各個(gè)壁面、出口的顆粒得到的有效停留時(shí)間與粒徑關(guān)系。如圖所示，平均停留時(shí)間隨粒徑增大而減小，而且都處于8～10 s范圍內(nèi)。

圖7 顆粒停留時(shí)間分布

圖8 粒徑與顆粒停留時(shí)間關(guān)系

2.3.3 顆粒碳轉(zhuǎn)化率分布 圖9為顆粒碳轉(zhuǎn)化率隨粒徑分布，圖10為碳轉(zhuǎn)化率與粒徑關(guān)系。由于氣化爐出口顆粒的有效停留時(shí)間高于被爐內(nèi)壁面捕捉的顆粒，出口顆粒的碳轉(zhuǎn)化率高于爐內(nèi)顆粒；被穹頂、直筒以及底部縮口壁面捕捉的顆粒的碳轉(zhuǎn)化率分別為94%、91.53%、90%，該趨勢(shì)與停留時(shí)間的分布相吻合，而且都高于臨界碳轉(zhuǎn)化率。煤顆粒的總碳轉(zhuǎn)化率為97.88%，并且隨粒徑的增加碳轉(zhuǎn)化率降低，但粒徑為30、60、110 μm的顆粒的碳轉(zhuǎn)化率接近，均在98%左右。粒徑為175 μm段顆粒碳轉(zhuǎn)化率較低，為93.2%，是導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率降低的主要原因。

圖9 顆粒碳轉(zhuǎn)化率分布

圖10 碳轉(zhuǎn)化率與粒徑關(guān)系

2.4 基礎(chǔ)工況渣層結(jié)構(gòu)

圖11為氣化爐內(nèi)溫度分布?？梢钥闯鲈跉饣癄t中心處形成高溫火焰，在氣化爐中間位置處溫度最高，這會(huì)影響爐壁的渣層分布。圖12為爐內(nèi)渣層厚度分布。如圖所示，沿爐膛軸線方向向下熔渣厚度先減小后增加。這是由于穹頂段遠(yuǎn)離高溫區(qū)，通過輻射和對(duì)流進(jìn)入渣層的熱通量小，同時(shí)由于穹頂部分顆粒來(lái)源為回流卷吸，沉積率低，因而通過顆粒沉積攜帶進(jìn)入穹頂部分渣層的熱量也較少，從而導(dǎo)致穹頂處的渣層厚度較厚；直筒段爐壁臨近高溫火焰區(qū)，輻射對(duì)流熱流強(qiáng)且顆粒沉積率大，因而渣層厚度變??；底部縮口段熱流和顆粒沉積與穹頂段相當(dāng)，但由于直筒段流至縮口段的高溫熔渣帶來(lái)大量的入口熱量，在一定程度上減緩了縮口段渣層厚度的增加，因而底部縮口段熔渣厚度略有增加，但增加幅度不大。

圖11 氣化爐內(nèi)溫度分布

圖12 渣層厚度隨高度分布

2.5 氧煤比變化對(duì)渣層結(jié)構(gòu)的影響

在基礎(chǔ)工況的基礎(chǔ)上將氧煤比增加5%，以考察渣層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在這里認(rèn)為爐內(nèi)溫度場(chǎng)對(duì)氧煤比變化的響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于熔渣的響應(yīng)速度，因而首先求解氧煤比增加5%工況下的溫度場(chǎng)，以此作為熔渣流動(dòng)模型的新邊界輸入條件，考察渣層動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

圖13為氧煤比變化后渣層厚度及出口蒸汽產(chǎn)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于爐內(nèi)氧煤比增加導(dǎo)致爐溫升高，渣層厚度減少。爐膛中部渣層達(dá)到新的穩(wěn)定值僅需0.45 h；穹頂和底部出口達(dá)到新的穩(wěn)定值所需時(shí)間略長(zhǎng)，分別為1.7 h和2.2 h。

圖13 渣層厚度和出口蒸汽含量動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖14為氧煤比變化后水冷壁管內(nèi)工質(zhì)含氣率變化。由于渣層厚度減小，渣層導(dǎo)熱熱阻減小，因而通過導(dǎo)熱進(jìn)入水冷壁管內(nèi)的熱通量增加，水冷壁出口蒸汽產(chǎn)量增加，由原來(lái)的2.8 t·h-1飛升至6.3 t·h-1。

圖14 水冷壁管內(nèi)含氣率變化

氧煤比變化后，水冷壁出口蒸汽含量迅速增加，在約1 h左右出口蒸汽量變化比例達(dá)到66%，隨后出口蒸汽量增加變緩，并在約5 h左右達(dá)到新的穩(wěn)定工況。由于灰渣是水冷壁氣化爐壁熱阻的主要來(lái)源，決定了導(dǎo)熱進(jìn)入水冷壁管的熱流，因而其厚度決定了水冷壁管內(nèi)工質(zhì)的出口產(chǎn)量，而且出口含氣率響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)于渣層厚度相應(yīng)時(shí)間。出口蒸汽量能反映爐內(nèi)溫度及厚度，而且其響應(yīng)速度非?？?，可以作為爐溫監(jiān)測(cè)的一種輔助手段。

2.6 水冷壁和耐火磚氣化爐差異

圖15和圖16為某相同工況下耐火磚和水冷壁爐內(nèi)渣層厚度分布（不含穹頂部分）。如圖所示，爐型不同，爐內(nèi)渣層結(jié)構(gòu)也存在明顯差異：水冷壁氣化爐內(nèi)渣層為固態(tài)、液態(tài)渣層共存，而在耐火磚氣化爐內(nèi)僅存在液態(tài)渣層；兩者的液態(tài)渣層厚度相當(dāng)，均為1 cm左右。

圖15 耐火磚氣化爐內(nèi)渣層厚度隨高度變化

圖16 水冷壁氣化爐內(nèi)渣層厚度隨高度變化

圖17為水冷壁爐內(nèi)和耐火磚爐內(nèi)渣層熱阻量級(jí)的比較，從圖中可以看出，爐內(nèi)的輻射和對(duì)流傳熱系數(shù)大，對(duì)整體熱阻的貢獻(xiàn)微乎其微。對(duì)于壁面材料，無(wú)論在水冷壁爐還是耐火磚爐中，壁面耐火層厚度均較金屬壁大，而且熱導(dǎo)率較管壁材料小，因而壁面熱阻（圖中虛線框內(nèi)部分）主要由碳化硅/耐火層決定。

圖17 水冷壁爐、耐火磚爐熱阻量級(jí)比較（單位為m2·K·W-1）

耐火磚的導(dǎo)熱熱阻比水冷壁爐內(nèi)碳化硅層導(dǎo)熱熱阻高1個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由兩種不同爐型內(nèi)耐火層厚度的量級(jí)及其熱導(dǎo)率量級(jí)差異決定的；水冷壁管內(nèi)為強(qiáng)制對(duì)流換熱，而耐火磚爐表面與外界環(huán)境可視為自然對(duì)流換熱，熱阻相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。將圖中上述3項(xiàng)熱阻綜合起來(lái)看，水冷壁爐爐壁熱阻（虛線框內(nèi)部分）遠(yuǎn)小于耐火磚爐，在相同的熱通量條件下水冷壁爐內(nèi)從工質(zhì)水側(cè)到碳化硅內(nèi)表面的溫升小于耐火磚爐金屬壁面到耐火磚層內(nèi)表面的溫升，碳化硅表層溫度低于灰渣熔融溫度，有利于固態(tài)渣層的形成，起到“以渣抗渣”的作用，而耐火磚表面溫度有可能高于熔融溫度，從而無(wú)法形成固態(tài)渣層。圖中黑色部分為兩個(gè)爐型的渣層結(jié)構(gòu)中熱阻的主要來(lái)源：根據(jù)工況和高度的不同，水冷壁爐內(nèi)渣層厚度變化范圍為1～10 cm，該變化范圍對(duì)應(yīng)其導(dǎo)熱熱阻約為10-3～10-2m2·K·W-1，說(shuō)明渣層熱阻始終是水冷壁氣化爐熱阻的最主要組成部分；而僅存在液相渣層的耐火磚氣化爐，其渣層厚度從數(shù)毫米變化至約1 cm，渣層的導(dǎo)熱熱阻始終遠(yuǎn)小于耐火磚層和外壁面的自然對(duì)流熱阻。

3 結(jié) 論

對(duì)工業(yè)水冷壁氣化爐內(nèi)熔渣壁面捕捉及流動(dòng)特性進(jìn)行模型研究，主要結(jié)論如下。

（1）煤顆粒粒徑對(duì)于碳轉(zhuǎn)化率和顆粒壁面捕捉具有兩面性：大粒徑顆粒易于被壁面捕捉，利于穹頂渣層和直筒段渣層的形成，但不利于碳轉(zhuǎn)化率的提高；小粒徑顆粒具有高碳轉(zhuǎn)化率，但是下游細(xì)灰的主要來(lái)源，容易加劇下游受熱面和灰黑水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

（2）由于水冷壁氣化爐壁面熱阻小，碳化硅表面溫度低，利于形成固態(tài)渣層保護(hù)碳化硅和水冷壁，起到“以渣抗渣”的作用。

（3）水冷壁出口蒸汽量能快速反映爐內(nèi)渣層厚度及爐溫變化，可以作為監(jiān)視氣化爐運(yùn)行溫度的一種輔助手段。

（4）水冷壁和耐火磚氣化爐壁面熱阻量級(jí)分配存在顯著差異，耐火磚氣化爐爐磚是熱阻的主要組成部分，爐磚表面溫度高，難以形成固態(tài)渣層。

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Modeling slag behavior in membrane wall gasifier

BI Dapeng, ZHAO Yong, GUAN Qingliang, XUAN Weiwei, ZHANG Jiansheng

Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of EducationDepartment of Thermal EngineeringTsinghua UniversityBeijingChina

A slag flow model was developed for the membrane wall gasifier by coupling the 3D gasifier model, the one-dimensional slag model and the particle trap model. The influence of particle behavior and O/C (ratio of oxygen to coal) on slagging of gasifier was demonstrated. Differences between membrane wall gasifier and refractory wall gasifier were shown. The larger particle benefited the capture efficiency and formation of slag layer, while the smaller one favored high carbon conversion. The thermal resistance of solid slag layer accounted for a large proportion in the membrane wall gasifier, thus it could protect silicon carbide layer and membrane wall from thermal corrosion.

slag; flow; gasification; granular flow; particle behavior; thermal resistance

2014-08-29.

Prof. ZHANG Jiansheng, zhang-jsh@tsinghua. edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141321

TQ 54

A

0438—1157（2015）03—0888—08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA05A201）。

2014-08-29收到初稿，2014-10-23收到修改稿。

聯(lián)系人：張建勝。第一作者：畢大鵬（1986—），男，博士研究生。

supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2011AA05A201).