熔渣流动与传热特性是影响气流床气化炉安全、稳定运行的重要因素。本文从壁面熔渣传质与传热过程出发建立了熔渣流动与传热模型,以及壁面熔渣停留时间计算模型,分析了操作条件和煤渣物性等因素对渣层流动与传热特性的影响。针对气化炉的安全及长周期稳定运行,探讨了炉内渣层动态响应特征及对可能造成气化炉烧蚀和堵渣的因素进行分析,对提高气化炉运行的安全性具有理论支撑和合理指导意义。本文主要研究内容包括:1.分别建立了气流床气化炉内直段和锥段壁面熔渣稳态条件下的流动与传热模型。基于壁面熔渣竖直二维截面每一层渣单元的传质与传热规律,建立了稳态时熔渣流动与传热过程的基础模型。由于气化炉结构原因锥段上熔渣流动存在面积收缩或扩张过程,因此建模时需考虑多维流动特征。此外,根据液态渣层流运动的假设,采用示踪单元法建立了熔渣停留时间预测模型。2.根据直段熔渣流动与传热模型预测得到气化炉渣层特性,包括渣层厚度、液态渣流速、渣层热流密度及壁面熔渣停留时间分布。结果表明直段液态渣层厚度沿着熔渣流动方向逐渐增厚,液态渣流速从内到外从上到下逐渐增大,而固态渣层厚度和渣层热流密度则与温度分布和沉积量有关。根据工业气化炉蒸汽产量计算得到的渣层热流密度和本文模型计算结果接近,说明模型结果可靠。另外,壁面熔渣平均停留时间约为100～500 s,且随煤灰含量的增加而降低,随煤渣临界粘度的增大而延长。采用一个PFR串联一个近似层流反应器模型来模拟熔渣流动,两者RTD曲线吻合良好,并且分析了不同RTD曲线模型参数与操作条件之间的关系。3.通过锥段熔渣流动与传热模型分析了锥段渣层特性与锥角的关系。结果表明上锥段渣层平均厚度随着锥角的增加先变薄后增厚,SiC表面温度随锥角的增加先增大后减小,但变化幅度很小。下锥段渣层厚度随锥角的增加而变厚,而SiC表面温度和渣层热流密度随锥角的增加而减小。此外,锥段总传热量和液态渣平均流速随锥角的增加有明显的降低。本文还研究了气化炉运行安全问题,一方面上锥段SiC表面平均温度受气化炉操作温度影响很大,因此运行时应注意控制气化炉操作温度不要太高,以防耐火衬里烧蚀;另一方面排渣口渣层厚度随距临界温度的降低而显著增厚,因此建议排渣温度要高于煤渣临界温度50 K以上以防堵渣。4.建立了熔渣流动与传热过程动态响应模型,采用刚性问题求解方法进行计算,得到渣层特性随操作条件变化的动态结果。当煤灰含量瞬间增加时,渣层厚度快速增厚后趋于稳定,SiC表面温度和渣层热流密度都快速降低后趋于稳定,而煤灰含量瞬间降低时渣层特性变化趋势相反。当气化炉操作温度瞬间升高后,渣层厚度快速变薄后趋于稳定,SiC表面温度和渣层热流密度与厚度变化趋势相反;当气化炉操作温度瞬间降低后,渣层厚度先减薄后增厚,而SiC表面温度与渣层热流密度先增大后减小,最后都趋于稳定。当气化炉操作温度成周期性变化时,渣层特性也成周期变化,且两者频率相近。但是渣层特性振幅随操作温度振幅的增大而增大,随着操作温度频率的增大而减小,而且不同的渣层特性无量纲振幅受操作温度振幅和频率影响变化趋势一致。5.分析了煤渣物性对渣层流动与传热特性的影响。通过显微镜观察到工业炉渣为多孔结构并测得孔隙率,推测出熔渣为含气泡的非均相物质,气泡体积分数就是煤渣孔隙率。结合气泡对煤渣物性影响的子模型探究了气泡的存在对渣层特性的影响。结果表明存在气泡时,熔渣有效导热系数和有效粘度都有所降低,液态渣流速增加了约22%,液态渣渣层厚度降低了 10%。由于工业气化炉蒸汽产量计算所得到的渣层平均热流密度与Maxwell-Eucken模型结果更接近,因此认为Maxwell-Eucken模型更适合本文煤渣。此外,由于大部分文献采用绝对粘度作为液-固渣界面判据而没有探讨合理性,通过本文计算发现熔渣粘温曲线越平滑液-固渣界面粘度对渣层特性影响越大,因此,对于结晶型渣可以采用临界粘度作为液-固渣界面粘度,而对于其他渣型则建议定义100 Pa·s为界面粘度。