Shell煤气化炉水冷壁煤灰渣破碎脱离特性研究

摘要

Shell煤气化工艺(SCGP)有诸多优点，也得到很大的推广与应用，但同时也存在许多问题，特别是合成气冷却器积灰问题，致使水冷壁表面腐蚀，冷却器传热效率降低，对工艺造成安全危害。在各种除灰方式中机械振打除灰方式可以适应高温高压的复杂环境并且可以有较高的除灰效率。本文以振打除灰为研究背景，运用实验手段和数值计算方法，探究了煤灰颗粒从壁面上冷态脱落的机理与过程，为后续的热态脱落实验或是煤灰脱落破碎的微观研究提供了一种研究思路和方法，也为振打除灰装置的设计提供理论基础。
　　首先，分析了煤灰颗粒在炉内的受力情况，包括煤灰颗粒在流场中的作用力，煤灰颗粒之间的作用力，壁面与煤灰颗粒之间的作用力；介绍了振打除灰的作用机理，要将吸附在壁面上煤灰颗粒从壁面上脱落下来，要满足两个条件，即要通过振打提供外力使煤灰颗粒受到的法向外力大于其受到的法向吸附力或是切向力大于其受到的摩擦力，据此建立了煤灰脱落的力学模型。
　　其次，自主设计了一套振打除灰的实验系统，系统包括振打冲击单元、煤灰层模型单元、监测测量单元；观察总结了煤灰脱落的现象，并探究了不同大小冲击力以及不同煤灰层厚度对振打除灰实煤灰脱落破碎的影响。结果表明在小冲击力作用下，煤灰脱落呈现“分层现象”和“分阶段现象”，并且冲击力越大，阶段之间界限越模糊，而在大冲击力作用下这种现象不明显；冲击力越大，煤灰颗粒脱落的质量越靠近前几次振打冲击；相同的振打冲击力作用下，煤灰层厚度越大，脱落的煤灰质量越集中于前几次冲击；最小有效冲击力和最大有效从冲击力均随煤灰厚度的增加而较小。
　　最后，对金属板与煤灰层结构在冲击作用下的结构响应进行了数值计算，进而分析了煤灰层特性和振打方式对煤灰脱落的影响。计算结果表明：结构的响应是纵向振动和横向振动的叠加；当载荷频率为10Hz、68Hz、86Hz和172Hz时，结构响应较大，其中当频率为68Hz时响应最大，对煤灰脱落最有利；煤灰层厚度和密度分别增加时，结构的最大位移响应，最大速度响应以及最大加速度均变小；另外，冲击时间增加时，结构的最大位移响应增加，最大速度响应和最大加速度均减小；其中，振打冲击的冲击时间对煤灰脱落影响最大，其次是煤灰层厚度，煤灰密度相对影响最小。

目录

声明

第 1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 Shell煤气化技术概述

1.3 积灰机理研究进展

1.4 机械振打除灰的实现与研究现状

1.5煤灰积灰问题的实验研究现状

1.6本文研究的主要内容，方法及意义

第 2章 振打除灰的力学建模及实验设计

2.1煤灰颗粒的受力分析

2.2机械振打除灰机理及力学模型

2.3实验设计

2.4本章小结

第3章 振打除灰实验

3.1实验内容

3.2实验步骤

3.3煤灰脱落过程

3.4小冲击力振打实验

3.5大冲击力振打实验

3.6本章结论

第4章 振打除灰的动力学分析

4.1振打除灰的动力学理论分析

4.2振打除灰数值模拟

4.3煤灰层特性对结构响应的影响

4.4振打方式对平板结构响应的影响

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1总结

5.2创新点

5.3展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢