DOC《闪速炉反应塔壁面挂渣机理研究》

l为特征长度(m);

Nu为努塞尔数;

Re为雷诺数;

Pr为普朗特数;

Gr为格拉晓夫数;

Cb为黑体辐射系数(5.67 W・m-2・K-4);

εg和εw分别为气体和壁面的黑度;

Tg为炉内烟气温度(K);

Tw、Ta、Twa分别为炉内壁面、炉外空气和炉外壁面的温度(K). 反应塔炉内烟气温度为tg=1 300~1

500 ℃,无特别说明本研究中烟气温度Tg=1

673 K.炉内壁面挂渣时,炉内壁面温度为挂渣的相变温度,即Tw=Tm.闪速炉反应塔壁面挂渣的相变温度[4]为:tm=1 140~1

260 ℃,无特别说明本研究中相变温度Tm=1

473 K.挂渣层水套壁面的边界条件为第一类边界条件[5],Twc=517 K.

2 结果与分析 2.1 镁铬砖壁面挂渣 镁铬砖作为反应塔炉衬,由于镁铬砖的热阻较大,镁铬砖壁面的温度较高.如果该壁面温度小于挂渣相变温度,壁面将形成挂渣,否则壁面没有挂渣形成.在镁铬砖炉衬厚度250 mm,炉外壁与空气辐射、自然对流换热的情况下,利用本研究的计算模型,得到镁铬砖壁面的温度为1

372 ℃.该温度大于挂渣的相变温度,炉衬内壁没有挂渣形成.炉外壁与空气辐射、自然对流换热的情况下,壁面形成挂渣的镁铬砖临界厚度为13.5 mm.此时,炉壁钢板的最高温度已达890 ℃,单纯的镁铬砖壁面形成挂渣是不现实的. 2.2 喷淋冷却挂渣 在炉外壁喷淋强制冷却的情况下,欲使镁铬砖壁面挂渣,镁铬砖的临界厚度为48.8 mm.此时,炉壁钢板的最高温度为103 ℃,钢壳处在安全工作温度范围.镁铬砖临界厚度与挂渣相变温度和炉内烟气温度的关系如图2所示.镁铬砖临界厚度随相变温度的升高而增大,并且增大的速度越来越大.镁铬砖临界厚度随烟气温度的升高而减小,并且减小的速度越来越慢.通过提高挂渣相变温度和降低烟气温度来增大镁铬砖临界厚度是有效的,烟气温度与挂渣相变温度的温差越小,挂渣越容易在喷淋冷却的镁铬砖壁面形成. 图2 镁铬砖临界厚度与挂渣相变温度(a)和炉内烟气温度(b)的关系 Fig.2 Relationship between critical thickness of Mg-Cr bricks and phase-transition temperature of adhering slag (a) and temperature of exhaust gas (b) 2.3 水套壁面挂渣 由于水套的高导热性能,水套壁面温度很低,远远低于挂渣的相变温度,所以水套壁面肯定有挂渣的形成.挂渣厚度与挂渣相变温度、炉内烟气温度、挂渣导热系数的关系如图3所示. 图3 挂渣厚度与挂渣相变温度(a)、炉内烟气温度(b)、挂渣导热系数(c)的关系 Fig.3 Relationship between thickness of adhering slag and phase-transition temperature of adhering slag (a), temperature of exhaust gas (b), and thermal conductivity (c) 从图3可以看出,挂渣厚度随相变温度的升高而增大,并且增大的速度越来越快.挂渣厚度随着烟气温度的升高而减小,并且减小的速度越来越慢.通过提高挂渣相变温度和降低烟气温度来增大挂渣厚度是有效的,烟气温度与挂渣相变温度的温差越小,挂渣越厚.挂渣厚度随着挂渣导热系数的升高而增大,并且呈线性关系.

3 结论与展望 1)镁铬砖炉衬壁面难以形成挂渣,仅仅采用高档优质的耐火材料和加厚镁铬砖厚度对提高反应塔寿命是不够的. 2)采用喷淋冷却的方式,壁面挂渣的耐火砖临界厚度较小;

采用水套冷却的方式,水套壁面总是能够形成挂渣. 3)降低炉内烟气温度、提高挂渣相变温度和提高渣的导热系数能够促进挂渣的形成,增加挂渣层的厚度. 参考文献 [1] 《有色冶金炉设计手册》编委会. 有色冶金炉设计手册[M]. 北京:冶金工业出版社,2009:607. [2] 杨世民,陶文铨. 传热学[M]. 北京:高等教育出版社,2005:29. [3] 唐谟堂. 冶金设备基础:传递原理及物料输运[M]. 长沙:中南大学........