近年来，水冷壁式粉煤气化炉发展迅速，典型代表有Shell、GSP、航天炉、宁煤炉、东方炉等，此类气化炉具有投资额小，单炉生产能力大、耗氧量低、碳转化率高、环境污染小等优点［1－3］。水冷壁式粉煤气化工艺的核心之一是“以渣抗渣”，即采用水冷壁＋耐火材料的结构，使熔融炉渣在气化炉内壁耐火材料上形成固态－熔融态－流动态的复合渣层，通过固态渣将耐火材料与高温熔渣隔离，实现对耐火材料的自保护，从而保证水冷壁的长久高效运行。随着气化炉向炉型大型化、运行高效化、煤种多元化的趋势发展，炉内的操作温度变化更大，高温熔渣的侵蚀性更强，熔渣及高速气体的冲刷更为严重［4－7］。因此，炉衬耐火材料性能的优化，尤其是导热性能的适配，对构建稳定渣层以及实现“以渣抗渣”而言非常重要。

目前，国内水冷壁式气化炉炉衬所用耐火材料多为SiC－Al2 O3质复合材料［8］。面对不同的炉型和工况，现有炉衬的耐火材料已逐渐显现出设计的缺陷和使用性能的不足，难以满足水冷壁式气化炉长周期、高效化运行的要求。为此，本工作中采用有限元分析软件ANSYS 18.2对水冷壁式粉煤气化炉炉衬材料的选择进行了数值模拟研究，探索材料的热导率对渣层结构、水冷系统的影响，以期为炉衬材料的设计和选择提供参考。

1 计算模型的选取

由于气化炉的结构和所受载荷均关于轴向中心对称，温度分布也是如此，可采用局部轴对称的二维模型对其进行简化计算，如图1所示。

  

图1 水冷壁式气化炉炉衬结构Fig.1 Structure of water-cooled-wallgasifier lining

气化炉内工况复杂，温度多变，在模拟计算时对实际工况做了简化及适当的假设，选取适当的参数：

（1）根据国内某气化厂实际应用的经验，选用热导率为8W·（m·K）－1的耐火材料时，渣层总厚度约为20～25 mm。因此，计算中假设挂渣层厚度不变，为25 mm。

稳定性同位素示踪剂主要有18O、15N、13C等。与放射性同位素相比，稳定性同位素具有用量少、对环境和人员无伤害、操作方便和检出精度高等优点。但稳定性同位素示踪剂的检测只能在专业的原子能机构进行，测试程序复杂且价格昂贵，限制了其应用规模。

（3）渣、耐火材料、水冷壁接触无间隙，仅考虑它们之间的热传导。

（2）合成气与炉壁的渣之间传热主要是辐射和对流，文献［9］中通过计算发现水冷壁气化炉渣表面温度仅比气化温度大约低2℃，因此，这里简化为在渣表面上直接加载炉内气化温度。

随着大学生自杀事件频发，学校健康教育问题引起了社会各界的普遍关注[1].一般而言，自杀行为的发生要经历产生自杀意念、拟定自杀计划和实施自杀行动等过程[2].Pokorny等[3]最先从心理学视角对自杀意念进行界定，认为自杀意念是有解决自己生命的想法，但尚未付诸行动；Beck等[4]认为自杀意念是个体有自杀的愿望，但无自杀的尝试行为.肖水源[5]指出自杀意念是评估自杀危险行为的重要指标.

为了保证气化炉的稳定、高效运行，需要利用温度梯度在水冷壁耐火材料上形成稳定的复合渣层，阻止液态熔渣与耐火材料的反应。进行模拟计算时，设水冷壁的冷却管材质为不锈钢，其热导率为35 W·（m·K）－1［10］；国内某厂熔渣的热导率如表 1所示，灰熔融性为：变形温度1 160℃，软化温度1 170℃，半球温度1 190℃，流动温度1 200℃。本模拟中暂不考虑耐火材料组成、显微结构等因素的影响，仅研究耐火材料不同热导率对渣层形成的影响。

 

式中：α1为换热系数，W·m－2·K－1；cp为比定压热容，kJ·（kg·K）－1；λ为热导率，W·（m·K）－1；ρ为密度，kg·m－3；v为速度，m·s－1；μ为动力黏度，Pa·s；d为管道直径，m；єR为弯曲管道修正系数。

（4）耐火材料热导率恒定，不随温度而变化。

（6）水冷管外表面与空气传热包括自然对流换热和辐射换热，空气风速为0，温度为30℃。为方便计算，这两者统一用对流换热系数β表示，其计算公式［11］为：式中：α2为换热系数，W·m－2·K－1；λ为热导率，W·（m·K）－1；l0为炉体高度，m；C、n为常数，取值分别为0.59、0.25；Gr为 Galileo准数；Pr为 Prandtl准数；ω为表面黑度，取0.94；C0为黑体辐射系数，5.669W·m－2·K－4；T w为水冷管表面温度，K；T f为环境温度，取303 K。

 

5.5 鼓励企业提高科研投入 通过科研项目引导企业提升自主创新能力，通过税收、中小企业研发基金等政策增加企业自身科研投入。组织工业领域，甚至军工领域从材料、工艺、设计研究单位、转制企业等方面，共同针对关键技术持续集中攻关，并形成市场化供应能力。

不同植被类型下温室气体排放量不同。如冻融期桦树林N2O的排放量显著低于枫树林[12]，冻融期自然植被N2O排放量低于农田[13]。天然草地中，青藏高原高寒草甸冻融期 N2O 排放量为 6.79mg·m-2，约为 0.68kg·hm-2[14]；估算冻融期温带草原N2O排放量约为0.18kgN·hm-2[15]。研究者认为这可能与不同植被类型的生产力、土壤有机碳累积量等有关。美国新罕布什尔地区季山毛榉、糖槭、黄桦树硬木林土壤非生长季N2O排放的年贡献为11%-41%，德国挪威云杉林高达73%[16]。

2 材料的物性参数

（5）水冷壁内冷却介质温度恒定，流速3.8 m·s－1，温度270℃，其与水冷管的换热系数计算公式［10］为：

 

表1 熔渣的热导率Table 1 Thermal conductivity of slag

  

/℃ 100 400 700 1 000 1 200热导率/［W·（m·K）－1］温度0.54 1.28 1.90 2.63 3.14

3 结果与讨论

渣层厚度为25 mm时，耐火材料热导率和渣层表面温度对各种形态渣层厚度的影响见图4。由图4可见，随着耐火材料热导率的增大，固态渣层厚度逐渐增大，流动渣层和熔融渣层厚度逐渐减薄；随着渣层表面温度的增加，固态渣层和熔融渣层厚度逐渐变薄，流动渣层厚度逐渐增加。

  

图2 水冷壁式气化炉炉衬的温度场Fig.2 Temperature field of water-cooled-wallgasifier lining

  

图3 渣层的温度分布Fig.3 Temperature distribution of slag layer

3.1 耐火材料热导率对渣层厚度的影响

当渣表面温度为1 280℃，渣层厚度为25mm，耐火材料的热导率为8 W·（m·K）－1时，气化炉炉衬的温度场分布见图2，渣层的温度分布见图3。从图2和图3可以看出，温度梯度最大的区域是渣层，水冷管温度最高为488℃，锚固件顶端温度为548℃，耐火材料层最高温度为600℃。渣层基本分为3个部分，固态层（温度低于1 160℃）、熔融层（温度为1 160～1 200℃）、流动层（温度高于1 200℃）。

 

  

图4 耐火材料热导率和渣层表面温度对各形态渣层厚度的影响Fig.4 Effect of thermal conductivity of refractories and slag layer surface temperature on thickness of various slag layers

根据国内某厂气化炉实际开行的经验，炉内操作温度也即渣层表面温度，一般高于流动温度100℃，即1 300℃左右；刚开炉时温度较低，略高于渣的流动温度，不低于1 210℃；开行过程中，工艺可能出现波动，但渣层表面温度一般不超过1 370℃。由图4可见，当渣层表面温度为1 290～1 310℃（即高于流动温度90～110℃）时，耐火材料热导率为2～10 W·（m·K）－1时，对应的流动渣层厚度分别为5.8～7.2、4.8～5.9、4.3～5.2、4.0～4.8和3.8～4.6 mm，固态渣层厚度分别为 15.4～16.7、16.8～17.9、17.7～18.6、18.2～19.0和 18.6～19.3 mm，熔融渣层厚度分别为2.4～2.6、2.1～2.4、2.0～2.2、1.9～2.1和1.7～2.0 mm。由相关研究工作［12］可知，稳定状态下的流动渣层厚度小于4 mm，固态渣层和熔融渣层总厚度为20.7 mm时，渣层整体厚度即可相对稳定，从而保证气化炉在稳定的热损值下正常工作。因此，建议耐火材料的热导率选为8～10W·（m·K）－1，以便获得良好的挂渣层，保证气化炉安全稳定运行。

当渣表面温度为1 370℃时（通常出现在气化炉的高温区或操作负荷异常波动时），计算得出的流动渣层厚度约为8 mm，此温度远高于渣的流动温度，造成流动渣层的黏度低，流动速度加快，实际运行中，会使气化炉炉衬挂渣层变薄，甚至挂渣困难，不能形成良好的保护层，对耐火材料和水冷管的使用会造成潜在的压力，甚至造成事故。

根据ACP100S采用一体化反应堆，内置式直流蒸汽发生器并在海上运行等特点，ACP100S核蒸汽供应系统的控制系统应满足如下要求：

3.2 耐火材料热导率对水冷管极限高温的影响

渣层厚度为25mm，渣层热面温度为1 290℃时，耐火材料热导率对水冷管和渣钉最高温度的影响见图5。从图5看出，随着耐火材料热导率的逐渐增大，水冷管和渣钉的最高温度开始增加，但热导率增至6W·（m·K）－1以后，温度增加不再明显。在本研究计算范围内，水冷管最高温度为481℃，渣钉最高温度为550℃，满足使用要求。

  

图5 耐火材料热导率对渣钉和水冷管温度的影响Fig.5 Effect of thermal conductivity of refractories on temperature of slag nails and water pipes

3.3 渣层厚度对水冷管极限高温的影响

渣层表面温度1 290℃，耐火材料热导率为8W·（m·K）－1时，渣层厚度对水冷管和渣钉最高温度的影响见图6。由图6可见，随着渣层厚度的增大，水冷管和渣钉的最高温度呈现逐渐下降的趋势。按“ASME—ⅡD篇”的规定，水冷壁材料的最高使用温度应低于649℃［13］。当挂渣层厚度低于15 mm时，水冷管处于超温状态，但这可能是刚开炉时的情况，或者是渣层在开行中完全脱落或烧损。若是刚开炉的时候，可通过增大水冷强度和控制点火反应来实现快速挂渣，以保护耐火材料和炉壁结构；若是渣层在开行中完全脱落或烧损，则需要通过降低负荷、降低炉内温度等工艺手段来调整。因此，为保证气化炉水冷壁安全运行，应保证挂渣层厚度在15 mm以上。

  

图6 渣层厚度对渣钉和水冷管温度的影响Fig.6 Effect of slag layer thickness on temperature of slag nails and water pipes

4 结论

（1）气化炉内挂渣层由固态层、熔融层和流动层组成，提高耐火材料的热导率有利于挂渣层的形成。

（2）通过计算可知，冷壁式气化炉应选用热导率为8～10 W·（m·K）－1的耐火材料，在炉内操作温度为1 290～1 310℃时，气化炉炉壁挂渣状态较好。

20世纪90年代以来，新兴发展中国家通过贸易自由化和金融开放在全球经济一体化的进程中扮演着日益重要的角色。国家之间贸易自由化程度的提高和贸易规模的扩大极大地促进了世界经济规模的扩张。而信息技术的迅猛发展、国际资本的迅速膨胀、金融产品的不断创新和市场运行效率的日益提高更是加速了金融自由化和全球化的进程。中国作为仅次于美国的全球第二大经济体，其资本市场发展对世界资本市场的重要作用日益突显。

（3）当炉内已实现正常挂渣厚度（15 mm以上）时，水冷管和渣钉都会在安全温度下正常运行；在挂渣厚度较低的情况下（小于15 mm），渣钉和水冷管有超温的风险。

参考文献

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