水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性

第58卷第12期化工學(xué)Vol.58 No. 122007年12月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)December 2007研究簡(jiǎn) 報貧水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性3徐贏(yíng)，林偉寧，梁欽鋒，劉海峰，于遵宏(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海200237)關(guān)鍵詞;水冷壁氣化爐;熔渣;表面形態(tài);分形理論中圈分類(lèi)號: TQ 545文獻標識碼: A文章編號: 0438-1157 (2007) 12-3122-06Geometric characteristics of slag surface in water cooled wall gasifierXU Ying, LIN Weining, LIANG Qinfeng, LIU Haifeng, YU Zunhong(Institute of Clean Coal Technology, Key Laboratory of Coal Gasification , Ministry of Education ,East China University of Science and Technology，Shanghai 200237, China)Abstract: The test of slagging on water cooled wall was performed in a lab-scale entrained-flowgasifier. The gasifier' s slag surface morphology at different temperatures was studied and analyzedquantitatively. The equivalent temperature (T) was proposed, which was the ratio of slag real temperatureand ash fusion temperature. The slag surface roughness was obtained by using ImageJ image analysissoftware. The slag surface was smoother when T> 1.0 than that of T< 1. 0. Using fractal theory, thegeometric characteristics of slag surface were quantitatively shown by fractal dimensions, and therelationship between equivalent temperature and fractal dimensions was found. The results showed that thewhole spread of molten slag particles required T be greater than 1. 0 too.Key words: water cooled wall gasifier; slag; surface morphology; fractal theory宏字等[5]在石蠟的模擬裝置上研究過(guò)不同條件下?tīng)t引言?xún)热墼穸鹊姆植?，得出了爐內熔渣厚度的整體分煤炭氣化是煤炭潔凈利用的重要途徑，而氣化布規律。貢文政等[6]在小型熱模裝置上進(jìn)行了掛渣爐又是煤氣化過(guò)程中的關(guān)鍵設備。為了更好地適應實(shí)驗，研究了熔渣在氣化爐內的沉積特性，發(fā)現爐多煤種尤其是高灰分高灰熔點(diǎn)煤，水冷壁氣化爐技內溫度越高、煤灰熔點(diǎn)低、火焰長(cháng)度長(cháng)時(shí)熔渣在爐術(shù)的開(kāi)發(fā)和應用是十分必要的。國外的Shell、壁上附著(zhù)越光滑、覆蓋的面積越大。Prenflo、Siemens 等[J氣化爐采用的都是水冷壁目前，分形理論已廣泛地應用于自然科學(xué)領(lǐng)技術(shù)。氣化爐水冷壁上熔渣的表面形態(tài)直接決定著(zhù)域[14]，通過(guò)分維可以描述表面形態(tài)特征，發(fā)現現氣化爐能否持續穩定運行，但是目前國際上對熔渣象背后的規律。本實(shí)驗在小型熱模裝置上進(jìn)行，基的沉積過(guò)程、機理及其表面形態(tài)的研究都較少。袁于圖像處理系統和分形理論對附著(zhù)在爐璧上的熔渣2007-06-16收到初稿，2007-08-14 收到修改稿.Received date: 2007-06-16.聯(lián)系人:劉海峰。第一作者:徐贏(yíng)(1983-),男，碩士。中國煤化工B- mail: hliu@基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項目(2004CB217703);教育部“長(cháng)江學(xué)者與創(chuàng )新團隊發(fā)展計劃”創(chuàng )新:TYHC N M H Gational Basic Research團隊項目(IRT0620).Program of China (2004CB217703) and the Program for ChangjiangScholars and Innovative Research Team in University (IRT0620).第12期徐贏(yíng)等:水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性●3123●進(jìn)行了定量分析，得到了溫度對粗糙度及分形維數的Java版本。影響的規律。1.3 粗糙度的測量粗糙度描述的是物體表面的起伏程度，常用的1實(shí)驗測量方法測量方法為表面高度的算術(shù)平均偏差或標準差。本.1.1實(shí)驗 裝置及原料文渣層表面高度用圖像處理的方法得到。圖1是實(shí)驗所用的小型氣化爐，噴嘴置于爐1.3.1圖像轉換 首 先將RGB Color格式的圖片頂，下方是排渣口，爐渣在爐膛內壁上沉積，爐壁轉換為8-bit灰度圖，圖中每個(gè)像素對應0~255之上有對置的6根熱電偶來(lái)檢測渣層內部A~F各點(diǎn)間的一個(gè)灰度值，測出整張圖片的灰度偏差和最大的溫度。及最小灰度值。由于圖片采集時(shí)受噪聲干擾不大，nozzle且濾波對分析結果有影響17-18]，因此沒(méi)有進(jìn)行降噪處理。thermocouple-l| thermocouple-41.3.2粗糙度許述劍等[92] 在研究腐蝕形貌時(shí)做“其1過(guò)灰度與實(shí)際高度的相關(guān)性研究，當起伏在一定范thermocouple-2; VEthermocouple-5flame圍內時(shí)，兩者具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性。在這里假設圖像灰度與高度線(xiàn)性相關(guān)，得到渣層某點(diǎn)處的當量thermocouple-3slag-p:高度為hy=g-gmo(i,j= 1,2,3.",n)(1)式中g(shù)y、 Bmn和gn分別為點(diǎn)(i , j)處及圖中outflow最大和最小灰度值。表面高度的變化情況可以用表圖1實(shí)驗氣化爐面粗糙度來(lái)表示，表面粗糙度為表面高度的標準差Fig. 1 Lab scale gasifier利用柴油預熱到1200C后，投入油渣漿并穩s-六,之(。一的.(2)定燃燒2 h,使爐壁掛渣達到平衡。油渣漿由煤渣.由ImageJ測得的灰度值標準差為與柴油混合制成，渣油比為3: 7,所選煤渣的熔S.ew=/A 2(80-B(3)點(diǎn)溫度見(jiàn)表1,其流動(dòng)溫度為1186C.由式(1) ~式(3) 可得到粗糙度與灰度值之表1灰渣組成及熔點(diǎn)溫度間的關(guān)系為T(mén)able 1 Component and fusion temperature of slagS.Main component/%Fusion temperature/C8m-gm(4)SiO2 Al2O3 CaO Fen(h Tp Ts TH Tr1.4 分維的測量43.91 30.45 12.83 7.6311341183 1185 1186分形幾何在數學(xué)上表示為自相似和自仿射性，Note: Tr-deformation temperature; Ts- - softening temperature;分形維數則定量地描述幾何結構的不規則程度。在Tu-emispherical fusion temperature; Tp- fusion termperature不同的領(lǐng)域，分維的物理意義不同。本文用分維描1.2圄像采集及處理圖像采集使用的是YAHOO公司的數碼攝像述渣層表面灰顆粒的堆積狀態(tài)。1.4.1圍像分割將圖像進(jìn)行分割處理， 得到某頭，其采用CMOS感光芯片，自動(dòng)白平衡設計及.一灰度閾值下的圖形，即二值圖。如圖2所示，高微光感應技術(shù)，支持Twain、VFW、Direct Show于特定灰度值的像素點(diǎn)為黑色，低于特定灰度值的等多種格式。氣化結束待爐內溫度冷卻至室溫后，像素點(diǎn)為白色。對黑色的“小島m(20]進(jìn)行統計得到將攝像探頭從爐頂的噴嘴口伸入爐膛內，并由PC機終端上的軟件采集各個(gè)熱電偶處的熔渣圖片。圖1.4.中國煤化工:法確定熔渣表面像處理和計算所使用的軟件為美國國家衛生所CHCNMH(的分尼準雙，在衛燦1大爾( National Institute of Health, USA)開(kāi)發(fā)的InP = Dlna+ BInA(5)ImageyJIs] 圖形處理軟件，ImageJ是NIH Imagel16]●3124 ●化工學(xué)報第58卷表2選取不同閾值時(shí)的分形維數Table 2 Fractal dimensions of choosing different thresholdThresholdD151.2795751.28(a) untreated551. 26351. 301.32T=_(6)式中T。 為實(shí)際溫度,C; Tp為流動(dòng)溫度,C。(b) treated2結果和討論圖2處理前后的圖像對比2.1 形態(tài)分析Fig.2 Comparison between treated and untreated image2.1.1整體形態(tài) 爐內 整體形態(tài)見(jiàn)圖4。從圖中式中P和A分別為小島的周長(cháng)和面積。由直線(xiàn)可以看出，灰渣較均勻地覆蓋了整個(gè)內壁。爐頂和斜率就可求出D.爐壁由于靠近噴嘴渣層較厚，爐底渣層較稀松。1.4.3 閡值選擇 以圖2為例，不同閾值下的處.理效果如圖3所示，分形維數見(jiàn)表2，可見(jiàn)所得結果最大只相差0.05。本文選取的灰度閾值為175.(a) body and bottom of gasifier024InA(a) threshold-95, D= 1.32(b) top of gasifier4圖4爐內 整體形態(tài)Fig. 4 Configuration of inner gasifier2.1.2局部形態(tài)實(shí)驗過(guò)程中爐壁 上各監測點(diǎn)的溫度變化主要包括升溫過(guò)程、持續燃燒過(guò)程和降溫過(guò)程(圖5)。在持續燃燒過(guò)程中，T為1.0、0.9和0.8處溫度隨著(zhù)渣層的變厚而有所降低; T=(b) threshold- 215, D= 1.27圖3選取不同閾值的處理結果1.1處由于溫度較高形成了流動(dòng)，渣層質(zhì)量處于動(dòng)Fig.3 Treated results of choosing dfferent threshold態(tài)平衡狀態(tài)，渣層厚度保持不變，故溫度也保持恒中國煤化工:越低。1.5 當量溫度CN MH G形態(tài)。圖中白色為了便于表達熔渣溫度與灰熔點(diǎn)之間的關(guān)系，亮點(diǎn)為突起的顆粒，黑巴小洞為氣孔，由圖可以看定義當量溫度為出，隨著(zhù)溫度的升高，渣的表面形態(tài)趨于平滑。.第12期徐贏(yíng)等:水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性●3125 ●1500接觸到相對溫度較低的爐壁后迅速冷凝下來(lái)，堆積1200在一起。因此它與爐壁的黏附力不強，結構疏松易900脫落當渣溫等于灰熔點(diǎn)(T=1.0) 時(shí)，渣層表面.600- -●T=1.0有少量顆粒。在該處爐壁溫度雖然已經(jīng)達到流動(dòng)溫00 t-- T=0.9度，但是熔融的灰渣顆粒從沉積到鋪展開(kāi)需要- -定的..- T=0.80100 200300 400時(shí)間，來(lái)不及鋪展的部分顆粒因此停留在渣層表面。time/min當渣溫高于灰熔點(diǎn)(T=1.1)時(shí)，渣層表面圖5渣層內 部溫度變化曲線(xiàn)幾乎沒(méi)有顆粒。在該溫度下，整幅圖像各點(diǎn)灰度值Fig.5 Temperature curve of inner slag layer比較接近，形態(tài)較平滑。平滑的掛渣表面是水冷壁氣化爐內希望出現的穩定狀態(tài)，此時(shí)的壁面渣層質(zhì)量能夠達到動(dòng)態(tài)平衡。因此T≥1.1是較為理想的操作溫度。2.2表 面粗糙度圖7為各溫度下熔渣的表面粗糙度分布。由圖可以看出，T=0.9時(shí)的粗糙度達到最高，說(shuō)明此(a) T=1.1時(shí)的表面形態(tài)最混亂，不利于氣化爐穩定運行。因此在氣化爐操作中應避免出現操作溫度低于流動(dòng)溫度的情況出現，否則將會(huì )引起顆粒堆積，甚至出現掉渣等情況。當T=1.1時(shí)粗糙度s達到最小.值0. 052。0.20-0.15(b) T-1.0”0.100.050.80.9 1.0.1圖7表面粗糙度隨溫度變化曲線(xiàn)Fig.7 Variety of surface roughness with temperature(o) T-0.92.3分形研究圖8為各溫度點(diǎn)掛渣在相同閥值(175) 下表面分維的結果?？梢钥闯?，低于灰熔點(diǎn)時(shí)分維數分形別為1.44和1.45，等于或高于灰熔點(diǎn)時(shí)分形維數分別為1.34和1.26.說(shuō)明溫度越高分形維數越小，其表面形態(tài)越趨于平滑與穩定，與粗糙度分析(d) T-0.8的結果相符。由此可見(jiàn)，分形維數越大，則堆積情況越復雜，粗糙度也隨之增大;反之，高度越高，圖6爐壁熔渣的外部形態(tài)則邊界情況越復雜。由圖9可以看出，隨著(zhù)溫度的Fig.6 Surface characterstics of slag升高中國煤化工個(gè)轉折點(diǎn)，說(shuō)明當渣溫低于灰熔點(diǎn)(T=0.8及T=0.9)時(shí)，操作MHCNMHC開(kāi)始在爐壁表面爐壁上均勻分布著(zhù)許多小顆粒。由于遠離噴嘴，該鋪展， 而嬰達到完全鋪展的程度，則當量溫度需要處爐膛溫度與火焰溫度相差較大，熔融的灰渣顆粒達到1.1.化工學(xué)報第58卷6廠(chǎng)操作溫度高于流動(dòng)溫度。D-1.44D=1.454tReferences[1] Zuideveld P L Overview of Shell Gasification Projects.Noordwijk; 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Journal of East China UniversityFig. 8 Fractal dimension calculationof Science and Technology ; Natural Science Editiom(華東at different temperature理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版)，2005, 31 (3); 393-3971.6[6] Gong Wenzheng (賈文政)，Duan Helong (段合龍)，Liang Qinfeng (梁欽鋒)，Liu Haifeng (劉海峰)，Yu1.4Zunhong (于遵宏)。Experimental study of slag deposit onawater wall in the entrained-low gasifier. Coal Conversion1.2(媒炭轉化)，2006， 29 (4): 21-28[7] Mandelbrot B B. The Fractal Geometry of Nature. San1.0Francisco: Freeman, 198.80.9 1..1T[8] Radlinski A P, Radlinska E Z, Agamalian M, Wignall G圖9分形維數隨溫度變化曲線(xiàn)D, Lindner P, Randl 0 G. Fractal geometry of rocks.Fig. 9 Variety of fractal dimension with temperaturePhysical Revierw Letters, 1999, 82 (15): 3078 3081[9] Penland A P. Fraca-based decription of naturl sces.3結論IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, 1984, 6 (6); 661-673(1)本文對實(shí)驗室裝置氣化爐內掛渣的情況進(jìn)[10] SimpsonGJ, Sedin D L, Rowlen K L. Surlace roughness行了定性及定量的分析，利用圖像欽件ImageJ進(jìn)by contact versus tapping mode atomic force microscopy.行了位圖的分析，并提出了當量溫度的概念。.Langmuir, 1999,15 (4): 1429-1434(2)渣層的表面粗糙度隨著(zhù)溫度的升高有先上[11]Bocatti s, GrebogiC, Lai YC, Mancini H, Maza D.升后下降的趨勢。在T=0.9處，渣層表面最粗The control of chaos; theory and applications. Physics糙，在T=1.1或溫度更高處，渣層表面較平滑。Reports-Review Section of Physics Letters, 2000, 329因此氣化爐的最佳操作溫度應該是稍高于流動(dòng)(3); 103-197溫度。[12] Broseta D, Barre L, Vizika O, Shahidzadeh N, GuilbaudJ P. Lyonnard S. Capillary condensation in a fractal porous(3)對渣層表面顆粒的分布進(jìn)行了分形研究，2001，86 (23):得到了分形維數。分形維數與當量溫度的關(guān)系分為中國煤化工”兩個(gè)階段: T≤0.9 時(shí)分形維數分別為1.44 和.[13]MYHC N M H Geation of "Iocel" surface1.45, T為1.0和1.1時(shí)分形維數分別降至1.34 .orientation: theory and experiment. Joumnal of Physical和1.26?；以w粒要達到完全鋪展的程度也需要Chemistry, 1999， 103 (9); 1525-1531第12期徐贏(yíng)等:水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性●3127●[14] Falconer K. Fractal Geometry. New York: John Wiley and [18] Chen T, MaK K, Chen L H. 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