水冷壁气化炉熔渣表面形态的几何特性

第58卷第12期化工学Vol.58 No. 122007年12月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)December 2007研究简 报贫水冷壁气化炉熔渣表面形态的几何特性3徐贏，林伟宁，梁钦锋，刘海峰，于遵宏(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)关键词;水冷壁气化炉;熔渣;表面形态;分形理论中圈分类号: TQ 545文献标识码: A文章编号: 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]在石蜡的模拟装置上研究过不同条件下炉引言内熔渣厚度的分布，得出了炉内熔渣厚度的整体分煤炭气化是煤炭洁净利用的重要途径，而气化布规律。贡文政等[6]在小型热模装置上进行了挂渣炉又是煤气化过程中的关键设备。为了更好地适应实验，研究了熔渣在气化炉内的沉积特性，发现炉多煤种尤其是高灰分高灰熔点煤，水冷壁气化炉技内温度越高、煤灰熔点低、火焰长度长时熔渣在炉术的开发和应用是十分必要的。国外的Shell、壁上附着越光滑、覆盖的面积越大。Prenflo、Siemens 等[J气化炉采用的都是水冷壁目前，分形理论已广泛地应用于自然科学领技术。气化炉水冷壁上熔渣的表面形态直接决定着域[14]，通过分维可以描述表面形态特征，发现现气化炉能否持续稳定运行，但是目前国际上对熔渣象背后的规律。本实验在小型热模装置上进行，基的沉积过程、机理及其表面形态的研究都较少。袁于图像处理系统和分形理论对附着在炉璧上的熔渣2007-06-16收到初稿，2007-08-14 收到修改稿.Received date: 2007-06-16.联系人:刘海峰。第一作者:徐赢(1983-),男，硕士。中国煤化工B- mail: hliu@基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2004CB217703);教育部“长江学者与创新团队发展计划”创新:TYHC N M H Gational Basic Research团队项目(IRT0620).Program of China (2004CB217703) and the Program for ChangjiangScholars and Innovative Research Team in University (IRT0620).第12期徐赢等:水冷壁气化炉熔渣表面形态的几何特性●3123●进行了定量分析，得到了温度对粗糙度及分形维数的Java版本。影响的规律。1.3 粗糙度的测量粗糙度描述的是物体表面的起伏程度，常用的1实验测量方法测量方法为表面高度的算术平均偏差或标准差。本.1.1实验 装置及原料文渣层表面高度用图像处理的方法得到。图1是实验所用的小型气化炉，喷嘴置于炉1.3.1图像转换 首 先将RGB Color格式的图片顶，下方是排渣口，炉渣在炉膛内壁上沉积，炉壁转换为8-bit灰度图，图中每个像素对应0~255之上有对置的6根热电偶来检测渣层内部A~F各点间的一个灰度值，测出整张图片的灰度偏差和最大的温度。及最小灰度值。由于图片采集时受噪声干扰不大，nozzle且滤波对分析结果有影响17-18]，因此没有进行降噪处理。thermocouple-l| thermocouple-41.3.2粗糙度许述剑等[92] 在研究腐蚀形貌时做“其1过灰度与实际高度的相关性研究，当起伏在一定范thermocouple-2; VEthermocouple-5flame围内时，两者具有良好的线性相关性。在这里假设图像灰度与高度线性相关，得到渣层某点处的当量thermocouple-3slag-p:高度为hy=g-gmo(i,j= 1,2,3.",n)(1)式中gy、 Bmn和gn分别为点(i , j)处及图中outflow最大和最小灰度值。表面高度的变化情况可以用表图1实验气化炉面粗糙度来表示，表面粗糙度为表面高度的标准差Fig. 1 Lab scale gasifier利用柴油预热到1200C后，投入油渣浆并稳s-六,之(。一的.(2)定燃烧2 h,使炉壁挂渣达到平衡。油渣浆由煤渣.由ImageJ测得的灰度值标准差为与柴油混合制成，渣油比为3: 7,所选煤渣的熔S.ew=/A 2(80-B(3)点温度见表1,其流动温度为1186C.由式(1) ~式(3) 可得到粗糙度与灰度值之表1灰渣组成及熔点温度间的关系为Table 1 Component and fusion temperature of slagS.Main component/%Fusion temperature/C8m-gm(4)SiO2 Al2O3 CaO Fen(h Tp Ts TH Tr1.4 分维的测量43.91 30.45 12.83 7.6311341183 1185 1186分形几何在数学上表示为自相似和自仿射性，Note: Tr-deformation temperature; Ts- - softening temperature;分形维数则定量地描述几何结构的不规则程度。在Tu-emispherical fusion temperature; Tp- fusion termperature不同的领域，分维的物理意义不同。本文用分维描1.2圄像采集及处理图像采集使用的是YAHOO公司的数码摄像述渣层表面灰颗粒的堆积状态。1.4.1围像分割将图像进行分割处理， 得到某头，其采用CMOS感光芯片，自动白平衡设计及.一灰度阈值下的图形，即二值图。如图2所示，高微光感应技术，支持Twain、VFW、Direct Show于特定灰度值的像素点为黑色，低于特定灰度值的等多种格式。气化结束待炉内温度冷却至室温后，像素点为白色。对黑色的“小岛m(20]进行统计得到将摄像探头从炉顶的喷嘴口伸入炉膛内，并由PC机终端上的软件采集各个热电偶处的熔渣图片。图1.4.中国煤化工:法确定熔渣表面像处理和计算所使用的软件为美国国家卫生所CHCNMH(的分尼准双，在卫灿1大尔( National Institute of Health, USA)开发的InP = Dlna+ BInA(5)ImageyJIs] 图形处理软件，ImageJ是NIH Imagel16]●3124 ●化工学报第58卷表2选取不同阈值时的分形维数Table 2 Fractal dimensions of choosing different thresholdThresholdD151.2795751.28(a) untreated551. 26351. 301.32T=_(6)式中T。 为实际温度,C; Tp为流动温度,C。(b) treated2结果和讨论图2处理前后的图像对比2.1 形态分析Fig.2 Comparison between treated and untreated image2.1.1整体形态 炉内 整体形态见图4。从图中式中P和A分别为小岛的周长和面积。由直线可以看出，灰渣较均匀地覆盖了整个内壁。炉顶和斜率就可求出D.炉壁由于靠近喷嘴渣层较厚，炉底渣层较稀松。1.4.3 阂值选择 以图2为例，不同閾值下的处.理效果如图3所示，分形维数见表2，可见所得结果最大只相差0.05。本文选取的灰度阈值为175.(a) body and bottom of gasifier024InA(a) threshold-95, D= 1.32(b) top of gasifier4图4炉内 整体形态Fig. 4 Configuration of inner gasifier2.1.2局部形态实验过程中炉壁 上各监测点的温度变化主要包括升温过程、持续燃烧过程和降温过程(图5)。在持续燃烧过程中，T为1.0、0.9和0.8处温度随着渣层的变厚而有所降低; T=(b) threshold- 215, D= 1.27图3选取不同阈值的处理结果1.1处由于温度较高形成了流动，渣层质量处于动Fig.3 Treated results of choosing dfferent threshold态平衡状态，渣层厚度保持不变，故温度也保持恒中国煤化工:越低。1.5 当量温度CN MH G形态。图中白色为了便于表达熔渣温度与灰熔点之间的关系，亮点为突起的颗粒，黑巴小洞为气孔，由图可以看定义当量温度为出，随着温度的升高，渣的表面形态趋于平滑。.第12期徐贏等:水冷壁气化炉熔渣表面形态的几何特性●3125 ●1500接触到相对温度较低的炉壁后迅速冷凝下来，堆积1200在一起。因此它与炉壁的黏附力不强，结构疏松易900脱落当渣温等于灰熔点(T=1.0) 时，渣层表面.600- -●T=1.0有少量颗粒。在该处炉壁温度虽然已经达到流动温00 t-- T=0.9度，但是熔融的灰渣颗粒从沉积到铺展开需要- -定的..- T=0.80100 200300 400时间，来不及铺展的部分颗粒因此停留在渣层表面。time/min当渣温高于灰熔点(T=1.1)时，渣层表面图5渣层内 部温度变化曲线几乎没有颗粒。在该温度下，整幅图像各点灰度值Fig.5 Temperature curve of inner slag layer比较接近，形态较平滑。平滑的挂渣表面是水冷壁气化炉内希望出现的稳定状态，此时的壁面渣层质量能够达到动态平衡。因此T≥1.1是较为理想的操作温度。2.2表 面粗糙度图7为各温度下熔渣的表面粗糙度分布。由图可以看出，T=0.9时的粗糙度达到最高，说明此(a) T=1.1时的表面形态最混乱，不利于气化炉稳定运行。因此在气化炉操作中应避免出现操作温度低于流动温度的情况出现，否则将会引起颗粒堆积，甚至出现掉渣等情况。当T=1.1时粗糙度s达到最小.值0. 052。0.20-0.15(b) T-1.0”0.100.050.80.9 1.0.1图7表面粗糙度随温度变化曲线Fig.7 Variety of surface roughness with temperature(o) T-0.92.3分形研究图8为各温度点挂渣在相同阀值(175) 下表面分维的结果。可以看出，低于灰熔点时分维数分形别为1.44和1.45，等于或高于灰熔点时分形维数分别为1.34和1.26.说明温度越高分形维数越小，其表面形态越趋于平滑与稳定，与粗糙度分析(d) T-0.8的结果相符。由此可见，分形维数越大，则堆积情况越复杂，粗糙度也随之增大;反之，高度越高，图6炉壁熔渣的外部形态则边界情况越复杂。由图9可以看出，随着温度的Fig.6 Surface characterstics of slag升高中国煤化工个转折点，说明当渣温低于灰熔点(T=0.8及T=0.9)时，操作MHCNMHC开始在炉壁表面炉壁上均匀分布着许多小颗粒。由于远离喷嘴，该铺展， 而婴达到完全铺展的程度，则当量温度需要处炉膛温度与火焰温度相差较大，熔融的灰渣颗粒达到1.1.化工学报第58卷6厂操作温度高于流动温度。D-1.44D=1.454tReferences[1] Zuideveld P L Overview of Shell Gasification Projects.Noordwijk; Shell Global Solutions, 2002[2] Shell Development Company. Shell Coal Gasification0Project- Gasification of Eleven Diverse Feeds. USA:InA(a) T=0.8(b) T=0.9Electric Power Research Institute, 1992[3] Lancha A M, de Lara M A, Gomez-Briceno D, Coca P.ELCOGAS IGCC power plant in Spain: efet of the gasifierD=1.34D=1.26environment on the high alloy steel performance. Materialsat High Temperatures, 2003, 20 (1); 75-83自。 |[4] Wllim A Sowa, Paul 0 Hedman, L Dougles Smoo. Thesensitivity of entraine-low coal gasification diffusion burnerto changes in geometry. Fuel, 1992, 71: 593-604[5] Yuan Hongyu (襄宏宇), Qu Haigen (瞿海根)，Ren(c) T=1.0(d) T=1.1Haiping (任海平)，Wang Fuchen (王辅臣)，Yu Zunhong(于遵宏). An experimental study of slag deposit in the图8不同温度下 分形维数的计算entrained-tlow gsifer. Journal of East China UniversityFig. 8 Fractal dimension calculationof Science and Technology ; Natural Science Editiom(华东at different temperature理工大学学报:自然科学版)，2005, 31 (3); 393-3971.6[6] Gong Wenzheng (贾文政)，Duan Helong (段合龙)，Liang Qinfeng (梁钦锋)，Liu Haifeng (刘海峰)，Yu1.4Zunhong (于遵宏)。Experimental study of slag deposit onawater wall in the entrained-low gasifier. Coal Conversion1.2(媒炭转化)，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图9分形维数随温度变化曲线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结论IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, 1984, 6 (6); 661-673(1)本文对实验室装置气化炉内挂渣的情况进[10] SimpsonGJ, Sedin D L, Rowlen K L. Surlace roughness行了定性及定量的分析，利用图像钦件ImageJ进by contact versus tapping mode atomic force microscopy.行了位图的分析，并提出了当量温度的概念。.Langmuir, 1999,15 (4): 1429-1434(2)渣层的表面粗糙度随着温度的升高有先上[11]Bocatti s, GrebogiC, Lai YC, Mancini H, Maza D.升后下降的趋势。在T=0.9处，渣层表面最粗The control of chaos; theory and applications. Physics糙，在T=1.1或温度更高处，渣层表面较平滑。Reports-Review Section of Physics Letters, 2000, 329因此气化炉的最佳操作温度应该是稍高于流动(3); 103-197温度。[12] Broseta D, Barre L, Vizika O, Shahidzadeh N, GuilbaudJ P. Lyonnard S. Capillary condensation in a fractal porous(3)对渣层表面颗粒的分布进行了分形研究，2001，86 (23):得到了分形维数。分形维数与当量温度的关系分为中国煤化工”两个阶段: T≤0.9 时分形维数分别为1.44 和.[13]MYHC N M H Geation of "Iocel" surface1.45, T为1.0和1.1时分形维数分别降至1.34 .orientation: theory and experiment. Joumnal of Physical和1.26。灰渣颗粒要达到完全铺展的程度也需要Chemistry, 1999， 103 (9); 1525-1531第12期徐赢等:水冷壁气化炉熔渣表面形态的几何特性●3127●[14] Falconer K. Fractal Geometry. New York: John Wiley and [18] Chen T, MaK K, Chen L H. Tri-state median filter forSons, 1998image denoising. IEEE Transactions on Image Processing.[15] Abramoff M D, MagelhaesPJ, Ram SJ. Image processing1999, 8 (12): 1834-1838with ImageJ. Biophotonis International, 2004， 11 (7);[19]Xu Shujian (许述剑), Weng Yongi (翁永基)。Relativity36-42between image grayscale and corrosion characteristics.[16]Gatin CL，Schaberg E s, Jordan W H. Point counting onJournal of Chinese Society for Corrosion and Protetionthe Macintosh; a seniautomated image analysis technique.(中国腐蚀与防护学报)，2006, 26 (6); 321-324Anal. Quant, Cytol, Histol, 1993， 15 (5); 345-350[20]Chu Wuyang (褚武扬)。The Fractal in Material Science[17] Buades A, Coll B, Morel J M. The staircasing effect in(材料科学中的分形)。Beiig Chemical Industryneighborbood filters and its solution. IEEE Transactions onPress, 2004Image Proessng, 2006, 15 (6): 1499-1505中国煤化工MYHCNMHG