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 報貧水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性3徐贏，林偉寧，梁欽鋒，劉海峰，于遵宏(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點實驗室，上海200237)關(guān)鍵詞;水冷壁氣化爐;熔渣;表面形態(tài);分形理論中圈分類號: TQ 545文獻標(biāo)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不同條件下爐引言內(nèi)熔渣厚度的分布，得出了爐內(nèi)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(guī)律。貢文政等[6]在小型熱模裝置上進行了掛渣爐又是煤氣化過程中的關(guān)鍵設(shè)備。為了更好地適應(yīng)實驗，研究了熔渣在氣化爐內(nèi)的沉積特性，發(fā)現(xiàn)爐多煤種尤其是高灰分高灰熔點煤，水冷壁氣化爐技內(nèi)溫度越高、煤灰熔點低、火焰長度長時熔渣在爐術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是十分必要的。國外的Shell、壁上附著越光滑、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(yīng)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)直接決定著域[14]，通過分維可以描述表面形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)氣化爐能否持續(xù)穩(wěn)定運行，但是目前國際上對熔渣象背后的規(guī)律。本實驗在小型熱模裝置上進行，基的沉積過程、機理及其表面形態(tài)的研究都較少。袁于圖像處理系統(tǒng)和分形理論對附著在爐璧上的熔渣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(1983-),男，碩士。中國煤化工B- mail: hliu@基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2004CB217703);教育部“長江學(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期徐贏等:水冷壁氣化爐熔渣表面形態(tài)的幾何特性●3123●進行了定量分析，得到了溫度對粗糙度及分形維數(shù)的Java版本。影響的規(guī)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實驗測量方法測量方法為表面高度的算術(shù)平均偏差或標(biāo)準(zhǔn)差。本.1.1實驗 裝置及原料文渣層表面高度用圖像處理的方法得到。圖1是實驗所用的小型氣化爐，噴嘴置于爐1.3.1圖像轉(zhuǎn)換 首 先將RGB Color格式的圖片頂，下方是排渣口，爐渣在爐膛內(nèi)壁上沉積，爐壁轉(zhuǎn)換為8-bit灰度圖，圖中每個像素對應(yīng)0~255之上有對置的6根熱電偶來檢測渣層內(nèi)部A~F各點間的一個灰度值，測出整張圖片的灰度偏差和最大的溫度。及最小灰度值。由于圖片采集時受噪聲干擾不大，nozzle且濾波對分析結(jié)果有影響17-18]，因此沒有進行降噪處理。thermocouple-l| thermocouple-41.3.2粗糙度許述劍等[92] 在研究腐蝕形貌時做“其1過灰度與實際高度的相關(guān)性研究，當(dāng)起伏在一定范thermocouple-2; VEthermocouple-5flame圍內(nèi)時，兩者具有良好的線性相關(guān)性。在這里假設(shè)圖像灰度與高度線性相關(guān)，得到渣層某點處的當(dāng)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(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實驗氣化爐面粗糙度來表示，表面粗糙度為表面高度的標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 1 Lab scale gasifier利用柴油預(yù)熱到1200C后，投入油渣漿并穩(wěn)s-六,之(。一的.(2)定燃燒2 h,使?fàn)t壁掛渣達到平衡。油渣漿由煤渣.由ImageJ測得的灰度值標(biāo)準(zhǔn)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)點溫度見表1,其流動溫度為1186C.由式(1) ~式(3) 可得到粗糙度與灰度值之表1灰渣組成及熔點溫度間的關(guān)系為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 分維的測量43.91 30.45 12.83 7.6311341183 1185 1186分形幾何在數(shù)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(shù)則定量地描述幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)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(shù)碼攝像述渣層表面灰顆粒的堆積狀態(tài)。1.4.1圍像分割將圖像進行分割處理， 得到某頭，其采用CMOS感光芯片，自動白平衡設(shè)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(yīng)技術(shù)，支持Twain、VFW、Direct Show于特定灰度值的像素點為黑色，低于特定灰度值的等多種格式。氣化結(jié)束待爐內(nèi)溫度冷卻至室溫后，像素點為白色。對黑色的“小島m(20]進行統(tǒng)計得到將攝像探頭從爐頂?shù)膰娮炜谏烊霠t膛內(nèi)，并由PC機終端上的軟件采集各個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(wèi)生所CHCNMH(的分尼準(zhǔn)雙，在衛(wèi)燦1大爾( National Institute of Health, USA)開發(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選取不同閾值時的分形維數(shù)Table 2 Fractal dimensions of choosing different thresholdThresholdD151.2795751.28(a) untreated551. 26351. 301.32T=_(6)式中T。 為實際溫度,C; Tp為流動溫度,C。(b) treated2結(jié)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(nèi) 整體形態(tài)見圖4。從圖中式中P和A分別為小島的周長和面積。由直線可以看出，灰渣較均勻地覆蓋了整個內(nèi)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(shù)見表2，可見所得結(jié)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(nèi) 整體形態(tài)Fig. 4 Configuration of inner gasifier2.1.2局部形態(tài)實驗過程中爐壁 上各監(jiān)測點的溫度變化主要包括升溫過程、持續(xù)燃燒過程和降溫過程(圖5)。在持續(xù)燃燒過程中，T為1.0、0.9和0.8處溫度隨著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(jié)果1.1處由于溫度較高形成了流動，渣層質(zhì)量處于動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(dāng)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之間的關(guān)系，亮點為突起的顆粒，黑巴小洞為氣孔，由圖可以看定義當(dāng)量溫度為出，隨著溫度的升高，渣的表面形態(tài)趨于平滑。.第12期徐贏等: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，堆積1200在一起。因此它與爐壁的黏附力不強，結(jié)構(gòu)疏松易900脫落當(dāng)渣溫等于灰熔點(T=1.0) 時，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)達到流動溫00 t-- T=0.9度，但是熔融的灰渣顆粒從沉積到鋪展開需要- -定的..- T=0.80100 200300 400時間，來不及鋪展的部分顆粒因此停留在渣層表面。time/min當(dāng)渣溫高于灰熔點(T=1.1)時，渣層表面圖5渣層內(nèi) 部溫度變化曲線幾乎沒有顆粒。在該溫度下，整幅圖像各點灰度值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(nèi)希望出現(xiàn)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時的壁面渣層質(zhì)量能夠達到動態(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時的粗糙度達到最高，說明此(a) T=1.1時的表面形態(tài)最混亂，不利于氣化爐穩(wěn)定運行。因此在氣化爐操作中應(yīng)避免出現(xiàn)操作溫度低于流動溫度的情況出現(xiàn)，否則將會引起顆粒堆積，甚至出現(xiàn)掉渣等情況。當(dāng)T=1.1時粗糙度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Fig.7 Variety of surface roughness with temperature(o) T-0.92.3分形研究圖8為各溫度點掛渣在相同閥值(175) 下表面分維的結(jié)果?？梢钥闯?，低于灰熔點時分維數(shù)分形別為1.44和1.45，等于或高于灰熔點時分形維數(shù)分別為1.34和1.26.說明溫度越高分形維數(shù)越小，其表面形態(tài)越趨于平滑與穩(wěn)定，與粗糙度分析(d) T-0.8的結(jié)果相符。由此可見，分形維數(shù)越大，則堆積情況越復(fù)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(fù)雜。由圖9可以看出，隨著溫度的Fig.6 Surface characterstics of slag升高中國煤化工個轉(zhuǎn)折點，說明當(dāng)渣溫低于灰熔點(T=0.8及T=0.9)時，操作MHCNMHC開始在爐壁表面爐壁上均勻分布著許多小顆粒。由于遠離噴嘴，該鋪展， 而嬰達到完全鋪展的程度，則當(dāng)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廠操作溫度高于流動溫度。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(zhuǎn)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(shù)隨溫度變化曲線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(jié)論IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineIntelligence, 1984, 6 (6); 661-673(1)本文對實驗室裝置氣化爐內(nèi)掛渣的情況進[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by contact versus tapping mode atomic force microscopy.行了位圖的分析，并提出了當(dāng)量溫度的概念。.Langmuir, 1999,15 (4): 1429-1434(2)渣層的表面粗糙度隨著溫度的升高有先上[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(yīng)該是稍高于流動(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行了分形研究，2001，86 (23):得到了分形維數(shù)。分形維數(shù)與當(dāng)量溫度的關(guān)系分為中國煤化工”兩個階段: T≤0.9 時分形維數(shù)分別為1.44 和.[13]MYHC N M H Geation of "Iocel" surface1.45, T為1.0和1.1時分形維數(shù)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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