نرخ خوردگی آجر نسوز در یک گازساز جریان حامل و مدل‌سازی جریان سرباره

نرخ خوردگی آجر نسوز یک عامل کلیدی برای عملکرد طولانی مدت و پایدار یک گازساز (گازیفایر)است. اندازه گیری نرخ خوردگی آجر نسوز، به دلیل دما و فشار شدید در گازساز، همیشه یک موضوع چالش برانگیز بود. در این مقاله، شبیه‌سازی‌های عددی برای پیش‌بینی دقیق عمق خوردگی آجر نسوز اتخاذ شد. مدل‌هایی برای جریان سرباره و انتقال حرارت آجر نسوز ساخته شد و مدل‌های مختلف نرخ خوردگی آجر نسوز به طور دقیق استخراج شد. مدل‌های انتقال حرارت و خوردگی آجر با داده‌های صنعتی موجود تأیید شد و دقت پیش‌بینی مدل‌های مختلف مقایسه و مورد بحث قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل نفوذ خارجی می­تواند وضعیت خوردگی را به دقت پیش بینی کند و ضریب همبستگی با داده ­های صنعت 0/998 بود. نرخ برش سرباره روی سطح آجر نسوز به ویژه برای یک گازساز تک مشعل با جریان پایین یک پارامتر کنترلی کلیدی برای خوردگی بود.

مقدمه

گازی شدن زغال سنگ یک فناوری تبدیل انرژی کارآمد است که می تواند زغال سنگ را به محصولات شیمیایی مانند SNG (گاز طبیعی جایگزین)، گاز سنتز و سوخت نورد نیاز برای وسایل نقلیه تبدیل کند. [1] فناوری گازسازی بیش از صد سال توسعه را پشت سر گذاشته است و امروزه تبدیل محصولات با کربن بالا و راندمان حرارتی بالا، و تبدیل به گاز با جریان درونی فناوری­ای پیشرفته است. با توجه به انواع لایه دیرگداز، گازیفایرهای جریان حامل به گازیفایر دیوار غشایی و گازیفایر دیوار آجری نسوز طبقه بندی می شوند. جریان سرباره و انتقال حرارت بر روی دیواره گازساز به طور گسترده با استفاده از محاسبات عددی و آزمایشات مورد بررسی قرار گرفت Xu و همکاران یک مدل جامع برای شبیه سازی واکنش و ویژگی های جریان چند فازی در منطقه فضایی و دیوار نسوز ساخته است. یونگ و همکاران [8] بر اساس برهم کنش ذرات در حال برخورد با لایه سرباره، یک مدل ثابت برای توصیف جریان و ویژگی های انتقال حرارت لایه سرباره در گازی شدن و احتراق سوخت جامد ساخته است. بر اساس بهبود مدل Seggiani، Ye مدل جدیدی را بدون فرضیات مشخصات دما در لایه سرباره پیشنهاد کرد. این مدل‌ها ضخامت سرباره، سرعت جریان سرباره، شار حرارتی و مشخصات دمایی کوره را به دقت پیش‌بینی کردند و نتایج شبیه‌سازی با داده‌های صنعت مطابقت خوبی داشت.

روی سطح آجر نسوز به دلیل دمای بالا، مقاومت حرارتی بالا و اتلاف حرارتی کم دیواره گازساز در گازساز آستر آجر نسوز، هیچ سرباره جامدی وجود ندارد. بنابراین، زمان سرویس دیرگداز در گازساز آستر آجر نسوز در مقایسه با گازساز دیواره غشایی بسیار کوتاهتر است. برای یک گازساز تجاری، وضعیت خوردگی آجر نسوز به گلوگاه مربوط به عملکرد طولانی مدت تبدیل شده است. مطالعات تجربی مختلفی برای بررسی ویژگی‌های خوردگی آجر نسوز انجام شد. Huang و همکاران نفوذ سرباره آجر نسوز را با استفاده از حس­گرهای تعبیه شده تخمین زد. Wang و همکاران مشاهده کردند که مقاومت به خوردگی سرباره Al-Cr حاوی دیرگدازهای کروم کوراندوم نسبت به آجر کروم کروندوم ساخته شده از Al₂O₃ و Cr₂O₃ ذوبی قهوه­ای برتر است. برای ارزیابی وضعیت آجر نسوز گازی‌کننده‌های تجاری، مدل‌های نیمه تجربی برای پیش‌بینی نرخ خوردگی آجر نسوز توسعه داده شد. Hirata و همکاران نشان داد که نرخ خوردگی تابعی از ویسکوزیته سرباره و شکاف اساسی بین مواد نسوز و سرباره مذاب است و یک معادله تجربی برای تخمین نرخ خوردگی پیشنهاد کرد. Kanku و همکاران یک مدل نفوذ داخلی را برای مطالعه ویژگی‌های نفوذ سرباره مذاب به دیرگدازهای آلومینا با گرادیان دما اتخاذ کرد. بسیاری از مطالعات ویژگی های خوردگی یک آجر نسوز را با استفاده از مدل ترمودینامیکی بررسی کردند.

با این حال، مدل‌های نظری در مورد تأثیر شرایط عملیاتی بر خوردگی آجر نسوز از منظر نفوذ مذاب – جامد نادر است. خوردگی آجر نسوز را می توان به عنوان یک مکانیسم نفوذ مایع-جامد در نظر گرفت: سرباره مایع به طور مداوم بر سطح آجر نسوز تأثیر می گذارد و به داخل آجر نفوذ می کند . در مورد عملکرد یک گازساز تجاری، آشکار کردن مکانیسم خوردگی برای بهبود عمر مفید آجر نسوز و ارائه راهنمایی برای نصب آجر نسوز در صنعت بسیار مهم است. بنابراین، یک سری مدل از جمله مدل Endell و همچنین مدل‌های نفوذ داخلی و خارجی برای شبیه‌سازی حالت خوردگی آجر نسوز از منظر مکانیزم نفوذ فاز مایع-جامد ساخته شد.

در این مقاله مدل های جامع جریان سرباره و انتقال حرارت آجر نسوز ساخته شد. علاوه بر این، مدل‌های خوردگی دقیق آجر نسوز استخراج شد و دقت پیش‌بینی مدل‌های خوردگی مختلف مورد بحث قرار گرفت.

2. توضیحات مدل

2.1. مدل جریان سرباره و انتقال حرارت گازسازهای(گازیفایرهای) فشار بالا با جریان حباب دار ساختارهای استوانه­ای دارند به جز گازساز E-GAS. یک گازساز با جریان پایین تک مشعل به عنوان مدلی برای مطالعات انتخاب شد. برای ساده‌سازی محاسبات، یک مدل تقارن محوری دو بعدی برای شبیه‌سازی فرآیند جریان سرباره و انتقال حرارت ساخته شد. دیواره گازیفایر به یک سری سلول کنترل در جهت محوری تقسیم شد و جریان سرباره در سلول کنترل در شکل 1 نشان داده شده است. برای بررسی جریان سرباره مذاب و ویژگی های انتقال حرارت، معادلات جرم، حرکت و انرژی پیشنهاد شده است.

2.1.1. معادله بقای جرم

طبق قانون بقای جرم، کیفیت سلول کنترل در حالت پایدار رابطه زیر را برآورده می کند:

2.1.2. معادله بقای مومنتوم ویسکوزیته سرباره مذاب با افزایش دما کاهش می یابد . در یک گازساز تجاری، دمای عملیاتی تقریباً 50 تا 100 کلوین بالاتر از دمای ویسکوزیته بحرانی سرباره (Tcv) است تا از انسداد سرباره جلوگیری شود. مطالعات متعدد گزارش کردند که سرباره مذاب با ویژگی های یک سیال نیوتنی بالای Tcv مطابقت دارد. تحقیقات نشان داد که وقتی دما بالاتر از Tcv بود، ترکیب خاکستر و فازهای کریستالی سرباره بر خواص رئولوژیکی تأثیری نداشتند. علاوه بر این، سرباره در برخی از مدل‌سازی‌های جریان سرباره و انتقال حرارت، سیال نیوتنی بالاتر از دمای بحرانی در نظر گرفته شد. عدد رینولدز پارامتر مهمی است که وضعیت جریان سیال را مشخص می کند. به صورت زیر بیان می شود:

برای گازساز مورد مطالعه، ضخامت سرباره مذاب از 10 میلی‌متر تجاوز نمی‌کند، سرعت سرباره زیر 10 میلی‌متر بر ثانیه، چگالی سرباره حدود 2500 کیلوگرم بر متر مکعب است، و حداقل ویسکوزیته سرباره بیش از    Pa3/2 است. بر اساس این داده ها، عدد رینولدز بیشتر از 0/1 نبود و جریان سرباره به عنوان جریان آرام در نظر گرفته شد. بنابراین، معادله بقای مومنتم (تکانه) سرباره به صورت زیر بیان شد:

سرعت جریان سرباره در حجم های کنترل مختلف با ادغام معادله (3) در امتداد جهت x به دست آمد:

بنابراین ضخامت سرباره به صورت زیر محاسبه شد:

2.1.3. معادله بقای انرژی

گرادیان دما در امتداد جهت شعاعی به طور قابل توجهی بیشتر از جهت محوری بود. برای ساده کردن فرآیند محاسبه، انتقال حرارت تنها در جهت شعاعی در نظر گرفته شد. طبق قانون فوریه برای یک سیستم مختصات استوانه ای، شار حرارتی در نقطه r به صورت زیر بدست می آید:

ساختار گازساز جریان حباب آب دوغاب تک مشعل شامل بخش گنبدی، مخروط بالا و یک بخش مستقیم در شکل 2 نشان داده شده است. برای بخش گنبد، Ar = 4 πr² استفاده شد. برای مخروط بالا و قسمت مستقیم،              Ar = 2 πrL    استفاده شد.

 بنابراین، دمای موقعیت های مختلف با ادغام معادله (7) به دست آمد.

قسمت گنبد:

با توجه به قسمت گنبد:

اعمال شدند.

برای مخروط بالا:

و برای بخش عمودی:

در نظر گرفته شدند. تابش محیط و انتقال حرارت همرفتی بین دیواره فلزی و گاز رخ داده است.

یک تقریب عالی که انتقال حرارت شعاعی را فعال می کند محاسبه خطی شدن دیوار فلزی به صورت معادله (11) ارائه شد:

مدل خوردگی نسوز

در یک گازساز تجاری، نسوز کروم-آلومینا-زیرکونیا به دلیل پایداری شیمیایی قابل توجه Cr2O3 در دماهای بالا به طور کلی به عنوان آجر کاری استفاده می شود. برهمکنش بین سرباره مذاب و آجر نسوز نه تنها به خواص آنها مربوط می شد، بلکه شامل یک سری فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی پیچیده از جمله تجزیه، انحلال، شوک حرارتی، سایش مکانیکی، پوسته­ای شدن و نفوذ بود، همانطور که در شکل 3 نشان داده شد Mahapatra خوردگی مواد دیرگداز را در شرایط گازی بررسی کرد و نتایج نشان داد که اتمسفر کربنی و بخار آب برای دیرگدازهای اکسیدی مضر هستند. تجزیه و تحلیل پس از بررسی آجرهای نسوز مصرف شده توسط Kwong و همکارانش مکانیسم های سایش فیزیکی دیرگدازهای کروم بالا در گازیفایرها (گازسازها) را نشان داد.

آنها همچنین تعیین کردند که بازیسیته (نسبت باز به اسید) به طور قابل توجهی بر خوردگی آجر تأثیر می گذارد. کانکو و همکاران [40] نفوذ سرباره زغال سنگ مصنوعی به مواد نسوز مختلف را مطالعه کردند و مشاهده کردند که در مقایسه با دیرگدازهایی با 99% Al2O3  و SiO2، 90% Cr2O3- 10% – (85%Al2O3-15%SiO2) مقاومت بالاتری در برابر سرباره ایجاد کرد. در حال حاضر تئوری کاملی برای توصیف ویژگی های خوردگی آجرهای نسوز وجود ندارد. بنابراین، ایجاد یک مدل خوردگی نسوز دقیق دشوار است. با این حال، وضعیت آجرهای نسوز پارامترهای کلیدی برای عملیات طولانی و پایدار گازسوز هستند. بنابراین، کارخانه های تجاری برای تخمین ضخامت آجر مطلوب به مدل های خوردگی آجر نیاز دارند. در این مقاله، خوردگی آجر نسوز با استفاده از خاکستر زغال سنگ خاص (زغال سنگ Shenhua) و آجر نسوز (آجر کروم-آلومینا-زیرکونیا، W_Cr2O3 > 86٪) مورد مطالعه قرار گرفت. برای گازساز تجاری مورد مطالعه، نوع زغال سنگ ثابت بود و ترکیبات زغال سنگ پایدار بود. بنابراین، تنها تأثیر شرایط عملیاتی بر نرخ خوردگی مورد بررسی قرار گرفت و سینتیک واکنش خوردگی آجر نسوز مربوط به شرایط ثابت در هر مدل در نظر گرفته شد.

بر اساس مستندات بسیاری از مقالات، بسیاری از منافذ گرد و نامنظم در محلول های جامد Cr2O3 و Al2O3 از کروم-آلومینا- زیرکونیا نسوز ارائه شده است.رفتار خوردگی آجر نسوز در یک گازساز تجاری یک فرآیند پیچیده بود. خاکستر بادی به طور مداوم بر روی سطح آجر نسوز در کوره رسوب می کرد، بنابراین ترکیب سطح سرباره بدون تغییر در نظر گرفته شد. فرآیند خوردگی آجر نسوز می تواند به عنوان یک مکانیسم نفوذ مایع-جامد در نظر گرفته شود، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. برخی از اکسیدها (مانند Al2O3 و FeO) به طور مداوم از سطح سرباره به سطح مشترک که در آنجا با آجر نسوز واکنش نشان می دهند، نفوذ می­کنند. سایر اکسیدها (مانند CaO و SiO2) بیشتر از طریق منافذ آجر نسوز پخش می شوند و باعث خوردگی داخلی می شوند. نرخ خوردگی آجر نسوز توسط فرآیندهای فوق کنترل شد.

مدل Endell

نرخ خوردگی آجر نسوز با ترکیب سرباره، دما، ویسکوزیته، خواص شیمیایی آجر نسوز و مقدار سرباره مرتبط بود. بر اساس اصول تحلیل ابعادی، یک مدل خوردگی آجر ایجاد شد (معادله (12)):

برای یک گازساز تجاری، θBA نرخ جریان سرباره بود. بنابراین، نرخ خوردگی آجر نسوز با معادله زیر بیان شد:

مدل نفوذ داخلی

مدل Endell ، یک مدل نیمه تجربی، نرخ خوردگی آجر نسوز را بر اساس ویسکوزیته سرباره، دمای سطح آجر و سرعت خروج جرم سرباره پیش‌بینی کرد. با این حال، مکانیسم خوردگی آجر نسوز را توضیح نمی دهد، بنابراین، مدل های جامع تری در این مقاله برای توصیف خوردگی آجر نسوز ارائه شده است. بسیاری از منافذ (تخلخل ظاهری: 17٪) در آجر کار (Cr2O3-Al2O3-ZrO2) توزیع شد، و سرباره مذاب با نفوذ داخلی به داخل آجر نسوز به دلیل فشار مویرگی نفوذ کرد. بنابراین، مقدار سرباره نفوذ شده توسط قانون Poiseuille بیان شد:

Q به صورت زیر بیان شد:

با بازنویسی معادله (14)، میانگین سرعت نفوذ سرباره به دست آمد:

با توجه به معادله لاپلاس، اختلاف فشار در دو طرف منافذ به صورت زیر نوشته شد:

باادغام این معادله بامعادله (16)، عمق نفوذ سرباره به دست آمد:

نرخ خوردگی سرباره در رابطه با مدل انتشار داخلی با حل معادلات ترکیبی (16)، (17) و (18) محقق شد:

بنابراین، نرخ خوردگی سرباره (از عوامل تاثیرگذار بر نرخ خوردگی آجر نسوز) به عنوان تابعی از قطر منافذ، کشش سطحی سرباره، زاویه تماس و ویسکوزیته سرباره تعیین شد.

مدل نفوذ خارجی

کانکو و همکاران گزارش کردند که سرباره با مواد نسوز متشکل از 90٪ Cr2O3-10٪ Al2O3 واکنش نشان داد تا یک لایه اسپینل (FeCr2O4) در سطح مشترک ایجاد کند. این لایه اسپینل به عنوان یک مانع برای جلوگیری از نفوذ سرباره مذاب به خوردگی آجر نسوز و محدود عمل کرد. اگر این واکنش در گازساز تجاری نیز رخ دهد، انتشار خارجی گونه‌های واکنش به جای انتشار داخلی، تأثیر مهمی بر نرخ خوردگی آجر دارد. طبق قانون Fick ، سرعت نفوذ مولکولی متناسب با گرادیان غلظت بود و به صورت زیر بیان شد:

با ادغام معادله (20)، سرعت نفوذ مولکولی به دست آمد:

ضخامت لایه مرزی غلظت به عنوان فاصله از سطح صفحه تا نقطه ای که غلظت به 99٪ از سیال اصلی می رسد تعریف شد. طبق اصل شباهت Blasius، تحت شرایط جریان آرام در امتداد صفحه، پروفیل­ های سرعت موقعیت­ های مختلف ویژگی های مشابهی داشتند: سرعت سطح صفحه صفر متر بر ثانیه و سرعت لبه بیرونی بود. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، لایه مرزی برابر با سیال اصلی بود.

ضخامت لایه مرزی سرعت به عنوان فاصله از سطح صفحه تا نقطه ای که سرعت 99٪ از سرعت سیال اصلی به دست می آید، تعریف شد. گرادیان سرعت در جهت شعاعی به دلیل لایه نازک مرزی بسیار بزرگتر از جهت محوری بود. با تجزیه و تحلیل و مقایسه بزرگی هر آیتم، معادله نایور-استوکس به صورت زیر ساده شد:

معادله (23) همچنین به عنوان معادله لایه مرزی انتقال تکانه پراندتل (Prandtl) شناخته می شود. با استفاده از اصل شباهت Blasuis، معادله لایه مرزی انتقال تکانه پراندتل حل شد و ضخامت لایه مرزی به صورت زیر بدست آمد [50]:

با استفاده از روش Euler ، یک نفوذ دیفرانسیل دو جزئی معادله از قانون بقای جرم به شرح زیر استخراج شد:

هنگامی که ضریب نفوذ ثابت بود و هیچ واکنش شیمیایی رخ نداد، معادله لایه مرزی غلظت دو بعدی به صورت زیر ساده شد:

همانطور که در بالا ذکر شد، ترتیب قدر غلظت لبه بیرونی مشابه سیال اصلی در صفحه بود. بنابراین، Veniamin معادلات زیر را پیشنهاد کرد:

با حل معادلات ترکیبی (27)، (28) و (29) در y = δ، معادله لایه مرزی غلظت به صورت زیر تغییر یافت:

بنابراین، ضخامت غلظت مرز ایمن شد:

از معادلات (21) و (31)، نرخ نفوذ خارجی را به دست آوردیم:

ضرایب نفوذ معمولا با پردازش و ادغام داده های تجربی در تولید واقعی تعیین می شود. اگر داده ای در دسترس نباشد، ضریب نفوذ را می توان با استفاده از معادلات تجربی تخمین زد. بر اساس معادله نرنست-اینشتین، ضریب انتشار مولکولی در فاز مایع متناسب با دما بود:

فرض بر این بود که ترکیب سرباره یکنواخت است و معادله سرعت نفوذ خارجی به صورت زیر ساده شده است:

شرایط و روش های شبیه سازی

یک گازساز دوغابی از نوع آب-زغال سنگ تک مشعل با 1500 تن خوراک زغال سنگ در روز، که شرایط عملیاتی و ابعاد هندسی آن با یک کارخانه تجاری واقع در Dalad Banner (مغولستان داخلی، چین) مطابقت داشت، برای مطالعه حاضر انتخاب شد. مقدار تقریبی دمای سطح سرباره و نرخ رسوب ذرات از شبیه سازی CFD با توجه به کار Xu و همکاران به دست آمد. همانطور که در شکل 6 و 7 نشان داده شده است، شرایط عملیاتی گازیفایر در جدول 1 نشان داده شده است. مشخصات دما- ویسکوزیته سرباره با ویسکومتر چرخشی با دمای بالا (تتا) اندازه گیری شد و ترکیب سرباره با استفاده از یک تحلیلگر فلوئرنس اشعه ایکس تعیین شد. این داده‌ها در جدول 2 فهرست شده‌اند و پارامترهای ساختاری گازساز در جدول 3 خلاصه شده‌اند.

 چگالی سرباره و ظرفیت گرمایی با دما ناچیز بود [52،53]، بنابراین آنها ثابت‌های مستقل از دما در نظر گرفته شدند و به ترتیب برابر با kg/m3 2535 بودند و 1670 J/kg·K بودند. کشش سطحی و زاویه تماس به ترتیب تقریباً  N/m 0/5 و π/9 بود. علاوه بر این، میانگین شعاع منافذ آجر کروم-آلومینا μm 47/1 بود.

 مشخصات جریان سرباره و انتقال حرارت آجر نسوز شامل دمای سطح آجر، ضخامت سرباره، سرعت سرباره، دمای دیواره فلزی و خوردگی آجر از معادلات فوق با کمک نرم افزار Matlab محاسبه شد. پس از اینکه معادلات (1) و (5) ثابت شدند، معادلات (8)، (9) و (10) تبدیل به معادلات غیرخطی شدند که نشان دهنده δو Tg هستند. تمامی معادلات غیر خطی در این تحقیق به روش حداقل مربعات حل شد. معادلات انتگرال معین (3)، (5)، (7) و (16) با قانون 1/3 ادغام سیمپسون حل شدند. ادغام مدل واکنش چند فازی با جریان سرباره و خوردگی آجر در شکل 8  بیان شده است. خروجی مدل جریان سرباره و انتقال حرارت شامل دمای سرباره، سرعت سرباره، ضخامت سرباره، مشخصات دمایی لایه‌های مختلف و از دست دادن حرارت علاوه بر این، دمای سرباره، سرعت سرباره و ضخامت سرباره پارامترهای ورودی برای مدل خوردگی آجر نسوز بودند. ثابت مدل در هر مدل با برازش و مقایسه نتایج محاسبه شده با داده های صنعت تعیین شد.

ثابت­های مدل به ترتیب عبارتند از:

نتایج و بحث

ویژگی های جریان سرباره

شکل 9 توزیع ضخامت سرباره سطح آجری را در امتداد دیوار گازیفایر نشان می دهد. در مقایسه با گازساز دیواره غشایی، شار حرارتی در جهت شعاعی به دلیل مقاومت حرارتی عالی آجر نسوز بسیار کم بود [31] و در نتیجه دمای دیوار نسوز بالاتر از K 1470= Tcv  بود. در نتیجه، هیچ لایه سرباره جامد وجود نداشت. ضخامت سرباره در جهت جریان افزایش یافت. شکل 6 نشان می دهد که سرعت رسوب ذرات به قدری کم بود که تقریباً هیچ ذره ای روی آجر نسوز قسمت گنبد و مخروط بالایی (0 تا D0/8) رسوب نکرد. بنابراین، ضخامت لایه سرباره تنها به آرامی افزایش یافت. در بخش مستقیم، ضخامت سرباره به سرعت در امتداد دیوار افزایش یافت، در نتیجه افزایش نرخ رسوب ذرات را در پی داشت.

توزیع دمای سطح آجر نسوز در شکل 10 نشان داده شده است. لایه سرباره از 0/25 تا 2/5 میلی متر متغیر بود و مقاومت حرارتی نسبتاً کم بود. بنابراین دمای سطح آجر تقریباً برابر با سرباره بود. در قسمت گنبد و مخروط بالا، دمای سطح آجر اندکی کاهش یافته و سپس با فاصله بین دیوار و شعله جت به شدت افزایش یافته است. با توسعه شعله جت، دمای سطح آجر ابتدا افزایش و سپس در قسمت مستقیم کاهش یافت و بالاترین دما (1540 کلوین) در ناحیه مرکزی (D 2/1) قرار داشت.

شکل 11 توزیع سرعت سرباره را در امتداد دیوار نشان می دهد. سرعت سطح سرباره در قسمت گنبد و مخروط بالا به دلیل نرخ کم رسوب ذرات به آرامی افزایش یافت. در مقابل، با افزایش نرخ رسوب ذرات، ذرات بیشتر و بیشتری بر روی آجر نسوز رسوب می‌کنند و سرعت سرباره را در قسمت مستقیم به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. علاوه بر این، نرخ رسوب ذرات به تدریج در قسمت پایین گازیفایر با توسعه جریان جت کاهش می‌یابد و روند سرعت را یکسان می‌کند.

همانطور که در شکل های 10 و 11 نشان داده شده است، بالاترین دمای سرباره از 1550 کلوین تجاوز نکرد و تمام ویسکوزیته بالاتر از  Pa‧s 5/55 بود، همچنین، بالاترین سرعت جریان محوری 7/5 میلی‌متر بر ثانیه و ضخامت سرباره کمتر از 3 میلی‌متر بود. بنابراین، عدد رینولدز محاسبه شده سیال سرباره روی دیوار معقول بود.

توزیع دمای سطح دیواره فلزی بیرونی

توزیع دمای سطح در امتداد دیوار فلزی در شکل 12 نشان داده شده است. در قسمت گنبد (0 تا D 0/6)، دمای سطح دیوار فلزی در امتداد دیوار به دلیل کاهش ضخامت مواد ریخته‌گری متراکم و بالاترین افزایش یافت. دما در حدود 542 کلوین بود. در مخروط بالایی (D 0/6)، با افزایش سریع ضخامت آجر نسوز در جهت محوری، مقاومت حرارتی در جهت شعاعی افزایش یافت که به سرعت دمای دیواره فلزی را کاهش داد. در قسمت مستقیم، دمای دیواره فلزی در ناحیه میانی افزایش یافت (D 2/2)، سپس به آرامی به سمت پایین گازساز کاهش یافت، که مشابه مشخصات توزیع دمای گاز گازیفایر بود. دمای دیواره فلزی با داده‌های صنعتی موجود تأیید شد و نتایج شبیه‌سازی با آن داده‌ها مطابقت خوبی داشت.

مدل خوردگی آجر نسوز

طول عمر کوتاه آجر نسوز، عملکرد پایدار طولانی مدت یک گاز ساز را محدود می کند. علاوه بر این، اگر وضعیت خوردگی آجر به موقع کنترل نشود، شرایط عملیاتی غیرعادی شده و ممکن است حوادثی رخ دهد. در یک گازساز تجاری، قضاوت در مورد تکامل ضخامت آجر دشوار است و معمولاً از تجربه و تغییر دمای دیواره فلزی برای تعیین اینکه آیا جایگزینی آجر نسوز نیاز است یا خیر استفاده می شود. بنابراین، اگر بتوان نرخ خوردگی آجر نسوز را با شبیه‌سازی‌ها به‌طور دقیق تخمین زد، تشخیص بلادرنگ حالت خوردگی آجر به طور قابل‌توجهی بهبود می‌یابد. نرخ خوردگی در این کار با داده های صنعتی موجود تایید شد. توزیع نرخ خوردگی آجر نسوز ارائه شده توسط مدل Endell در شکل 13 نشان داده شده است. نرخ خوردگی آجر در امتداد دیوار ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت. برای قسمت بالایی گازیفایر، مدل Endell به طور دقیق میزان خوردگی را تخمین زد. با این حال، در قسمت پایین گازیفایر، نرخ خوردگی تخمینی کمتر از داده های صنعت بود.

توزیع نرخ خوردگی آجر حاصل از مدل انتشار داخلی در شکل 14 نشان داده شده است. تغییر در نرخ خوردگی در امتداد جهت جریان سرباره در ابتدا افزایش یافته و سپس کاهش یافته است. در قسمت بالایی گازیفایر، نرخ خوردگی تخمینی بسیار بالاتر از داده های صنعت بود. در مقایسه با سایر مدل‌های خوردگی، مدل نفوذ داخلی محیط خوردگی آجر را مشخص نکرده است که منجر به انحراف زیادی می‌شود. دلایل این انحراف این بود که (1) در واقع یک لایه اسپینل در سطح مشترک جامد و مایع داخلی آجر وجود داشت که از ورود سرباره به داخل آجر نسوز جلوگیری می کرد. با این حال، مدل انتشار داخلی فرض کرد که نفوذ سرباره تنها توسط فشار مویرگی هدایت می‌شود، بدون در نظر گرفتن مقاومت نفوذپذیری لایه اسپینل. (2) نفوذ با اثر پوسته شدن آجر نسوز کنترل شد. در مقایسه با آجر بکر، لایه نفوذ چگالی و ضریب انبساط حرارتی بالایی داشت. لایه نفوذ به راحتی با چرخه حرارتی جدا شد. هر چه لایه نفوذ ضخیم تر باشد، احتمال کنده شدن آجر بیشتر می شود. با این حال، سطح آجر نسوز بدون تغییر در نظر گرفته شد، و سرباره به طور مداوم در منافذ آجر نسوز طبق مدل انتشار داخلی نفوذ می‌کند.

شکل 14 نشان می دهد که نتایج شبیه سازی مدل انتشار داخلی ناقص بود. شکل 15 توزیع نرخ خوردگی آجر ارائه شده توسط مدل انتشار خارجی را نشان می دهد. نرخ خوردگی در امتداد دیوار ابتدا افزایش یافت و سپس کاهش یافت. در مقایسه با اندل و مدل انتشار داخلی، نتیجه مدل انتشار خارجی به داده‌های صنعت نزدیک‌تر بود. ویژگی‌های جریان سرباره تأثیر مهمی بر نرخ خوردگی داشتند. با افزایش دمای سرباره، ویسکوزیته سرباره در امتداد دیوار کاهش یافت که منجر به مقاومت انتقال جرم کمتر شد. نرخ خوردگی آجر در 2.25 درجه سانتیگراد بزرگترین بود. در قسمت پایینی قسمت مستقیم، دمای سرباره کاهش یافت و ضخامت سرباره افزایش یافت. با توجه به معادله (34)، نرخ خوردگی آجر به ترتیب کاهش یافت.

همانطور که در بالا ذکر شد، خوردگی آجر نسوز یک فرآیند بسیار پیچیده است. علاوه بر این، عوامل بسیاری بر آسیب آجر نسوز تأثیر می گذارد. تغییرات ناگهانی یا زیاد در دمای عملیاتی گازیفایر منجر به حذف مواد نسوز در مقیاس بزرگ می شود. تغییر در دمای کارکرد گازیفایر در طول مطالعه ما ناچیز بود. بنابراین، پیشنهاد شد که مکانیسم تخریب تحت تأثیر حمله شیمیایی قرار گرفته است، همانطور که در شکل 16 نشان داده شده است. خوردگی آجری قسمت پایینی قسمت مستقیم از قسمت بالایی جدی تر بود.

برای نشان دادن تفاوت بین مدل انتشار خارجی و مدل Endell، آیتم m_ex با در نظر گرفتن رابطه بین سرعت و سرعت جریان جرمی (معادل (4) و (5)) به مدل انتشار خارجی معرفی شد. علاوه بر این، r′ = u / δ به عنوان نرخ برش سرباره تعریف شد. سپس مدل انتشار خارجی به صورت زیر بیان شد:

اصطلاح دما در مدل انتشار خارجی با مدل Endell سازگار بود. با این حال، رونوشت سرعت جریان جرمی و ویسکوزیته متفاوت بود. علاوه بر این، تأثیر توزیع ضخامت سرباره بر نرخ خوردگی در مدل انتشار خارجی گنجانده شد. با توجه به مدل انتشار خارجی، نرخ خوردگی آجر نسوز با ضخامت لایه سرباره نسبت معکوس دارد. با افزایش

ضخامت لایه سرباره، مقاومت انتشار گونه‌های واکنش افزایش یافت و نرخ خوردگی به ترتیب کاهش یافت. نرخ خوردگی نیز به ویسکوزیته و دمای سرباره بستگی دارد. همانطور که توسط مدل Endell توضیح داده شد، نرخ خوردگی تابعی از ویسکوزیته سرباره، دما و عرضه سرباره بود. مدل اندل میزان خوردگی چاه آجر نسوز را برای قسمت بالایی قسمت مستقیم پیش‌بینی کرد. با این حال، مقادیر مدل اندل کمتر از مقادیر صنعتی برای قسمت پایینی قسمت مستقیم بود.

با در نظر گرفتن افزایش ضخامت سرباره و سرعت جریان سرباره در امتداد دیوار، نرخ برش سرباره انتقال جرم گونه‌های واکنش را در داخل سرباره قسمت پایینی قسمت مستقیم افزایش داد، که باعث افزایش تجدید گونه در سطح مشترک واکنش شد. این توضیح با دلیل عمر مفید آجر نسوز (SiC) در گازیفایرهای دیواره غشایی مطابقت دارد. لایه سرباره جامد به سختی روی سطح آجر نسوز جریان داشت. به دلیل انتشار محدود، هیچ گونه واکنشی در سطح مشترک وجود نداشت که منجر به نرخ خوردگی پایین می‌شود. با این حال، مدل اندل توضیح داد که ضخامت لایه سرباره روی دیواره گازساز یکسان است، این بدان معنی است که تأثیر ضخامت لایه سرباره توسط این مدل نادیده گرفته شد، که در شرایط واقعی غیر منطقی بود. شکل 17 توزیع نرخ برش سرباره را در مدل انتشار خارجی نشان می دهد. توان 2/1 نرخ برش سرباره با نرخ خوردگی آجر مطابقت داشت که حدس فوق را تأیید می کند. این بدان معناست که در قسمت پایینی قسمت مستقیم، خوردگی آجر ممکن است عمدتاً توسط نرخ برش سرباره کنترل شود.

تحلیل ضریب همبستگی مدل های مختلف

ضریب همبستگی، که درجه همبستگی خطی بین دو مجموعه داده را اندازه گیری می کند را می توان با معادله 36 بیان کرد:

جدول 4 تحلیل ضریب همبستگی مدل های مختلف را نشان می دهد. مشاهده شد که ضریب همبستگی بین مدل انتشار خارجی و صنعت 0/998است که به این معنی است که نرخ خوردگی آجر به طور دقیق پیش‌بینی شده است. همچنین ضریب همبستگی برای مدل انتشار داخلی و مدل اندل به ترتیب 0/980و 0/873بود.

نتیجه گیری

مدل های جریان سرباره و انتقال حرارت از سرباره و آجر نسوز ساخته شد. مدل‌های خوردگی آجر نسوز با جزئیات استخراج شدند. نتایج نشان داد که دمای دیواره فلزی به خوبی با داده های تجربی مطابقت دارد. در مقایسه با سایر مدل‌ها، ضریب همبستگی مدل نفوذ خارجی 0.998 بود که نشان داد مدل نفوذ خارجی می‌تواند نرخ خوردگی آجر نسوز را به دقت پیش‌بینی کند. علاوه بر این، تکامل نرخ خوردگی آجر با 2/1 توان نرخ برش سرباره همبستگی خوبی داشت و حدس زده می‌شد که نرخ برش سرباره روی سطح آجر نسوز یک پارامتر کنترلی کلیدی برای نرخ خوردگی آجر نسوز باشد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با ما در تماس باشید.