能源短缺是社会发展中的一个严重问题,能源回收利用已成为能源行业关注的焦点。余热锅炉是指利用工业废气、废料或废液中的余热加热给水,产生蒸汽的设备,是余热回收过程中最重要的部件。因此,相关余热锅炉运行的分析和优化已成为现阶段余热利用研究的重点。随着余热锅炉结构系统的复杂化及工况的多变性,相关动态特性对余热锅炉的安全、高效运行具有重要意义。同时,由于废气(液)中含有大量的固体颗粒杂质,是一种多组分的复杂介质。颗粒杂质会以不同的形态在换热管表面形成积灰及结渣。颗粒的沉积会导致余热回收效率降低、余热锅炉低负荷运行甚至被迫停机。因此,研究基于变工况、多组分的余热锅炉传热强化、传热动态响应特性及结构设计和优化具有重大意义。本文以U型直流余热锅炉为研究对象,运用理论分析、数值模拟和实验研究方法,分析了锅炉受热面传热、流动、飞灰颗粒沉积及动态特性,主要研究工作及取得的成果如下:1.理论分析颗粒在流体中运动和受力过程,求解了实际工况颗粒运动方程数值解,并分析颗粒运动过程中受到的不同作用力的影响程度。结合颗粒运动数值计算结果及颗粒碰撞、沉积和脱附临界速度参数,建立了一个新的适用于低温受热面的松散型颗粒沉积理论模型,能够较准确地预测受热面飞灰颗粒沉积位置、沉积数量及积灰形态。2.基于商业软件Fluent 15.0,通过自定义函数(UDFs),对U型直流余热锅炉整体进行了全尺寸数值模拟。研究得到各级受热面换热管束间的温度场和流场分布特征,分析了入口烟气温度和流量对锅炉性能的影响。对于单级受热面,包括传统顺排、叉排以及一种新型顺排错流结构,对比管排布置差异对受热面传热、流动和飞灰沉积的影响。针对多组分复杂介质烟气工况,利用低温受热面松散型颗粒沉积模型,研究了不同颗粒粒径和烟气流速对颗粒沉积的影响及沉积分布特征。数值模拟结果表明:在低温烟气工况下,颗粒粒径和烟气流速是飞灰颗粒沉积的主要影响因素。较高的烟气流速使小颗粒有较强的沉积倾向;较低的烟气流速会促进大颗粒的沉积。与传统顺排和叉排受热面相比,新型顺排错流受热面强化传热Nu提高9.8%～23.2%,飞灰沉积降低4.9%～5.6%,该受热面以增加压降及烟气流动阻力为代价,强化传热并有效减少飞灰沉积。3.设计并搭建了 U型直流余热锅炉综合实验平台,利用某水泥厂低温余热对锅炉的传热、流动、积灰特性进行分析,验证了数值模拟的合理性。以U型直流余热锅炉为研究对象,完成了不同烟气温度、烟气量、给水温度及给水量工况的余热实验,分析了不同工况参数对余热锅炉蒸汽温度及蒸汽量的影响。以系统(?)效率为目标,分析了余热锅炉各级受热面换热及(?)损失,并证明U型直流余热锅炉可有效回收低温余热。为进一步回收余热锅炉所产生高温给水中的余热,在理论分析的基础上,构建了变分流点与分流流量余热锅炉-闪蒸系统模型,通过选择不同给水量及给水分流温度,实现系统(?)效率优化。实验结果表明,烟气量32000 Nm3/h的典型工况下,利用余热锅炉-闪蒸系统,选择给水流量15.90 m3/h,分流水温度409.67 K,余热系统和余热锅炉本体最佳(?)效率分别为44.43%和54.61%,实现年收入861000RMB,并在1.1年后收回成本。4.基于热力学原理和质量、动量及能量平衡方程,提出了一个适用于直流余热锅炉不同受热面的动态仿真模型,该模型可模拟给水在换热管内相变过程,弥补实验无法观测的缺陷。模型利用Matlab/Simulink软件建立,同时基于实验工况,并利用遗传算法和粒子群算法对模型进行参数识别和优化。优化后余热锅炉动态模型与实验数据匹配度高,均方根误差范围2.97～4.43。两种优化方法适应度函数收敛值近似,粒子群算法收敛时间更短。模型可预测在启动和停机期间不同工况下的温度变化,在保证金属换热管使用寿命的前提下,获取最佳运行条件。仿真结果表明:余热锅炉停机时间约为启动时间2倍,在冷启动与停机过程中,水温变化呈现与烟气温度变化相同的趋势,但具有一定延迟。给水与烟气共同作用决定给水饱和状态临界点及时刻。