常壓固定床煤氣化發(fā)生爐內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)過程十分復(fù)雜。就傳質(zhì)來講，不僅有氣相和固相各自的本體運動，還有氣固相間、固相顆粒內(nèi)部向顆粒外部的傳質(zhì)過程。就傳熱而言，有氣固相間、氣固相與爐壁間、固相不同層面之間的各種傳熱過程。從機理上講，傳質(zhì)過程有擴散傳質(zhì)和對流傳質(zhì)，傳熱過程有傳導(dǎo)、對流和輻射等方式。傳熱過程包括以下各個步驟：
（1）顆粒內(nèi)傳導(dǎo)；
（2）相接觸的顆粒間傳導(dǎo)；
（3）顆粒間輻射；
（4）顆粒流體間的對流；
（5）顆粒向流體的輻射；
（6）流體內(nèi)傳導(dǎo)；
（7）流體內(nèi)輻射；
（8）流體混合；
（9）顆粒爐壁間傳導(dǎo)；
（10）顆粒爐壁間輻射；
（11）流體爐壁間對流；
（12）流體爐壁間輻射。
相對來講，傳質(zhì)過程就要簡單的多，其原因有以下三點：
（1）顆粒內(nèi)擴散經(jīng)常可以忽略；
（2）沒有向爐壁的傳質(zhì)；
（3）沒有與輻射傳熱相對應(yīng)的傳質(zhì)方式。
傳熱與傳質(zhì)過程可能伴隨化學(xué)反應(yīng)，也可能不伴隨化學(xué)反應(yīng)。下面對常壓固定床煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)部的傳熱與傳質(zhì)進行簡單歸納。
氣體和固體的許多特性（如熱容、粘度、傳質(zhì)系數(shù)等）都是溫度和壓力的函數(shù)，當(dāng)溫度變化范圍較小時，可以采用平均值的方式來簡化傳熱與傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。但在煤氣化反應(yīng)爐中，溫度沿床層高度的變化很大，因而必須確定各種性質(zhì)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系。
在簡單的一維均相模型中，床層向爐壁的傳熱可以用總傳熱系數(shù)來代表。目前文獻中采用的典型數(shù)值一般為15~35，即54~126。這樣的數(shù)值屬于強制對流范圍。也有的模型采用的數(shù)值更高一些，比如后面提到的Biba模型，為217。通過爐壁的熱耗主要來自氣相，也就是說，由于氣相在爐內(nèi)的運動速率很高，故其徑向有效導(dǎo)熱系數(shù)也很高。
床層向爐壁的總傳熱系數(shù)可以有不同的計算方法，除了選取經(jīng)驗值外，還可以由計算公式得到。比如用Li 和Finlayson給出的公式，或者由Hobbs等人給出的計算公式。由于煤粒在粒度和形狀上的多變性，再加上床層不同高度空隙率的不同，總傳熱系數(shù)很難精確地求得，現(xiàn)有公式計算的理論值和實驗值之間的偏差達(dá)到20%以內(nèi)時便可以認(rèn)為足夠精確。
除了總傳熱系數(shù)以外，氣相和固相之間的傳熱系數(shù)也是一個很重要的參數(shù)。這一系數(shù)的計算要更困難一些，爐內(nèi)氣固相間傳熱的擾動、化學(xué)反應(yīng)的存在、煤粒形狀的不規(guī)則都有可能帶來計算結(jié)果的偏差，有時候這種偏差甚至?xí)哌_(dá)幾十倍。1963年，Gupta 和Thodos給出了較好的計算公式，1986年Bhattacharya等人在建立固定床煤發(fā)生爐的數(shù)學(xué)模型時就采用了這一公式[16]。1992年Hobbs等人在計算這一系數(shù)時進行了簡化處理，假定沿整個床層的煤粒都是均一的。<br /> 1971年DeWasch 和Froment給出了一套數(shù)學(xué)公式，可以計算床層向爐壁的有效傳熱系數(shù)以及這一系數(shù)中氣相和固相各自的貢獻，Yagi也進行過這方面的研究，另外Hobbs等人也給出了一套復(fù)雜的計算公式，上面簡單回顧了傳熱過程的計算，現(xiàn)在來討論一下煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)的流速、升溫速率及床層空隙率。工業(yè)化Lurgi爐中煤的停留時間以小時計，而氣相的停留時間僅以秒計。
對常壓固定床煤氣化反應(yīng)爐，其氣固相的運動線速度一般分別低于3m/s和0.1m/s，對高壓常壓固定床煤氣化反應(yīng)爐，其氣固相的運動速度一般分別低于0.3m/s和0.15m/s。顯然，氣相線速度的急劇減小是因為壓力的存在大大壓縮了煤氣化反應(yīng)爐中氣體的體積流速，而固相線速度的增加則是因為高壓操作時煤氣化反應(yīng)爐的煤處理能力的增加。上面給出的線速度值僅為估計的平均線速度，實際上，氣相和固相在爐內(nèi)的線速度是不斷變化的。影響氣體運動線速度的因素有：
①隨著反應(yīng)的進行，氣體總量總是不斷增加；
②壓力沿床層的變化；
③溫度沿床層的變化；
④床層空隙率的變化。
隨著氣體自下而上的運動，雖然在燃燒區(qū)之后床層溫度是不斷降低的，但氣體總量的增加、壓力的降低以及床層空隙率的減小都會引起氣體線速度的增加。影響固體線速度的因素有：
①隨著固體不斷失重而引起的固體質(zhì)量流速的減小；
②床層空隙率的不斷增加。
從物料衡算的觀點來分析，由于單位時間內(nèi)流入氣化反應(yīng)爐和流出氣化反應(yīng)爐的灰分量相等，而入口處的固體物流中灰分含量僅最多占到25%，出口處的固體物流中灰分含量卻要占到95%以上，顯然入口處的固體物流的質(zhì)量流量和體積流量均要大大降低，從而造成灰分區(qū)的運動線速度極低。
氣固相的升溫速度與反應(yīng)器內(nèi)部的溫度分布及氣固相的停留時間有關(guān)。一般來講，氣相的升溫速度要比固相高出四個數(shù)量級。在燃燒區(qū)，由于多相氧化反應(yīng)的劇烈進行，升溫速率較大，而在氣化區(qū)，氣固相的溫度變化要平緩的多。
關(guān)于煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)的壓力降，對于常壓操作的煤氣化反應(yīng)爐，比如Wellman 和Galusha爐，一般僅為1.1kPa左右（~100mmH2O）；對于高壓操作的煤氣化反應(yīng)爐，如Lurgi爐，Hobbs等人的模擬計算結(jié)果也在kPa數(shù)量級。因此，在模型計算中，除了進行動量守恒的計算外，假定煤氣化反應(yīng)爐內(nèi)的壓力為恒定常數(shù)也可以得到足夠精確的計算結(jié)果。
床層空隙率是指床層空隙體積與床層總體積之比。一般情況下，床層頂部的空隙率為0.3，而底部的空隙率甚至可達(dá)0.7。床層頂部的空隙率基本上可以由煤的堆積密度和顆粒密度求得。顯然，空隙率越大，氣體流動的阻力就越小，沿床層的壓降就越小。
