我国“贫油、少气、富煤”的资源结构特点决定了在长时间内煤炭是我国能源消耗的主要来源,煤炭的清洁、高效和低碳利用是“碳达峰”和“碳中和”背景下未来能源领域的艰巨任务。气流床气化技术是一种清洁高效且应用广泛的煤炭利用技术,与气化炉下部相连的辐射废锅装置有显热回收和提高能源利用效率的功能。但辐射废锅中的积灰结渣现象会导致水冷壁传热能力降低,应对该现象需要用特定的除灰渣手段如气力吹灰和振打除灰方式,将附着在水冷壁上的渣层进行破坏并脱落。渣的力学性能是影响渣层破坏因素的关键参数之一,而对于辐射废锅装置内灰渣力学特性和断裂损伤的研究匮乏。针对上述问题,本文开展了一系列研究。基于辐射废锅内渣力学参数实验研究结果,对气力吹灰过程进行数值计算,深入分析了渣层的破碎动态过程,并对废锅水冷壁模型进行了振打布局分析与冲击响应研究。首先,以气化炉辐射废锅内渣块和飞灰烧结渣作为实验研究对象,对其成分组成、样貌特征、灰熔特性、力学特性等方面进行了实验分析,结果显示,灰熔点与成分组成差异影响渣在辐射废锅内富集的位置。水冷壁壁面渣的弹性模量值在550～750 MPa,抗压强度值在20～22 MPa,强度较大。废锅底部渣和烧结渣的弹性模量值在7～54 MPa,抗压强度值在1.2～3 MPa,成渣温度变化将导致渣的孔隙率、熔融性和黏连性等微观特征发生改变,是影响宏观力学性能的关键因素。接着,以内聚力模型法为基础建立了渣的力学模型,采用力学性能实验结果验证模拟结果的方法来确定模拟参数,模拟与实验结果的渣样破坏现象接近,应力-应变曲线趋势吻合。对渣样在压缩状态下损伤破坏过程进行分析,结果显示,裂纹首先在渣样内部萌生并逐渐扩展,上下边缘与中心为渣样损伤最严重区域。随后,通过耦合欧拉-拉格朗日方法在ABAQUS中开发了气力吹灰过程的三维数值模型,以辐射废锅内吹灰气吹灰和常压锅炉内蒸汽吹灰两类吹灰工况为研究对象,展示了气体射流冲击、渣层破坏与应力波传播的动力学全过程,定量研究了废锅操作压力、蒸汽吹灰压力变化对吹灰效果的影响。废锅内的吹灰模拟结果显示,水冷壁上渣层的破坏速率在竖向方向比横向传播更快,较高的操作压力会导致吹灰时间变长和吹灰气体消耗量变多,从而导致吹灰效率降低。锅炉内的吹灰模拟结果显示,气体射流对渣层的直接冲击和应力波传播是渣层破坏的主要因素,提高吹灰压力可以提高破坏效率,缩短吹灰时间,减少气体消耗量,但会增大水冷壁应力和损耗几率,1.2 MPa为对比工况下最佳吹灰压力参数。针对辐射废锅水冷壁振打除灰研究匮乏的问题,本文将模态分析理论运用于振打除灰研究中,通过力锤实验法和有限元模拟方法对空管壁和充水管壁两种工况下的膜式水冷壁进行模态分析。结果显示,管壁内含水将略微减少结构的固有频率值,但模态振型仍保持与空管壁相同。水冷壁的前五阶模态固有频率值在14～154 Hz,当外界激励频率与第一、二、四和五阶固有频率值相同时,水冷壁结构的1/2处发生最大振动。实验和模拟方法结果模态振型相同,正向振型的固有频率相对误差在10%以下,证实了有限元模拟方法的可靠性。最后,在ABAQUS中建立辐射废锅水冷壁声固耦合全模型,通过模态分析和谐响应分析法对模型结构展开分析,为振打除灰布局提供指导。结果显示,固有频率变化呈现与水冷壁结构相关的对称性,当扫频频率达到2.75 Hz和15.37 Hz时翅片水冷壁与筒形水冷壁响应分别达到峰值,在14～17 Hz区间均发生较大波动变化。当振打器位置布局在筒形水冷壁1/2高度处,间隔角度为60°,并施加频率为16 Hz的激振力时,水冷壁结构振动及声压响应达到一个综合最大值。对水冷壁模型不同振打点高度、单点冲击和周向多点顺序工况进行瞬时冲击分析。结果显示,水冷壁不同高度受到冲击力作用时,1/2高度发生持续的最大位移响应,且水冷壁在水平方向上出现多个应力区,并在竖直方向上更快发生位移响应。冲击能量导致废锅内部气体声压变化,在振打与声场的共同作用下水冷壁产生振动现象。振打间隔周期越短将导致水冷壁累积形变量越大,声压振荡响应时间更久,除灰渣效果得以提高。