气化炉水冷壁温度数值模拟

第37卷第6期锅炉技术VolL37, No.62006年11月BOILER TECHNOLOGYNov. ,2006文章编号: .CN3l.- 1508(2006)06 - 0036 - 04气化炉水冷壁温度数值模拟苏智彬(上海锅炉厂有限公司,上海200245)关键词:气化炉; 水冷壁;有限单元法摘要:利用有限单元法计算了气化炉水冷壁中渣钉的温度和水冷壁的温摩分布,并分析了水侧对流换热系敷、炉内温度、渣钉的导热系数、渣钉的长度管间距和鳍片厚度对渣钉温度和水冷壁温度的影响,为气化炉水冷壁设计提供了依据。中圈分类号: TK223.3文献标识码: A很长,忽略沿管子长度方向上的热流,将问题简1前言化为二维、稳定、无内热源的导热问题。对于二目前,气化炉常用的炉衬有2种一耐火砖维稳定、无内热源的导热问题,可用如下方程式或水冷壁。前者以Texaco为代表凹，后者以表示:Shell为代表团。由于气化过程的高温、高压及熔渣的侵蚀,再好的耐火砖也不能长期稳定地运)x*T ay行,而采用水冷壁时,可以依靠挂在水冷壁上的i I T:=q(x,y)(1)熔渣层保护水冷壁,利用“以渣抗渣”[E]使得气化装置可以长周期运转。|a(M)1T,=a(t-t) .而在国内,气化炉水冷壁结构的研究还是--式中:λ导热系数;个空白,根据锅炉膜式水冷壁的结构,华东理工q一-热流量;大学自主设计开发气化炉水冷壁结构,具体结构t,t-- 分别为工质温度及管内换热系数;如图1所示。对于水冷壁的数值计算,现今主要T;--给定 热流的第二类边界条件;是利用有限差分法4]、有限单元法[5]进行计算，T--给定边界放热系数、介质温度的第三本文是利用有限单元法计算了水冷壁的温度分类边界条件。布,为水冷壁结构的设计提供依据。式(1)利用有限单元法进行求解,在进行离片散求解时,做如下假设:(1)系统传热处于稳定状态,其值不随时间变化。流钉(2)圆管和鳍片材料特性为各向同性。耐火材料层(3)圆管与鳍片连接处的接触热阻忽略不计。图1水冷壁结构(4)管内工质与管内壁之间的传热系数沿圆周方向分布均匀.为同- -值2计算模型及边界条件中国煤化工鳍片之间的热负在炉内负荷已知的情况下,传热可看作一个荷分IYHCNMHG不规则区域的稳态导热问题。由于水冷壁管子根据对称性,取水冷壁结构的一半作为计算收稿日期:2005-05-25作者简介:苏智彬(1981 -),男,2005年华东理工大学硕士研究生毕业,研究生期间主要从事气化炉方面的研究。第6期苏智彬:气化炉水冷壁温度数值模拟37模型,模型结构如图2所示,其结构有水冷管、耐长25mm,导热系数为30-W/(m*C);熔渣层厚火材料层、熔渣层、渣钉组成,1-3、2-4和6-7外侧度为10mm,导热系数为1 W/(m.C),下面计算分别为隔热层、水侧和炉膛。2-4 根据需要取为中,除非特别说明，其参数均取于基本工况。第三类边界条件,6-7则取第- -类边界条件。将3.2计算结果模型进行网格化,得1 832个节点和1 723个单元，基本工况下水冷壁温度分布见图4,其渣钉其计算模型网格结构如图3所示。最高温度为378 C,水冷管最高温度为223 C.鳍片最高温度为205 C。水冷管，鳙片水冷管最高温度点鰭片温度点渣钉耐火材料层渣钉最高温度点熔渣层17644820264,125848561128”1400图2模型结构图4基本工况下水冷壁温度分布水冷壁渣钉最高温度和水冷壁最高温度、受水侧对流换热系数、炉内温度、耐火材料层导热系数.渣钉导热系数、渣钉长度、水冷管间距和鳍片厚度的影响,现就这些因素进行讨论。3.3水侧对流换热系数对水冷壁温度的影响水侧对流换热系数对水冷壁温度的影响如图5,随着对流换热系数的增大,渣钉温度、水冷管温度和鳍片温度都减少,但其影响趋势逐渐减少。400350-+渣钉温度.300。-水冷管温度250★鳓片温度图3网格结构2003计算结果及讨论50 01025水侧对流换热系数/[W.(m21)] ']x1033.1计算条件图5水侧对流换热系数对水冷壁温度的影响为便于讨论和比较,选取以下参数作为基本中国煤化工工况:水冷管规格19 mmX3 mm,管间距383.4乡响MHCNMH Gmm,鳍片厚度8 mm,管子和鳍片导热系数为40力血度对小传至值反的影响如图6所示，W/(m.C),耐火材料层厚30 mm,导热系数为随着炉内温度的增大，渣钉温度、水冷管温度、鳍10 W/(m*C);炉内温度为1 400 C ;水侧对流换片温度都增大,但对渣钉温度的影响较大,并且热系数为5000 W/(m2●C),水温为170C;渣钉具有较好的线性关系。”万万数据38锅炉技术第37卷s0 r3.7管间距和鳍片厚度对水冷壁温度的影响管间距对水冷壁温度的影响见图9,随着管400间距的加大,渣钉温度、水冷管温度和鰭片温度只350+渣钉温度十冷管温度都明显增大,其中对鳍片温度影响最大。鳍片厚士續片温度度对水冷壁温度的影响如图10,随着鳍片厚度的增加,渣钉温度降低,但降低不显著,而对水冷管250温度和鳍片温度影响不大。从图(11~13)中可201300 1350 1400 1 4501500 1S50以发现,随着管间距的增加,渣钉温度、水冷管温炉内温度/C度和鳍片温度都显著增加,而鳍片厚度的增加可图6炉内温 度对水冷壁温度的影响以降低渣钉温度、水冷管温度和鳍片温度,因此采用较长管间距的水冷壁就必须使用较厚的鳍3.5渣钉导热系数对水冷壁温度的影响渣钉的导热系数对渣钉温度和水冷壁温的片,以降低水冷壁的壁温,增加水冷壁的运行安影响见图7,随着渣钉导热系数的增大,渣钉传热全性,而采用较短管间距,则采用较薄的鳍片,臧性能加强，渣钉温度降低,但随着渣钉导热系数少钢的用量,降低成本。的增加其下降趋势减少;而随着渣钉传热性能的500增强,通过渣钉的热流密度变大,所以水玲管温度随着渣钉导热系数的增大而增大;而鳍片温度基本没有影响。300450 r渣钉温度00 t十水冷管温度士鲭片温度100ss70”350管间距/ mm-◆.造钉温度d 300+水冷管温度图9管间距对水冷壁温度的影响+鳊片温度50350渣钉导热系数/W(m-k)~'图7渣钉的导 热系数对渣钉温度和水冷壁温度的影响女鳙片温度3.6渣钉长度对水冷壁温度的影响渣钉长度对渣钉水冷壁温度影响见图8,随200着渣钉长度的增加,渣钉温度增加,而水冷管温113鳙片厚度/mm度和鳍片温度基本保持不变。图10鳍片厚度对水冷壁的影响450 pr➢ ◆70 t8 350+ .渣钉温度40 t-+-6mm一水玲管温度中国煤化工←8m女鳙片腿度士10mmYCNMH G+12m282535565渣钉长度1 mm臂问距/ mm图8渣钉长度对渣钉温度和水冷壁温度的影响图11鳍片厚度和管 间距对渣钉温度的影响第6期苏智彬:气化炉水冷壁温度数值模拟39280 |4结论本文利用有限单元法计算了气化炉水冷壁260中水冷壁的温度分布并对水冷壁温度的因素进十6 mm行分析,分析结果如下:随着水侧对流换热系数总240+*8mm的增大,渣钉温度和水冷壁温度都减少,但其影士10mm响趋势逐渐减少;随着炉内温度的增大,渣钉温奚220*12mm度、水冷管温度、鳍片温度都增大,但对渣钉温度的影响较大,并且具有较好的线性关系;随着渣20钉导热系数的增大,渣钉温度降低,水冷管温度1:2:3545增大,而鳍片温度基本没有影响;随着渣钉长度管间距1 mm的增加,渣钉温度增加，而水冷管温度和鳍片温图12鳍片厚度和管间距对水冷管温度的影响度基本保持不变;随着管间距的增加,渣钉温度、水冷管温度和鳍片温度都显著增加,而鳍片厚度-+6mm的增加可以降低渣钉温度、水冷管温度和鳍片400+8mm温度。350X12mm参考文献:[1]徐振刚,吴贤贤.Texaco气化技术及其在中国的应用[J].煤烟300炭转化,1995,18(1);20-21.[2]牛苗任,于广锁,马波,等.气流床干煤粉气化技术进展[J].250煤化工,2004,32(1);22-26.[3]郑振安.浅析SHELL煤气化技术在化工生产中的应用[J].00化肥设计,1998,36(3):6-9.1555[4]程乐鸣,施正乐,骆仲泱,等.循环流化床锅炉膜式水冷壁管与鳍片上温度分布[J].动力工程,2002 ,22(2)1674- 1680.图13鳍片厚度和管间距对鳍片温度的影响^[5]张继锋,岳光溪,方肇洪.循环流化床锅炉水冷璧壁温与热流计算研究[J].锅炉技术,1998,(12):1-4.The Numerical Simulate on the Temperatureof Water Wall of GasifierSU Zhi-Bin(Shanghai Boiler Works Ltd. ，Shanghai 200245, China)Key words: gasifier; water wall; the finite element method (FEM)Abstract: The finite element method(FEM)is used to calculate the temperature distributionof slag nail and water wall and analyses the influence of the heat transfer cofficient of waterwall, the temperature of gasifier, the thermal conductivity of slag nail, the length of slagnail, the pipe interval and the thickness of fin on中国煤化工and waterwall, It is used to design water wall of gasifier."YHCNMHG