水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析

.第60卷第10期化工学报Vol. 60 No. 102009年10月CIESC JournalOctober 2009研究论文 名水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析林伟宁，粱钦锋，刘海峰，于广锁，龚欣(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)摘要:在实验室小型水冷壁气化炉上进行变工况气化试验，建立气化炉水冷壁的二维传热和应力模型，对气化炉变工况时水冷璧及淹层中的温度及应力变化进行了模拟计算。模拟结果表明:水冷壁及渣层中的周向应力及径向应力均随温度的升高而增大，而周向应力在数值上相对较大。在清层碳化硅层接触面上，随指定点与水冷管及渣钉的距离逐渐增大，等效应力迅速增大后趋于稳定;不同材料中的等效应力差异显著。关键词;气流床气化炉;水冷壁;渣层;热应力中图分类号: TQ 054文献标识码: A文章编号: 0438-1157 (2009) 10- 2568-08Temperature and thermal stress analysis in membranewall gasifier under varied work conditionsLIN Weining, LIANG Qinfeng, LIU Haifeng, YU Guangsuo, GONG Xin(Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education,East China University of Science and Technology, Shanghai 200237 . China)Abstract: Gasification experiment was performed in a bench- scale membrane wall entrained- flow gasifierand the work conditions were altered during the process. A two dimensional model for the membrane wallwas established to simulate the temperature and thermal stress changes. Results indicated that both thecircumferential and the radial stress increases with the temperature rising in the membrane wall and slaglayer, and the circumferential stress is relatively greater than the radial one. On the interface of slag andsilicon carbide layer, the equivalent stress increases rapidly and then reaches to a steady state with thedistance from the selected node to the water tube and the slag nail. Significant difference in the equivalentstress was observed for different materials.Key words: entrained- flow gasifier; membrane wall; slag layer; thermal stress过程中产生的大量熔渣，附着在气化炉内壁上，形引| 言成具有较大热阻的隔热层，从而对炉体起到保护作气流床煤气化技术具备煤种适应性强、碳转化用，使得气化装置可以长周期运转。率高、易于大型化等优势(国],已成为煤基大容量、但在工业实际操作过程中，气化炉变工况尤其高效洁净的燃气与合成气制备的首选技术，得到了是停车后，炉内壁附着渣层可能出现开裂甚至脱落广泛应用。水冷壁气化炉作为气流床气化技术的重的现象，这将导致气化炉水冷壁的局部温度过高，要分支，其核心思想为“以渣抗渣”，即利用气化缩短气化炉内件的使用寿命。目前普遍认为，这是2009-04-10收到初稿，2009 -06 - 29收到修改稿。Received date: 2009-04-10.联系人:于广锁。第一作者:林伟宁(1981-), 男，博士研中国煤化工-5yu@ecust. edu. cn究生。lional Natural Science基金项目:国家自然科学基金项目(20876048); 国家重点若Foundti:YHC N M H Gional Basic Reseatch础研究发展计划项目(2004CB217703); 新世纪优秀人才支持计划Program of China ( 2004CB217703) and the Program for New项目(NCET 060416)。Century Exellent Talents in University (NCET-06-0416).第10期林伟宁等:水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析， 2569由于渣层及其接触的耐火材料的热膨胀系数存在差异，温度的改变将引起较大的热应力，当热应力超vapour过渣层与耐火材料的附着强度时，渣层就会开裂、脱落]。因此，对气化炉变工况引起的热应力进行研究具有重要意义。Gasser 等[5] 运用有限元法对15不同压力载荷下耐火衬里中的应力分布进行了分析预测。周俊虎等[6]建立二维锅炉渣层传热模型，对不同工况下渣层热应力进行了稳态模拟计算，并以其差值表征变工况引起的热应力。然而，气化炉变slagT，sysgasLJ14工况是瞬态过程，上述方法不能准确地描述水冷壁17及渣层中热应力的变化过程。因此本文在试验的基:础上，建立水冷壁及渣层的二维传热与应力数学模图1水冷壁 气化炉气化试验流程图型，采用有限元法对气化炉变工况下温度及热应力Fig.1 Flow diagram of gasification of的变化情况进行模拟计算。membrane wall gasifier1气化试验方法1-gasifier; 2- drum; 3-circulating pump;4-heat exchanger; 5, 11- flowmeter; 6- -diesel oil vessel;本文基于实验室小型水冷壁气流床气化炉，采7- metering pump; 8- -ash-oil slurry vessel;用油灰浆(柴油与煤灰的质量比为7: 3)和氧气9-singlescrew pump; 10- -oxygen eylinder;12- nozzle; 13- -argon eylinder; 14- slag lock;混合进料，进行气化渣层沉积试验，试验流程如图15- -thermocouple; 16- -data acquisition module; 17- computer1所示。水冷壁气化炉分为上锥段、直简段和下锥段，其中上、下锥段采用盘管结构，直筒段采用列1200管结构。水冷管上按一定间距焊接渣钉，管间采用鳍片连接。水冷管和鳍片上依次浇铸耐火材料氧化900铝和碳化硅，其厚度分别为25 mm和10 mm。水| preheatingAOS fedingI cooling冷壁通过集箱与汽包及换热器相连，构成冷却水循600 t环系统。去离子水经泵强制循环。气化炉运行时采用单喷嘴顶部进料，燃料油、油灰浆由计量泵输送300经喷嘴进入气化炉。喷嘴采用三通道设计，中心通道走油灰浆，环隙通道走柴油，外侧通道走氧气。60180240气化过程中产生的合成气由底部管道进人激冷室，time/min然后经烟气管道放空。炉体上装有K型热电偶以图2渣层表面温度 时间曲线测量气化炉内的渣层表面温度，温度信号经研华公.Fig.2 Temperature time curve of surface of slag layer司生产的ADAM-4018模块进人计算机，由工控组中，冷却水循环系统中的流量保持恒定，上锥段为态软件MCGS显示并存储。本试验分为3个阶段。第一阶段，气化妒点火0.2m'●h-',直简段与下锥段为0.65 m'●b-'.成功后采用柴油和氧气混合进料对炉膛进行预热，气化炉内渣层表面温度的变化情况如图2所示。渣层表面温度由23C迅速升高至约740C.第二阶2数学模型段，切人油灰浆，在炉膛内进行气化挂渣，并通过调节柴油和氧气流量，保持炉膛内的还原性气氛。.气化炉变工况时，水冷壁中温度变化是瞬态传本阶段中，渣层表面温度先迅速升高后趋于稳定，热过中国煤化工其进行瞬态热分最终维持在约1150C.第三阶段，停车操作，采析。|YHC NMH G内，忽略其曲率及用氩气吹扫并保持冷却水循环以使炉体降温，渣层轴向传热，并根据对称原则，在直角坐标系中建立表面温度在60 min内降低至约353C.试验过程水冷壁直简段二维模型。经简化后，该模型由水冷●2570●化工学报第60卷管、鳍片、渣钉、氧化铝层、碳化硅层及渣层构CD成，见图3。其中，水冷管、鳍片及渣钉的材质均为不锈钢。水冷壁各材料的物性参数如表16]、表2[”、表3189]、表401]所示。在模拟计算过程中引入如下假设:(1)渣层全部为固定层，其表面温度均匀分布;(2)各材料结合紧密，仅考虑其间的热传导;(3)水冷管内壁与冷却水的对流传热系数沿水冷管内壁四周均布，水温均匀且保持恒定;(4)与热应力相比，气化产生的合成气对水冷壁的正压力非常小，故忽略不计;图3水冷壁计算模 型示意图(5)水冷壁模型中各材料质地均匀，各向同Fig. 3 Schematic view of membrane wall model性，且在变工况时仅发生弹性形变。1- watercooled tube; 2- fin; 3- -slag nail;基于水冷壁结构特点及上述假设，则平面温度4- alumina layer; 5- slion carbide layer; 6-slag layer场的微分方程为1213]表1不锈钢物性参数Table 1 Properties of stainless steelTemperature, T/CProperties100300500conductivity, k/w.m-1●C-113.2614.4617.2420. 8423.07Young’s modulus, E/GPa200.38189. 28.171. 42160.71146. 54poisson ratio, μ0.29expansion coefficient, a/C -116. 3X10-*17X10- -后18. 76X10-*20. 82x10-621. 94X 10-* .specific bheat,c/J.kg-1.c-1456. 78491. 07535. 71555. 35571. 42density. p/kg. m~3803表2氧化铝物性参数Table 2 Properties of aluminaConductivity,k/W.m 1.C-1Young's modulus, PoissonExpansion coefficient, Specific heat，Density,100C300C 500C 700C 900CE/GParatio, μa/C-1c/J.kg-'●它- p/kg.m-s28. 923.8 18. 613.5 8. 33700.247.2X10-01087. 13980裹3碳化硅物性参数Table 3 Properties of silicon carbideConductivity.k/w.m-I●C-1Young' s modulus, PoissonExpansion cofficient Specific heat,Density,20C300C 600C 900C 1200Cc/J.kg-1●C-1 p/kg. m-'35.13 29.95 24.40 18.85 13. 304100.143.1X10-6803100表4渣层物性参数Table 4 Properties of中国煤化工Conductivity.k/W.m '. C-1Young's modulus,PoissonTYHCNMH G*_p/kg. m-3400C 600 800C 1000C 1200C”1” “1.782. 252.73 3. 2020.50.28. 0X 10-65601980第10期林伟宁等:水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析●2571 ●(影+号)+a=r架(1)平面应力和应变各分量的关系式为为得到上述微分方程的唯一解，必须附加边界0=二[(e-0) +u(e, -ep)]|条件和初始条件，统称为定解条件，与微分方程耦o,=二[(s, -5o) +u(e,-eo)](4)合求解。本模型中，在渣层表面(AB)上施加如.图2所示的温度-时间载荷，水冷管内壁(EF)上功= 2(1+2%施加其与冷却水的强制对流载荷，鳍片表面平面应变和位移关系的向量形式为(GH)和水冷管外表面(HI)上施加其与空气的a对流载荷;水冷壁及渣层的初始温度均匀分布，为23C。{&}= e, =(5)平面应力场的微分方程及其边界条件分别为式0+ |(2)和式(3)应用伽辽金法对微分方程式(1)和式(2)进3. +x +x=put2(2)行变分计算，并引用格林公式将区域上的面积积分0+登+Y=p邵与边界上的线性积分联系起来，可得到温度场有限元基本方程式(6)及位移场有限元基本方程式Q =o,l+ tyxm l(3)(7)[13) .Q, =o,m +txl ,JW.器-。[(01+0鄂)一q.w.+pcW.留]ardy-_.*w. nds (in .2..(6)2JD-D。(=z[(器+鄂)-(a+mosT]%E_(」u\aw.Jπ +20+(器+岁)岁-xW, +pW.}drdy-中. W.Q,ds=0(i= 1,2.,..n)(7)歌-D。{导[(影+p鄂)-1+)os]岁+年的(最+号)要-YW, + pW.和drdy-o W,Q,ds=0直接求解式(6) 和式(7)十分困难，因此采1200用有限元法把模型划分为4106个四边形单元和4254个节点，并把连续的温度场及位移场离散到00 t各节点上，采用直接耦合法“4]对温度和应力进行求解计算。003结果与讨论node J300node Knode L3.1 水冷壁中的温度变化node M选取模型中点J、K、L.M作为研究对象612180240(见图3),分别对各点温度在变工况时的变化情况time/min进行计算分析，计算结果如图4所示。点J位于渣图4点JK、L、M温度-时间曲线Fig. 4 Temperaturetime curve of node J, K，L and M层表面，该点温度与施加的温度载荷相同，最高温度为1150C.点K位于渣层-碳化硅层接触面，由601C.与点J相比，点K、L、M的温度极值点于渣层的热导率很小，具有良好的隔热作用，因的出现时间相对滞后。此，在整个变工况尤其升温过程中，点K的温度3.2中国煤化工比渣层表面温度低得多，最高温度仅为884C.点CNMH G在x轴方向和yL、M分别位于碳化硅层-氧化铝层接触面以及氧轴方向的应力分量随时间的变化曲线分别如图5和化铝层鳍片接触面，其最高温度分别为812C和图6所示。， 2572 ●化工学报第60卷0r-100-600。slaglayersiC layer易-200-1200-300-18006208060180240time/min(2) node J(b) node K-800-v Al2O; layerofin.百-1600。siC layer口Al2O3 layer号-1800-2400-32000120-3000(C) node L .(d) node M图5各点x轴方向热应力-时间曲线Fig. 5 Thermal stress time curves of nodes for r-direction由图5可见，各点x轴方向的应力分量(周向应力的极值为1.24 MPa,碳化硅层中点K处则为应力)均经历了增大-稳定-减小的过程，其方向为2. 52 MPa;碳化硅层中点L处径向应力的极值为x轴负向。结合各点的温度变化后发现，温度升高56.9 MPa,氧化铝层中点L处的径向应力相对较或降低时，周向应力随之增大或减小;温度趋于稳大，其极值为63.4 MPa;氧化铝层和鳍片中点M定时，周向应力亦趋于稳定。点J的周向应力极处径向应力差异较小，其极值分别为61.3 MPa和值为257.6 MPa.点K、L. M均位于两种材料的64. 7 MPa.接触面，而在不同材料中同一位置处的周向应力存根据模拟结果可知，热应力随温度的升高而增在较大差异，且远离渣层表面的材料中的周向应力大。因此，在保证气化装置正常运行的情况下降低相对较大。渣层中点K处周向应力的极值为196. 8操作温度能够有效降低热应力，从而减少气化炉内MPa，碳化硅层中点K处为1618 MPa;碳化硅层渣层开裂及脱落现象。中点L处周向应力的极值为1277 MPa,氧化铝层3.3等效应力分布中点L处为2920MPa;氧化铝层中点M处周向应力的极值为1640 MPa,鳍片中点M处为选取路径CD (即渣层碳化硅层接触面)及2550 MPa。.路径BG.并根据Mises屈服准则，应用等效应力由图6可见，各点在y轴方向的应力分量(径分别中国煤化工进行描述。等效向应力)亦呈现出增大-稳定减小的趋势，但与周应力IYHCNMHG向应力相比，各点的径向应力相对较小。点J的径向应力极值仅为0. 12 MPa;渣层中点K处径向a=√(ao-g)+(a,-)+(a一)门(8) .第10期林伟宁等:水冷壁气化炉变工况退度及热应力分析●2573●0.150.10)_2号0.05。slag layer。SiClayer6012018024062018time/min(a) node J(b) node K805040。siC layer20|v Al;O3layv Al2O, layera fintimne/min(2) node L(d)node M图6各点y轴方向热应力时间曲线Fig.6 Thermal stress time curves of nodes for y diretion2003000Al;O, layer goou160}E 200siC layer140slag layer0.010.020.03x-direction/m0.01 0.02 0.03 0.04 0.05图7路径CD 上等效应力分布曲线y-direction/mFig7 Equivalent stress distribution curve of path C-D图8路径BG上等效应力分布曲线Fig.8 Equivalent stres dstribtion curve of path BG当渣层表面温度达到1500C时，两条路径上的等效应力分布分别如图7和图8所示。化硅层接触面上，远离水冷管及渣钉处的等效应力由于水冷管及渣钉的影响，渣层-碳化硅层接相对较大，此处的渣层在变工况过程中更易开裂或触面上的a并非均匀分布，而是呈现先增大后趋于脱落中国煤化工之间的距离不宜稳定的趋势(见图7)。本模型中，x轴方向大于过大.CHCNMHG0.03m后，水冷管及渣钉对渣层碳化硅层接触面由图8可见，路径BG上不同材料中的F差异上石的影响不再明显。以上结果表明，在渣层-碳十分明显，材料接触面处存在阶跃。面相同材料2574●化工学报第60卷中，随该点与渣层表面距离的增大，即温度的降o,, a,, y应力分量，Pa低，于逐渐减小。周俊虎等[f]对锅炉水冷壁渣层热aJ. aJ. 2J-变分算符at'gu'应力的模拟计算中曾得到相似的结果。References4结论1] Gong Xin (龚欣), Guo Xiaolei (郭晓镭)，Dai Zhenghua本文采用油灰浆进料在实验室小型水冷壁气化(代正华)，Yu Zunhong (于遵宏)，Han Fei (韩飞)，炉中进行了气化试验，并建立水冷壁及渣层的二维Zhao Ruitong (赵瑞同), Lu Chuanlei (目传磊)，Lu传热与应力数学模型，采用有限元法对气化炉变工Wenxue (路文学). New-type gasification technology ofpressurized entrained-low for pulverized coal. Modern况下温度及热应力进行了瞬态分析，结论如下。Chemical Industry (现代化工)，2005, 25 (3): 51-54(1)变工况时水冷壁中温度发生变化，热应力[2] Yu Guangsuo (于广锁)，Niu Miaoren (牛苗任)，Wang亦随之改变。温度升高或降低时，选取各点的周向Yitei (王亦飞)，Liang Qinfeng (梁钦锋)，Yu Zunhong应力随之增大或减小;温度趋于稳定时，周向应力(于遵宏). Application status and development tendency of亦趋于稳定。不同材料中同一点处的周向应力存在coal entrained-bed gasification. Modern Chemical Industry(现代化工)，2004, 24 (5): 23-26差异，且远离渣层表面的材料中的周向应力相对较[3] Steinberg Meyer, Cheng Hsing C. Modern and prospective大。与周向应力相比，各点的径向应力在变工况时technologies for hydrogen production from fossil fuels.呈现出相似的变化趋势，但其值相对较小。International Journal of Hydrogen Energy, 1989， 14(2) 选取路径CD (即渣层碳化硅层接触面)(11); 797-820及路径BG,根据Mises屈服准则，应用等效应力[4]Ana Zbogar, Flemming Frandsen, Peter Arendt Jensen,Peter Glarborg. Shedding of ash deposits. Progress in分别对两条路径上的瞬时应力分布进行描述。结果Energy and Combustion Science, 2009, 35; 31-56表明，在渣层-碳化硅层接触面上，远离水冷管及[5] Gasser A， Boisse P， Rousseau J， Duthillet Y.渣钉处的等效应力相对较大，此处的渣层在变工况Thermomechanical behavior analysis and simulation of steel/时更易开裂或脱落。不同材料中的于差异十分明refractory composite linings. Composites Science andTechnology, 2001, 61; 2095-2100显，材料接触面处存在阶跃。而相同材料中，随温[6Mustafa Tparli, Faruk Sen, Osman Culha, Erdal Celik.度的降低，e逐渐减小。Thermal stres analysis of HVOF sprayed WC-Co/NiAImulilayer coatings on stainless steel substrate using finiteelement methods. Materials Processing Technology, 2007.c-- -比热容，J.kg-1.C-1190; 26-32D-一平面温度 场的定义域[7] Liu Hongbing, Tao Jjie, Gauteu Yoann, Zhang Pingze,Xu Jiang. Simulation of thermal stresses in SiCAI2O3E--弹性模量， GPacomposite tritium penetration barrier by finite element节点编号.analysis. Materials and Design, 2009， 30 ( 8 );k--热导率， W.m'●C-12785-2790l, m--边界法线方向与工、y轴夹角[8] Dimitrjevie M， Posarac M， Majstorovic J， Volkovn-物体边界 的外法线向量Husovic T, Matovic B. Behavior of silicon carbide/Q，Q,- - -边界上面力均布载荷分量，Pacordierite composite material after cyclic thermal shock.q.一材料内热源强度，W. m-3Ceramics International, 2009，35; 1077-1081T一温度,C9] Wu Qingren (吴滑仁), Wen Bixuan (文璧服). Studies ont--时间，stemperature dependence of thermal conductivity and linearexpansion for SiC material. Journal of South Chinau, v-弹性位移分量，mUniversity of Technology: Natural Science(华南理工大学W-- -权函数学报:自然科学版)，1996， 24 (3); 11-15x, Y- -坐标载荷分量[10]Zhou Iunhu (雁俊虎). Yane Weijuan (杨卫娟)。Liu热膨胀系数,C-1中国煤化工(周志军), Cao Xinyu物体边界e, e,, y-应变分量，mHC N M H Grrmal steoetmal stress of slag onwaur tuveLredtcu uy UUeE Iuou sIL Journal of Chemicalp--泊松比Industry and Enginering (China)(化工学 报)，2003, 54p- -密度，kg.m-312)。1678-1682第10期林伟宁等:水冷壁气化炉变工况温度及热应力分析●2575●[11] Ana Zbogar, Flemming J Frandsen, Peter Arendt Jensen,[14] Wang Yufei, Yang Zhenguo. Finite element analysis ofPeter Glarborg. Heat transfer in ash deposits: A modelingresidual thermal stress in ceramic-lined composite pipetool-box Progress in Energy and Combustion Science,prepared by centifugal-SHS. Materials Science and2005, 31; 371-421EngineeringA, 2007, 460/461; 130-134[12] Li Weite (李维特)，Huang Baohai (黄保海)，Bi Zhongbo [15] Gong Jun (龚俊), Lang Fuyuan (郎福元)，Wang Min(毕仲波)。Theoretical Analysis and Application of Thermal(王珉)，Li Jianbua (李建华), Liu Zhan (刘展). MixedStress Beiing: China Elecric Power Press, 2004mode fracture crteria based on unified strength theory.[13] Kong Xiangqian (孔祥谦)，Finite Element Analysis ofJournal of Mechanical Strength (机械强度)，1995，2:Thermal Stress (热应力有限单元法分析)。Shanghai;(3): 347-351Shanghai Jjiao Tong University Press, 1999中国煤化工MYHCNMHG