水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析

第59卷第3期I学报Vol. 59 No.32008年3月Journal of Chemical Industry and Engineering (China)March 2008研究论文资水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析林伟宁，梁钦锋，徐.贏，刘海峰，于广锁，于遵宏(华东理工大学煤气化教育部重点实验室，上海200237)摘要:基于实验室小型水冷壁气流床气化炉，研究了两种油渣浆气化后在炉内壁形成渣层的内部结构及组成。建立了气化炉水冷壁的三维传热和应力模型，对气化妒紧急停车时炉壁的热应力变化及其分布进行了模拟计算。计算结果表明:渣层中越靠近渣层表面，热应力的变化越大;靠近水冷管和渣钉处的渣层热应力变化相对较小;渣层表面温度变化相同时，孔隙率大的渣层产生的形变较大. .关键词:气流床气化炉;水冷壁;渣层;热应力中圈分类号: TQ 054 .文献标识码: A文章编号: 0438-1157 (2008) 03-0713-08Analysis of thermal stress of slag layer for emergencyshutdown in water wall gasifierLIN Weining, LIANG Qinfeng, XU Ying, LIU Haifeng, YU Guangsuo, YU Zunhong(Key Laboratory of Coal Gasification, Ministry of Education, East China Universityof Science and Technology, Shanghai 200237 , China)Abstract: Inner structures and components of slag layers formed by gasification of two kinds of oil-slagslurry on the furnace wall were studied in a lab-scale water wall entrained-flow gasifier. A mathematicmodel of three dimensional heat transfer and stress was built. Based on the model the change and thedistribution of thermal stress for emergency shutdown were calculated. The results indicated that the closerthe position to the slag's surface, the larger the change of thermal stress in the slag layer. The thermalstress of the slag layer close to the water tube and the slag nail was comparatively small. At the samechange of temperature, the strain in the slag layer with higher porosity was larger.Key words: entrained-low gasifier; water wall; slag layer; thermal stress容量、高效洁净的燃气与合成气制备的首选技术。引言目前，气流床气化炉中耐火衬里有耐火砖和水冷壁气流床煤气化技术具有煤种适应性广、操作压两种。耐火砖衬里价格昂贵，寿命短[0]，需要定期力和温度高、碳转化率高、生产强度和规模大等特检修更换;而水冷璧技术的核心是“以渣抗渣”，点[2]，显示了良好的经济和社会效益，是煤炭大利用气化过程中产生的大量熔渣，附着在水冷管2007-07- 30收到初稿，2007- 10- 18收到修改稿。Reeived date: 2007- -07 - 30.联系人:广锁.第一作者:林伟宁(1981-), 男，硕士研Corresponding aothor; Prof, YU Guangsuo. E- mail: gsyu@究生.ecust. edu cn基金项目:国家重点基础研究发展计划项目Foundation item:. supported by the National Basic Research(2004CB217703);教育部“长江学者与创新团队发展计划"创新Prograr中国煤化工。ogram for Changjiang团队项目(IRT0620); 上海屠光计划项目(06SG34); 新世纪优Scholar:YHCN M H Giverity (RTO062),0秀人才支持计划项目(NCET-06-0416).the“Iu ugiaun aunguas cuuuauun Commission, China(06SG34) and the Program for New Century Exellent Talents inUniversity (NCET-06-0416).●714●I学报第59卷上，形成非常大的热阻，保护了水冷管，使得气化待炉内燃烧稳定后，切断柴油进料，改为油渣浆进装置可以长周期运转。从长远来看，水冷壁技术是.料。为模拟工业气化炉实际运行情况，调节氧油比今后发展的主要方向。[即氧气进料量(m' ●h-1) /柴油进料量(kg.实际操作中的-一个重要现象是，气化炉紧急停h-1)]为2.2~2.3， 保持炉内还原性气氛。油渣车后，水冷壁熔渣层会出现不同程度的裂缝。此类浆气化生成的熔渣附着在耐火材料表面，形成一定裂缝的存在，将导致气化炉再开车时产生局部高温厚度的渣层;水冷壁冷却水经泵(5)强制循环,点，容易饶坏水冷壁。这是由于气化炉运行稳定且采用热电偶(4)测量气化炉炉壁温度，信号经模渣层平衡时，水冷壁中热应力处于稳定状态，但紧块处理后存人计算机。为模拟工业中气化炉紧急停急停车操作将引起水冷壁温度分布变化，从而导致车情况，在炉壁温度升至1200C，并趋于稳定时，热应力变化，当热应力超出渣层的强度时，渣层就快速切断进料，并用氮气吹扫，保持冷却水强制循会出现裂缝。环，使气化炉内壁快速降温至1000C，再缓慢降不同煤种燃烧后在炉内形成的渣层在内部结构至常温。上存在明显的差异。Ana 等[+4) 研究发现，灰渣的vapour结构形式是决定热传导率的重要因素，在给定的温度下，热传导率随孔隙率的升高而下降。同时，熔DSS-。|咱r渣的内部结构和化学组成对渣层的强度有很大的影diesel oil西响。因此分别对两种灰渣进行了气化实验，测定冷却的渣样的孔隐率和化学成分，分析其力学性能，并建立三维传热和应力模型，计算炉壁的热应力及nitrogen占2其分布。oxygen日8月slagf syngas1实验研究1.1油渣浆的制备为缩短实验时间、增强实验效果，选用油渣浆图1实验室小型水冷壁气化炉紧急停车实验流程图Fig. 1 Flowchart of emergency shutdown experiment代替水煤浆进料。分别取两种不同灰渣A和Bin lab-scale water wall gasifier(灰渣A为上海焦化厂气化熔渣，灰渣B为上海焦1- -computer; 2- -data cllctionin module; 3- drum;化厂熔渣与锅炉燃烧熔渣组成的混合灰渣，其质量4- thermocouple; 5- -pump; 6- -heat exchanger;比为1: 1),其熔融特性如表1所示。灰渣经球磨7, 8- -flowmeter; 9- gsifier机粉碎、磨细，过125 μm筛，然后按质量比30 : 70将灰渣和柴油混合，搅拌均匀得到油渣浆。1.3实验 结果及渣样分析取冷却的气化炉内壁渣样，将其表面磨光，得表1灰渣熔融特性到渣样A和B。分别进行电镜扫描，得到50、Table 1 Ash fusibility temperature500、1000三个放大倍数下的渣样内部微观结构照Ash fusion point/C .片，见图2。在固定的放大倍数下拍摄7~10张照Sample SourceDelormation Sofening Hemisphere Flowing片，并运用图像处理软件ImageJ对每张照片进行temperature temperature temperatureA Shenfu coal 1148115411851186处理，估算局部孔隙率，然后计算其平均值([-10]。.B slag blends 116012241267本文中选取放大倍数为50的SEM照片，经处理和分析后，得到两种熔渣的孔隐率，见表2。另运1.2实验装 置及流程.用X射线荧光光谱技术分析熔渣中主要组分含量。实验室小型水冷壁气化炉采用膜式壁结构。水分析中国煤化工挂渣过程十分复冷管上按一定间距焊接渣钉，水冷管和鳍片上浇铸杂，Y台C N M H G研究孔腺率对渣层耐火材料SiC.实验流程如图1所示，柴油和氧气强度的影响，故构造两种虚拟渣样C和D,使其孔隙一起经喷嘴进入热模气化炉 (9) 进行点火操作，率分别为0.170和0.200,组成与渣样B相同。第3期林伟宁等:水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析●715●(x50)(x500)(10000a) sample AF(<500)(x1000)(b) sample B，图2熔渣样品在不同放大倍数下的扫描照片Fig.2 SEM image of slag sample at different magnification表2熔渣孔隙辜及组成Table 2 Porosity and composition of slagComposition/%(mass)AverageporositySiO2AlzOzCaOFezOsNa2OMgOTiOrK2OA0. 16943. 9130. 4512. 837.641.370.580.870.62B0. 23542. 8623. 0718. 289. 791.141.111. 101.06表3材料物性参数Table 3 Material characteristice parametersDensity,pYoung' s modulus, EExpansion coefficient,qMaterialPoisson ratio+μ/kg.m-3/MPa/W. (m. K)-1/K-1slag A19802. 59X10*0.200. 508. 00X10-6slag B1. 94X1040. 200.347.60X10-6slagC18542. 08X1040.457. 60X10-6slag D17872. 00X1040.39stainless steel7900(2. 09-0.0080)X105.0. 30(16. 28+0. 030)x 10-8C31601. 52X10*0. 163.804. 60X10-8采用XRD(X射线衍射)技术分析熔渣的矿壁温度及水冷管内的传热系数变化不大，渣层热应物组成。分析结果显示:熔渣A中，以钙黄长石力处于稳定状态;由于在水冷壁上焊有渣钉，在垂和赤铁矿为主，而熔渣B的主要矿物质则为拉长直方向存在热流，所以将问题看作是三维、稳定、石和钙长石。假设熔渣C和D的矿物组成与B相无内热源的导热问题。在建模和离散求解时，引人同。结合熔渣孔隙率及组成，获得4种熔渣的物性如下假设:参数11],见表3。(1)视选取的水冷壁局部为平板，忽略其曲率,中国煤化工2传热和应力分析模型MHCNMHG为各向同性;以实验室小型气化炉水冷壁为原型建立模型。(3)水冷管内壁与工质的对流传热系数及工质膜式水冷壁气化炉在运行稳定及渣层平衡时，炉内的温度沿管内壁四周均布;●716●化I学报第59卷(4)气化炉内产生的合成气对水冷壁的正压力应力边界条件为式(4)。该模型中应变的物理方程很小，相对于炉壁的热应力忽略不计;为式(5)， 另根据轴对称性质得边界条件式(5)熔渣层全部设定为固定层，其中组成和气(6)([40。孔均匀分布，各向同性。∞+5+o=+x=oytz以水冷管中心为原点，如图3所示建立直角坐标系。包括直简段水冷管、鳍片、渣钉、耐火照++ aox+y-o(3)材料层和渣层。参照表3选取水冷壁各材料物性++ o= +2=0参数。X=ol+Txm +τun'Y =o,m+r,l +rgn(4)Z=o,n+rml +rxm..- a+po2(+5$+E制)E(1-p)，= (1 +2(1-2)段22(s+1p+占)4(1+ p)(1一r险兰面(+与+制)E。= 201+月%，5= 20+mX,= = 2(1+mY% J5)图3计算模 型示意图e,=0 (x=0,工=号)6)Fig.3 Sketch map of calculation model式中o. o,、0。、y、tx、t为应力分量; X、1- watercooled tube; 2- -fin 3- slag nail;Y、Z为坐标载荷分量; l. m、n为边界法线方向4-refractory lining; 5- coal slag与x、y、z轴夹角。由于热应力满足线性叠加原理，因此，首先计3模拟计算算不同炉壁温度下的热应力，然后计算其差值即为基于上述假设，建立水冷壁传热和热应力计算温度变化引发的热应力。为描述方便，根据Mises的数学模型。采用有限元方法，对温度场与应力场屈服准则，在简单拉伸应力状态，应用等效应力的进行耦合计算1[]。在直角坐标系中，对于导热问定义式估算渣层热应力[5题，有稳态导热微分方程o=√(a-0)*+(0-0)+(0-o)门(7>(1京+j +z =0气化炉炉壁温度属于第1类边界条件;水冷管4结果分析与工质间的换热为强制对流换热，传热系数为hs;在计算模型中分别选取如下(1)、 (2)、 (3)、水冷壁与气化炉炉壳间为气隙层，包括自然对流换(4)位置的4组节点作为研究对象，考察向火面温热与辐射换热，相应的传热系数可以按式(2)度由1200C降至1000C时，各组节点的温度、应计算力和应变的变化和分布情况，其结果如图4~图6h.= Ac(GrPr)"所示。(1) x=0, z=0，沿y轴方向的一系列节点;h.=ec[(0)'- ()]/<τ-T.>(2(2) x=0, z=15 mm，沿y轴方向的一系列h=h+h,节点式中h为对流 辐射联合传热系数。中国煤化工y轴方向的一系热应力的产生必须具备两个基本条件:温度变列节MHCNMHG化和约束。根据牛顿运动定律，可知对于一般三维(4) x=55 mm, z=0， 沿y轴方向的一系列物体的受力情况，其空间力学平衡方程为式(3),节点。第3期林伟宁等:水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析●717●■sample A .20000●sample B▲sampleC150▼sample DI50g 1001000t50-100 10203040 5000。position/mm(a) nodes of group 1(b) nodes of group 2■sample A-10010203040500-10 σ(c) nodes of group 3(d) nodes of group 4图4各组节点温度变化Fig. 4 Temperature change of different nodes. SampleB20|. sample D●sample Dso|6030-1001020040 50-10 01020 30 40.Sampie R, 40吴20号10E 20f10-10010203040 5中国煤化工40 50MYHCNMHG图5各组节点热应力变化Fig. 5 Thermal stress change of different nodes●718●化工学报第59卷■sample A●sample B .●sample B▲sampleC▲sample C!7●sample D●sarmple D-10 00售20304050position/mma) nodes of group 1b) nodes of group 2.....................9十●sample A, sample Bs sampleC▲sample c. sample D▼sample D6复60:m*********8中4-10 0 102030 40 50-1001020304050(c) nodes of group 3(d) nodes of group 4图6各组 节点应变分布Fig. 6 Displacement of different nodes4.1 温度变化与分布SiC中a趋于平稳;耐火材料SiC与渣层接合处由图4可以看出，向火面温度由1200C降至0a急剧上升;渣层中Oo呈增大趋势，其表面Oσ1000C时，水冷壁模型中各组节点温度变化的绝对达到最大。渣层的矿物组成相同时，渣层中0a随.值OT沿y轴正方向呈上升趋势。不同材料中OT孔隙率的升高而增大。变化梯度存在差异，渣层中OT变化明显大于水冷.3 应变分布与比较壁其他部分，反映了渣层良好的隔热效果。由于水.由图6可以看出，不同内部结构的渣层中应变冷管和渣钉的冷却作用，模型中正交于y轴的截量|0e|差异显著。渣层A中各节点的|0e|为.面内节点的sT沿x轴正方向和z轴正方向都呈增(4. 716~4.977) X10-4 m,而渣层B中相同节点.大趋势，即靠近水冷管和渣钉的部分温度变化相对在相近的Oσ作用下|Oe |却大得多，为(9. 113~较小。渣层的热导率随其孔隙率的升高而减小，在.9.234) X 10-+ m,渣层C中|Oe|为(4.578 ~温度变化及分布上表现为:除表面温度相同外，随4.722) X10-* m,渣层D中|Oe|为(5. 722 ~孔隙率的增大，渣层中温度降低，sT减小，但6.095) X10-+ m.渣层的矿物组成相同时，渣层OT变化梯度增大。中|Oe |随孔隙率的升高而增大。由图2可见，渣4.2 热应力变化与分布样B的孔隙率较大，且存在尺寸较大、形状不规由于材料的热物理性质不同，导致水冷壁各材则的气孔。OE|的分析结果说明在相同应力作用料中热应力变化Oσ差异显著，不同材料接合处Oσ下，渣层B更易产生形变，结构相对不稳定。存在突变;靠近水冷管和渣钉的渣层中Oσ相对较中国煤化工分区域，在紧急小，如图5所示。由图5 (d)可见，沿y轴正方停车lYHCNMHG;渣层A表面大向，鳍片中OB先减小后增大，变化并不明显;而多数的裂纹并不明显[如图7 (a)所示],而渣层B鳍片与耐火材料SiC接合处a骤降;耐火材料表面的裂纹则清晰深刻得多[如图7 (b)所示]。林伟宁等:水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析●719●before experimentafer experiment(a) surface of slag layer Aafter experiment(b) surlace of slog layer B图7实验前后照片对照Fig. 7 Photos comparison of experiment[2] Steinberg Meyer, Cheng Hsing C Modern and prospective5结论technologies for hydrogen production from fssl fuels.'International Journal of Hydrogen Energy, 1989, 14(1)不同油渣浆气化后附壁形成的渣层内部结(11); 797-820构和矿物组成有所差异;渣层的矿物组成相同时，[3] Yu Guangsuo (于广锁), Niu Miaoren (牛苗任)，Wang在实验选取的孔隙率范围(0. 170~0. 235)内，随Yifei (王亦飞)，Liang Qinfeng (粲钦锋)，Yu Zunhong(于遵宏)。Application status and development tendency of孔隙率的升高，熔渣的密度降低，热导率和弹性模coal entrained-bed gasification. Modern Chermical Industry量减小，热膨胀系数无明显变化。(现代化工), 2004, 24 (5); 23-26(2)气化炉水冷壁中温度改变将导致热应力改[4] Ana Zbogar, Flemning J Frandsen, Peter Arendt Jensen,变;水冷壁结构中不同材料Oa差异显著;渣层Peter Glarborg. Heat transter in ash deposits: a modelingtool-box Progress in Energy and Combustion Science ,中，越接近其表面，O越大，靠近水冷管和渣钉2005，31; 371-421处相对较小。[5]Rezaei H R, et al. Thermal conductivity of coal ash and(3)在本实验操作条件下，与灰熔点较高的灰slags and models used. Fuel, 2000, 79; 1697-1710渣气化形成的渣层相比，灰熔点较低的灰渣气化形[6Marci Giuseppe, Augugliaro Vincenzo, et al. Preparationcharacterization and photocatalytic activity of polyerstelline成的渣层的孔隙率相对较低，并且表现出更高的强ZnO/TiOr systems ( I ): Surface and bulk度;渣层的矿物组成相同时，孔隙率高的渣层在相characteriation. Journal of Physical Chemistry B, 2001,同热应力变化条件下将产生较大形变，结构相对不105 (5); 1026-1032稳定，容易破裂。[7Wilcox D, Dove B, McDavid D. Image Tool. San Antonio:The University of Texas Health Science Cenre, 1995References[8] Drzazga Wlodrimierz, Paluszynski Jaroslw， SlowkoWVitold.Three dimensionalcharacterization[1] Gong Xin (费欣), Guo Xiaolei (郭晓镭)，Dai Zhenghua中国煤化工urememt Science and(代正华)，Yu Zunhong (于遵宏), et al. New-typegsification technology of pressurized entained-lw for[9CHCNMHGsJ. Imoge pocsipulverized coal Modern Chemical Industry (现代化I),with ImageJ. Biophotonics International, 2004， 11 (7);2005, 25 (3); 51-5436-42化I学报第59卷[10]’Hlliard J E Measurement of volume in volume//DeHoff Rresidual thermal stress in ceramic-lined composite pipeT, Thines F N. Quantitative Microscopy. New York:prepared by centrifugal-SHS. Materials Science ancMeGraw Hill, 1968: 45-76Engineering A, 2007, 460/461; 130-134[11]Iopman H B. Physical Properties of Rocks and Minerals.[14]Noda Naotake. Thermnal Stresses. 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