气化炉复合炉衬的传热计算

第27卷第4期煤炭转化Vol.27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOct. 2004气化炉复合炉衬的传热计算袁宏宇'王辅臣2) 于遵宏3)摘要新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉拟采用水冷管和耐火浇铸料组成的复合炉衬结构.炉内的高温高压对复合炉衬的高温侵蚀十分严重,是影响其寿命的重要因素，因此合理设计气化炉.复合炉衬的结构对充分发挥其材质的作用具有十分重要的意义.建立了气化炉复合炉衬的传热计算的数学模型,同时编制了模型求解的计算程序,并用某工艺条件对复合炉衬的温度分布进行了计算.结果表明，该方法可有效计算出复合炉衬的温度分布情况,为复合炉衬的设计、运行和维护提供理论依据.关键词复合炉衬,传热计算 ,数学模型中图分类号TQ545Heat-0引言insulationlayerRefrarctory气化炉中炉衬的选择有两种一耐 火砖或水冷, linling壁. Texaco气化炉采用耐火砖衬里1,由于气化过GasiferWater- cooling程是在高温高压的条件下进行,因此对向火面耐火pipe砖的高温侵蚀十分严重,目前Texaco气化炉向火侧的耐火砖最长寿命仅2年2，耐火砖已成为德士古煤气化装置经济运行的制约因素.Shell气化炉采图1复合炉衬局部结构示意图用水冷壁技术[3] ,膜式壁内涂一层耐火材料,正常操Fig.1 Sketch map of local structure of作时,依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护水冷壁,使得composite lining in gasifier气化装置可以长周期运转.因此，从长远考虑，水冷定的工作条件下,充分发挥材质的作用.壁优于耐火砖,是今后的发展方向.有鉴于此，我所在承接国家“九五”攻关项目一新 型(多喷嘴对置)1复合炉衬的热力工况分析水煤浆气化炉的研究过程中[4]，也在进行水冷壁炉衬的研究工作,拟采用水冷管和耐火浇铸料的复合图2中给出了气化炉复合炉衬正常工作时炉衬炉衬结构,达到以渣抗渣,降低气化炉对高级耐火材受热的简化模式.图2中tam为液膜表面温度,t为料的需求和延长气化炉寿命的目的.熔渣临界温度，心为钉端表面温度，为钉上衬层.复合炉衬部分由带渣钉的水冷管和耐火浇铸料表面温度,te2为钉间炉衬表面温度，如为钉根管壁组成,其结构见图1.在气化炉的工作过程中,向火温度,tbcn为钉间衬料层下管壁温度,qx为渣流表面面的耐火材料裸露在炉膛中，受到1000 C以上的轴向热流密度,q1为钉端轴向热流密度，q1.h为钉端高温辐射,因此无论对渣钉还是对耐火浇铸料的材高度，上的钉间衬料层轴向热流密度,qa.n为钉上村质要求都比较高.为使复合炉衬能持久而稳定工作，料层横向热流密度,为渣膜层横向热流密度，除了渣钉和耐火浇铸料的材质因素外,更重要的是qo..n为钉侧横向热流密度,qo为钉根轴向热流密度，合理设计渣钉和耐火浇铸料的复合结构,使之在给0o.ch为钉间衬料层底面轴向热流密度,91.c为钉端高*国家“863”计划项目(2003AA521020)和上海市科技发展基金资助项目(03QF 14013).1)硕士生:2)教授、博士生导师,华东理工大学洁净煤技术研究所.200237上海收稿日期:200-06-11:修回日期:2004-07-2122煤炭转化2004 年度上钉间衬料层轴向热流密度,qp为管壁散漫热流态渣.将塑性层归为固态渣层: 3)渣的导热系数均密度，0b为渣膜不动层厚度,δm为渣膜流动层厚看作是常数;4)渣层的厚度是一维的,沿炉膛高度，度,8xm为全渣膜层厚度,8u为钉上衬料层厚度.渣层的厚度保持不变;5)渣钉各截面上温度分布对于中心是对称的;6)假定在模型计算宽度和高度范Slag pin .围内,炉体内表面附近的炉温均匀.根据以上条件，参照文献[5]及结合我所承担的国家“九五”重点科技攻关项目一-新 型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发中试实验,建立了气化炉复合炉衬传热计算的数学模型.62.1平均热流密度计算与渣层厚度的确定根据工艺要求,复合炉衬部分损失热量约为0.25%,在热力计算中取得平均热流密度(qx);qx=煤热值x每小时燃煤公斤数x热损失率图2复合炉衬热 工况图传热面积Fig.2 Heat transfer in composite lining(1)由于渣钉和衬料层导热性能的不同,复合炉衬按照经验比率k。扩大，以求得最大热流密度,即的传热不是均一的.由于钉体的导热系数较大,更多qxx= kyg9x(2)的热量将通过钉体传给水冷管.钉体的温度也较周确定渣膜流动层厚度(δu),可按下式计算:围衬层温度为低,因而在钉端以上衬层中和渣层内δm= Aanthm二to产生横向热流,向钉端集中,同时,沿渣钉长度上整个侧面都有横向热流传递给钉体.一般,渣膜表面横式中:--渣膜流动层底平均导热系数,am向热流很小,可予忽略;另外,在管壁外表面上,集中渣膜表面温度,to一煤 渣相变温度.于渣钉根部的轴向热流量，显然要比钉间衬料的剩确定熔渣不动层的厚度:余轴向热流量大得多.自然,管壁表面温度也是钉根δbb = Ah(4)高.这种情况下,热流将从钉根向钉间管壁“散漫".式中: Asb-渣膜不动层平均导 热系数,d一热散漫的强度还与管内介质的对流换热能力有关.钉上衬层温度，可预先假定,然后试差计算得到.在横向热流影响下,沿钉体和钉间衬料的实际轴向热流量和温度具有不同的分布.2.2 炉衬工况特性参数热流在渣钉中的集中程度与渣钉和衬料的导热由于炉衬结构的复杂性,引入以下参数:性能,渣钉布置密度以及渣钉相对长度(lha/dx)有1)比值(w) : w表示渣钉轴线上渣膜、衬料层关,渣钉和衬料的温度分布情况也是直接受热流集和钉体的热阻与钉间的渣膜和衬料的热阻之比,以中程度的制约.正是由于热流向钉体集中,才使得钉表明衬层.上热阻的不均匀程度(见图2).端以上的衬料层中温度降度最大.同时钉端周缘也是钉体上温度最高的部分.w=R咖+ R'+ RsRh+ Ram式中: Rtam= o + Oon ,Rm是渣层的总热阻,为渣2传热计算的数学模型膜流动层与不动层的热阻之和;R'a= on ,R'为从传热的角度出发,可以作如下基本假设:渣钉上衬料层热阻,入为衬料层平均导热系数: Rnd1)炉衬的热力工况是属于三维传热的问题,但=号,Ra为渣钉热阻,hes渣钉长度.由于熔渣层的厚度以及耐火浇铸层的厚度相对于炉子直径而言较小,可以近似作二维平面处理; 2)渣2)比值(ρ):p表示渣钉钉面以上的衬层和渣的熔解温度范围被处理成-一个显著的相变温度,低层的热阻与该端面以下的渣钉和钉间衬层的平均热于相变温度的则为固态渣,高于相变温度的则为液阻之比,是表明炉衬复合材料对衬层中热流密度分第4期袁宏宇等气化炉复合 炉村的传热计算配和温度降度影响的参数，表达式为:. SlagLayerRefractory lining layerR'd + Ramp= RJa+ (R'm- R'n)(1一fa)(6)式中: fxa表示渣钉布置密度,等于单位面积上渣钉布置面积所占份额.3)热流集中密度(4).渣钉上热流集中密度更为同截面上渣钉平均轴向热流密度q(x)和衬层图3复合炉衬的热流密 度分布Fig.3 Heat flux in composite lining平均轴向热流密度qn(x)之比:式中: (ha+ δ°n)≤x≤(ss+ °'sb + shm).坐=q(I)>12)钉上衬层中热流密度分布.可以认为其间横qo(x)向热流(qh.h)维持不变.在渣层和衬料层的接界面dt(x)上由于导热系数的改变,横向热流发生不连续的跃可表达为:业u=x des(x)升, qm.h和qh.应维持q.b = 9..6(u/h>),相应地A dzlx≤x≤(hxs + δ'c).式中: du(x)渣钉沿轴向的温度降度，dhasco)钉间3)沿钉体侧面的横向热流密度分布.可以认为dr衬料层轴向的温度降度; Wxd应与渣钉和衬层的导是从顶端橫向热流密度(q1.)起以线性规律分布至热系数、渣钉布置密度及渣钉的长度直径有关.也即钉根(钉根为零).同时,在钉端处钉侧衬料是连续= f(x/ahufe.lss/dx)的，所以q.n和q1..相等,这样钉侧热流分布:式中:de为渣钉的直径.qou.b(x) = 9.(x/1hs) ,相应地0≤x≤lu(12)根据实验结果,渣钉端部热流集中密度系数可根据实验结果,顶端平均横向热流密度可按下式进按下列经验公式计算:行计算:.17(1 - w)(1 + p)+ 1] (8)q1h= 0.049今一(1二f02)9<(1.4 +w)Anafxt +福(1一fxa)(13)2.3钉端轴向热流密度的确定在稳定的过程中,炉衬的各个层面上轴向平均2.5钉根和钉间衬料根部 平均轴向热流密度的确定热流密度应维持不变,且等于渣膜表面的热流密度，这样,对于同一个截面,q(x)和Qon(x)应满足下列平1)钉根平均轴向热流密度(qo)根据(12)表述衡方程:的规律钉体侧面接受的总横向热量为:q(x)gfxa+ qa(x)g(1 - fa)=9x，再带入Q= -dashu91h(14)得到q(x) =(9)钉体接受的横向热流量为:fxs+ (1- fa)亚Q = 2da91.b(15)将(8)带人(9)得到渣钉端面的轴向热流密度(q1)的确定式这样钉根平均轴向热流密度为qo= (Q + Q)/Fxd，Fx-钉体的截面面积91 =fas+(1- f2)会[1.17(1 -w)(1+p)+ 1]将(14)、(15)带人上式整理可得qo≈_9qh+qi(16)2.4衬层中横向热流密度的确定2)钉间衬料根部平均轴向热流密度(qo.ch)衬层中横向热流密度的分布存在三种形式:1)渣层中横向热流密度的分布.在渣膜的表面在渣钉端面上，钉间衬层的轴向平均热流密度上的横向热流密度为零,随着向内层深入，可以认为可按热流方程衡算式得到:9x一q:fxd横向热流密度按线性规律变化(见图3).91.= 1- Jxq:(x)= (a+ 8'm+ 8m一x) (11)同样 ，在渣钉间衬料根部:8h.m24煤炭转化2004年Q.ch=9.二9ofx1一fxd3传热计算的结果及分析2.6 衬层各部温度的确定3.1计算程序1)钉根平均管壁温度可按下式计算:t的=伸十四o月(， 20..+1)(17)在本文建立的数学模型的基础上,我们编制了和(β十1)十a2相应的计算机程序(见图4).利用模型和计算机程式中: t的-管内冷却介质的平均温度,取250.3序可以计算不同结构、不同冷却壁和不同炉衬材料C;μ-热散漫系数,取0.6;β-管子 外径内及不同工艺操作条件下的复合炉衬的温度分布,可径之比;δ一管壁厚度; 一管材导热系数，以借此找到最佳的复合炉衬结构设计参数.按lgab +50 C计算;az一管 内冷却介质的散热系Input the数.property data2)钉间衬料层下平均管壁温度(tb.n)按下式. Input variable计算:Assupe tempenature out orefifactory lining layerCaculate temperature7-T*+412(2w(9+1+ a)(18)onsasCalculate temperature out of3)钉端平均温度(1|)与钉端周缘温度(4,)钉端平均温度可按其平均导热系数,用下述实_N验归纳出来的经验公式计算:0< 0.13t=u+491 +491.he )(19)Output data3qidx钉端周缘温度由下式确定:t,=t+291.g(20)↓N4)钉上衬层表面温度(1's)ind汇入钉顶端渣层的横向热流量,应为图4复合炉衬温度求解程序框图Qm.h = rdxs"u+oen+edm 9ih.h xOshmFig.4 Flowchart of solving temperature(le+ 8'ch + δsm- x)dx (21)distribution of cmoposite lining由qr.b=二qmh ,代人上式积分得3.2计算实例AchQn.h = -dxaqiAt0shm气化炉复合炉衬结构参数主要有渣钉的长度和直径,衬层的厚度,渣钉的布置密度.利用上述程序，同样可以得到对某给定操作条件下复合炉衬设计参数的影响进行Qcn.h = nduq1.n(hxd + °'e一x)这样,在钉上衬料层的任一端面上,其轴向平均热流了计算,其结果见表1.其他计算条件为:密度(qa+(x))应为气化炉所用煤热值26. 07 M],日处理能力为1 150qab(x) =qx + (Qa.h + Qer.)/Fxst/d;k。取1.16,耐火浇铸料可耐1 300 C以上，其导热系因此,钉上衬料层外表面温度(I'sh )应为:数取4.187 kJ●m-'●h. C;水冷管规格D40 mmX'a=n+ futo 9(1)22dx5 mm,导热系数160.15kJ●m-'●h●C;渣钉的导Ah热系数121.42kJ●m-1●h. C ,饱和水温度250. 3代人qo(x)各量,得到C ,对流换热系数43.39 MJ/(m2●h. C),渣层的导l'b=1+R'+qx + (第8om +8m) ]热系数统一取7.54kJ●m-1.h.C,渣膜表面的温(22)度取1 400 C ,相变温度取1370 C.第4期袁宏宇等气化炉 复合炉村的传热计算25表1设计参数对复合炉衬温度分布的影响Table 1 Effect of design parameter on temperature distribution in composite liningDesign_Shg pin lgngenSlag pin dantererls/m)Ticknes af rlactor ingn2(an/m)Lay dnsiy of slag pnt/)parameter40506070810121581012 15 0.06 0.08 0.12 0.151a/C275.1 276.9 278.7 280.4 288.4 284.3 281.5 278.7 278.7 278.7 278.6 278.6 288. 282.9 275.3 271.64/C450.7 508.5 570.6 637.0 658.2 621.1 595.9 570.6 571.1 570.6 570.4 570.4 679.9 617.4 534.2 492.41/C460.2 517.6 579.6 645.7 662.8 626.9 603.0 579.6 580.1 579.6 579.3 579.3 692.8 627.9 541.9 498.7tas/C1187.4 1200.5 1216.6 1235.4 1320.0 1286.7 1256.4 1216.6 1161.4 1216.6 1261.8 1317.5 1299.3 1256.7 118.8 1125.9252.2 252.0 251.8 251.6 250.7 251.2 252.5 251.8 251.8 251.8 251.8 251.8 252.3 252.0 251.7 251.5gs/(M].m-2.h-1) 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.5 66.58a/mm2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 2.9 2.92.9 2.9 2.9 2.9 2.9.92.92.9 2.98ann/mm17.9 16.6 15.0 13.2.111.118.723.9Note: 1) 8eN= 10 mm,dsd= 15 mm,Ja-0.1:2) led = 60 mm.0chi= 10 mm.fx4=0. 1;3) hu= 60 mm,des= 15 mm.fx=0.1+4) lhd=60 mmo8ch= 10 mm.dsa= 15 mm.定,因此要选择合适的衬层厚度,形成稳定的渣层来3.3计算结果分析保护复合炉衬.1)当气化炉的负荷,工况参数-定的时候,炉5)提高渣钉的布置密度会使得衬层的温度下内换热状况就是唯一而确定的.这也就是在表1中降,从而降低复合炉衬的平均工作温度水平.如果既平均热流密度(qx)和渣膜流动层的平均厚度(8m)均要炉衬得到充分冷却，又要求钉体上热流不致过于是定值的原因.集中，最有效的方法就是提高渣钉的布置密度.不2)当水冷管的对流换热系数较大的时候,钉根过,过高的渣钉布置密度,也会使得制造成本增加.管壁温度和钉间衬料层下管壁温度与管内冷却介质因此,实际制造中需要合理选取.的温度接近,受结构影响的因素较小，因此，在设计计算中此处温度一般可以最后考虑.4结束语3)渣钉长度越长，直径越细均会使得钉端(t})和钉端边缘温度(t,)升高.一般渣钉的受热极限温1)建立了气化炉复合炉衬传热计算的数学模度不超过650 C,因此，要合理选择渣钉的长度和直型,为准确分析复合炉衬的温度,设计合理的结构参径,避免渣钉钉端温度过高，超过渣钉的耐热极限温数提供了可靠的依据.度而烧损.2)编制了适用气化炉复合炉衬传热计算的计4)渣钉上衬层的厚度不宜太厚,否则由于衬层算程序,为进一步研究气化炉复合炉衬的三维传热热阻的增加而使得衬层表面工作温度上升,使得固提供了一种较为简洁的手段.态渣层难以存在;另外，固态渣层的厚度要适当,实3)将气化炉复合炉衬的传热问题简化成二维践表明,形成的固态渣层厚度太薄,则对复合炉衬的传热问题来计算,基本可以解决实际中的问题.更精保护作用降低;而很厚的固态渣层的形成又很不稳确的三维计算还需要作进-步的研究.符号说明l-渣钉长度.mmds-一渣钉直径,mm.δs一钉上衬料层厚度.mmfu一渣钉 布置密度渣钉钉根管壁温度,Ct-一渣钉钉端温度,C.渣钉钉端周缘温度,Cu-钉端衬料层表面温度，Ca一.钉间管壁温度,C :q.-一 村层热负荷,W/(m. C)δn一熔渣流动层厚度.mmδmb--熔渣不动层厚度,mm26煤炭转化2004年参考文献[1]徐振刚，吴贤贤。Texeco气化技术及其在中国的应用.煤炭转化.1995.18(1); 20-21[2] 焦树建、干法供煤和水煤浆供煤的气化炉性能之比较.燃气轮机技术2000.13(2);2-7[3]陈广 智. Shell煤气化技术在我国应用的思考.煤炭加工与综合利用1960:4243[4] 谭可荣.韩文,赵东志等.新型水煤浆气化技术的开发及其应用.煤炭转化,2001.24(1):36-39[5] 北京锅炉厂设计科译.锅炉机组热力计算标准方法(苏联1973年).北京:机械工业出版社.1976HEAT TRANSFER CALCULATION OF COMPOSITELINING IN GASIFIERYuan Hongyu Wang Fuchen and Yu Zunhong(Institute of Clean Coal Technology , East China Unversity ofScience of Technology , 200237 Shanghai)ABSTRACT Composite lining made of water -cooling pipe and refractory lining is used in thenew type opposed- nozzles-gasifier for coal-water-slurry. Because of the high temperature andpressure in gasifier the refractory lining is corroded severely, which is an important factoraffecting the life of refractory lining. Therefore ,optimized structure design of composite lining ingasifier will make full use of its quality. In this paper,a mathematic model of heat transfercalculation in gasifier is built and the computer program is used to solve this mathematic modeland we also get the temperature distribution by calculating on some actual technologyparameters. The result indicates this mathematic model can get the temperature distribution ofcomposite lining ,and can provide theoretic foundation for the design ,opertation and maintenanceof composite lining.KEY WORDS composite lining ,heat transfer calculation ,mathematic model《煤炭转化》>被评为“北方十佳期刊”本刊讯2004年9月13日至9月15日,第一届“北方优秀期刊”评选工作在河北省石家庄市举行.《煤炭转化》荣获第一届“北方十佳期刊”。北方八省市(北京、天津、河北、山西、内蒙古、黑龙江、辽宁、吉林)的专家以国家科学技术部《科学技术期刊质量要求及评估标准》国家新闻出版署《社会科学期刊质量要求及评估标准》为依据,对参评期刊从办刊宗旨、政治方向、学术水平、编排规范、编辑加工、出版标准、社会效益、经济效益、风格特色等方面进行严格评审,最后以无记名投票方式评出了“北方十佳期刊”、“北方优秀期刊”。(本刊通讯员)