气流床气化炉炉体三维传热模型研究

第24卷第4期煤炭转化Vol.24 No.42001年10月COAL CONVERSIONOct.2001气流床气化炉炉体三维传热模型研究屈强l于广锁2)王亦飞3) 于遵宏摘要从通用三维传热模型出发,研究了气流床气化炉炉体的三维传热模型,应用有限差分法进行了求解.以德土古气化炉炉体为具体实例,研究了炉内温度、环境温度、耐火砖的导热系数变化对气化炉炉壁温度造成的影响.结果表明,该方法可以有效地计算出气化炉炉体上任意-点的温度,为气化炉的设计、运行、维护提供理论依据.关键词气化炉,三 维传热，有限差分法中图分类号TQ545Xt正k+q"=pc0引言式中前三项是由x,y和z方向上传入微体的热量;我国能源结构中，煤炭资源占很大比重.煤的气第四项是微体内热源产生的热量;最后一项是微体化是煤炭转化技术中最重要的一个方面,并已得到升温需要的热量.微分方程表明:微体升温所需的热广泛应用.020世纪80年代末至今,我国共引进4量应与传入微体的热量以及微体内热源产生的热量套Texaco水煤浆气流床气化装置,分别建于山东相平衡.鲁南、上海吴径、陕西渭河和安徽淮南2],气化炉均若k是常数,则方程(1)成为较简单的形式Ft」子t⊥子t」q"”_ 1 at采用耐火材料作为炉衬.由于高压(2.6 MPa~6. 5x22+2+2+k=a0(2)MPa)、高温、高热负荷及还原气氛并受酸性熔渣的式中:a=k/pc称为导温系数或热扩散率,对于无内冲蚀，同时还伴有开停车时温度和压力冲击,国内各热源的材料,方程(2)变成傅立叶方程装置向火面耐火砖的较好运行寿命仅约8000h.这就意味着每1年左右需要更换一次耐火砖,而每次xtyxa 20更换耐火砖需要约1.5个月.连续化生产装置的频在稳定状态下At/a0=0,方程(2)转变为泊松方程繁停车是难以忍受的，经济损失也是巨大的.若采用子t_Ht」t_q"备用气化炉来满足连续生产,投资数千万元的气化x2+ay2+x2+k=0炉几乎闲置也不是所希望的.仔细分析耐火砖和气如果q"=0,那么,方程(4)就简化为拉普拉斯方程化炉炉体的温度分布,从而采取措施,对于提高耐火Ft3x2砖和气化炉的使用寿命是有益的.作为特例，如果导热系数随着温度线形变化时以,k1数学模型=k。(1+βt)或者k=A+ Bt,可以记作:t=B二B、在稳定状态,没有内热源时,代入式(1),则得:在直角坐标系中,对于一般三维问题,瞬态温度日kak'日1kkd1kdk'场的场变量T(x,y,z,I)在直角坐标中应该满足的中国煤化工x\B改,=0(6)微分方程[3]:由FYHCNMHG化为a,draud\R)+σ(R)+F(k)_0ax(kxr)+ dkaxy1tdx2 dyx国家重点基础研究发展规划项目(G1999022103).1)博士生;2)博土、副教授;3)博士生导师、教授,华东理工大学洁净煤技术研究所,200237上海收稿日期:2001-07-06第4期屈强等气流床气化炉炉体三维传热模型研究25这表明,通过把变量t变换为(k"),就能够使非线形当选定Ox=Ay=Oz时,在三维稳定温度场中，的导热微分方程线形化,可以得到解析解t十t2十ts十ts十ts十to一k2= f(x,y)(8)q.(Ox)26t。+=0(17)另外,求解域2的温度场分布,应当满足边界条件.边界条件可以分为三类呵,其表示如下:q。(A.x)具有温度的量纲，可被看作是由于内热源发T= T"在r边界上(9)I'TJI'热所引起的温度增量;或者q。为负值时,9Ax)同n.+k,in,+k.n.=q 在F2边界上dx”)y"k"样是负值，代表内部有吸热源所引起的温度减量.如(10)果内热源发热率是均匀的,这个温度增减量也将是krarn+k,an,tk:an= h(T。- T)个常量，对内部任何节点都保持同值.如果是二维稳在F3边界上(11)定温度场,则S2域的全部边界r应当满足r1+T2+Fs=rt十t2十t3+ts一4to十q。(Or)==0(18).k在T上给定温度T(T,t)称为第一类边界条有限差分化，实质上就是把连续温度场的导热件,它是强制边界条件;在Fz边界上给定热流量q处理成“导热杆”热路网络的导热,见图2.每根“导(I",t),称为第二类边界条件,当q=0时,就是绝热热杆”传递相邻两元块接触导热时同样多得热流，例边界条件;在Ts边界上给定对流换热条件,称为第如Ax=Oy=1 m时,连接内部两个相邻节点1和0三类边界条件,第二、第三类边界条件是自然边界条的导热杆所传导的热流量为:件.炉壳外表面与周围介质的传热包括自然对流换Q1o = k1o(Oy)l，= k1o(t1 - to) (19)热和辐射传热,相应的换热系数可以按照以下经验公式计算:↑中he = 1.35(t - t,)1/3(12)0yh,= EC。[0一(o门](r-T,) (3)0zP_ Ax___ 叫0x_ 中换热系数h。= h.+ h,(14)/Az|4y2数值 解析方法图1有限差分示意图.导热问题的数值解,常采用有限差分法,使导热Fig. 1 Sketch map of fenite diffrernce method微分方程有限差分化，把温度场的连续分布看作是逐段线性分布，如图1所示,即对x轴向来说,分割Ft_ate(2-to,_l。一4Ox|Qodx2~ dx du△xlx4十t2- 2t。. (Ox)2(15)D-Q20愈密,Ox愈小，差分所引起的误差也就越小.这种差分化的步骤亦同样适用于y轴和z轴向.于是,针对中国煤化工各向同性、k=常量时的稳定导热,对于“节点”0,就MHCNMH G有t十t2- 2t。，ts+ t.- 2to,图2导热杆示意图(Ox)2(Oy)2Fig.2 Sketch map of a heat transfer stick(16)在稳定的工况下，,单元块0每单位时间内得到的热(△z)226煤炭转化2001年量Q。为0.因此，Q。=Q1+Q2o十Q:o+Q4o + qo(Ox)= 0(20)Q。也就相当于节点0的热流“余量”.如果是三维稳定温度场,则成为Q。=Q1o+Q2+Q30+Q。+Qso+Q。o + q。(Ox)2= 0(21)也就是说,每-一个节点都有一个热量收支平衡点,可以用松驰法或者追赶法来进行求解.3计算实例利用以上三维数学模型,可以计算出气化炉在不同结构参数、不同炉衬材料、不同炉温条件下,炉图3德士古 气化炉炉体结构体的温度分布.'下面给出应用该模型对某种结构气.Fig.3 Structure of a texaco gasifier化炉炉体的温度场分布计算实例.计算条件为:.已270外炉壳材料:普通碳钢,厚度为96 mm260 |拱顶大法兰材料:不锈钢250气化炉炉内温度:1 300 C~1 500 C240 t气化炉周围空气温度:20 C230气化炉炉衬:共有3层,每层厚114 mm,分别220 t为热面砖、背衬砖和隔热砖.典型德士古气化炉炉体21结构见图3.在环境温度为25C,对流换热系数为13001350 1400 1450 1600 1550 1600Ilighet lempin gilie/C19.2 W/(m2●C)时,气化炉内最高温度变化对炉中部外壁温度的影响见图4,环境温度变化对炉外图4气化炉内温度对炉外壁温度的影响壁的温度影响见图5,热面砖导热系数变化对炉外Fig.4 Effect of the temperature in gasifier on the壁温度的影响见图6.outer sufurce of gasifer240340号320235G 300g 230; 280= 225. 260! 220E 24021522020020“-20-10 0 1020 30 40i 1600.6 0.7 08 0.9 1.0 1.1 1.2 1.314 1.5Eavinunent tenpJCCoundurivity o rlnorthory lnrirk图5环境温度对炉外壁温度的影响图6耐火砖导热系数对气化炉外壁温度的影响Fig.5 Effect of the temp erature of environment on the中国煤化工onductivity of refractoryYHC N M H Gurce of gasifer由图4~图6可以看出:随着气化炉炉内温度算可以预测出环境温度变化后炉体表面温度的相应的升高,外壁温度直线上升;环境温度变化会对气化改变值,从而判断究竟是炉温变化造成的还是由于炉炉体温度造成影响,环境温度低,则气化炉表面温环境温度变化造成的;耐火砖的热传导系数的变化度低,环境温度高,则气化炉表面温度也高,通过计会对炉体温度造成较明显的影响,选用耐火砖时,在第4期屈强等气流床气化炉炉体三维传热模型研究27保证耐火性能的前提下,尽可能选用热传导系数低差分法进行求解,可以计算出气化炉炉体上任意一的耐火砖，可以降低炉体温度,延长炉体使用寿命.点的温度,为气化炉的设计、运行、维护提供理论依据.4结论建立了气化炉炉体的三维传热模型,使用有限符号说明炉壳表面与周围介质的自然对流换热系数，k,k,k.--材料延x,y.z方向的热传导系数，W/(m2●K)W/(m. K)h,.-.炉壳表面与周围介质的辐射换热系数，Q= Q(x,y,z,t)物体内部的热源密度,W/m3炉壳表面的黑度Nz,My,Mz :边界外法线的方向余弦Co-黑体辐射系数,Co=5.67 W/(m2●K*)T=T(T,t)r边界上的给定温度,Ct,T一 炉壳表面温度,C和Kq=q(I',t)一I2边界上的给定热流量,C材料密度,kg/m3h一换热系数,W/(m’ ●K)材料比热,kJ/(kg. C)T.=T.(",t)-一在自然对流条件 下,为外界环境温度,C;t一时间,s在强迫对流条件下,为边界层的绝热壁温度，C参考文献[1] Preston W E. The Texaco Gasification Process in 2000 Startups and Objectives. In :Gasification Technologies Conference,California :San Francisco, 2000[2]谭可荣,韩 文 ,赵东志等.新型水煤浆气化技术的开发与应用.煤炭转化，2001,24(1):36-39[3]RohsenowWM.传热学手册.李萌亭译.北京:科学出版社,1985.206[4]王补宣.工程传热传质学.北京:科学出版社.1982.105[5]杨世铭,陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社,2000.27STUDY OF THREE-DIMENSION HEAT TRANSFER MODELFOR ENTRAINED-BED GASIFIERQu Qiang Yu Guangsuo Wang Yifei and Yu Zunhong(Institute of Clean Coal Technology , East China University ofScience and Technology , 200237 Shanghai)ABSTRACT From the general three- dimension heat transfer models,this paper studies thethree- -dimension heat transfer models of gasifier shell中国煤化工method is used tosolve the models. A Texaco gasifier example is given，MHCN M H Grerature of a gasifi-er outside shell,which made by the inner temperature ot a gasuner , tne environment temperature,and the heat conduction coeffcient of firebrick is studied. The result indicates that this model canget any point temperature of gasifier shell ,and can provide theoretic foundation for the gasifierdesign ,operation and maintenance.KEY WORDS gasifier ,three- -dimension heat transfer , finite difference method