气化炉托砖环温度场的有限元分析

Vol. 30 No. 1华东理工大学学报2004-02Journal of East China University of Science and Technology61文章编号: 1006- 3080( 2004)01-0061 -04气化炉托砖环温度场的有限元分析瞿海根，屈强，王辅臣”，于遵宏(华东理工大学洁净煤技术研究所,上海200237)摘要:以通用的热传导模型为基础,对气化炉托砖环的温度场分布进行有限元计算,计算中考虑了炉内外温度对托砖环温度场的影响。计算结果表明:在炉内温度为1 300 C时,托砖环温度最高接近650 C;耐火纤维在隔热方面作用显著;气化炉内部温度对托砖环温度分布影响很大，而外部环境温度变化对托砖环温度分布的影响有限。关键词:热传导;有限单元法;托砖环;数值模拟中图分类号:TQ545文献标识码:AFEM Analysis of Temperature Distribution of RefractorySupport Frame in Entrained- bed GasifierQU Hai-gen，QU Qiang，WANG Fu-chen* ，YU Zun-hong(Institute of Clean Coal Technology ECUST，Shanghai 200237, China)Abstract: Based on the general heat transfer models ，temperature distribution of refractory supportframe in gasifier is analyzed with the finite element method, and in calculation internal and external tem-perature of gasifier are also considered. The results show that temperature of refractory support frame isabout 650 C under the condition that the internal temperature of gasifier is 1 300 C when the refractoryfiber is used, and refractory support frame plays an important role in reducing heat conduction to it. Theresults also show that internal temperature of gasifier has a much influence on the temperature of refracto-ry support frame， but that of external temperature is finite.Key words : heat conduction; FEM; refractory support frame ; numerical simulation80年代后期起,我国先后引进了4套Texaco不能完全承受耐火砖的重量,导致耐火砖塌陷,造成水煤浆气化装置.在山东鲁南、陕西渭河、上海焦化生产事故。因此研究托砖环的温度分布以及炉内温厂和淮南化肥厂等投入运转。与Shell干煤粉气化度的影响尤为重要。由于托砖环形状和边界条件复炉采用水冷壁不同,Texaco水煤浆气化装置内壁采杂,很难得到其温度场的解析解,需借助于计算机将用耐火砖结构。为了支撑耐火砖,在气化炉炉体内设时间和空间坐标划分成数量巨大的网格才能得到比置了一种由特殊金属材料制造的托砖环,气化炉炉较精确的数值解。本文应用有限单元法求解这种具砖的重量通过耐火撑环作用于托砖环上。如果托砖有复杂几何形状和边界条件的热传导问题。中国煤化工环的温度过高,将会降低金属材质的机械强度,使其MH. CNMH G基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(G1999022103);2001年度上海青年科学项目(01QN29)E-mail :quhaigen@ yahoo. com由能量守恒定律,导热微分方程可以表示为中:收稿日期:2003-01-20a(pct)=●(入 t)十qv(1作者简介:瞿海根(1978-).男.江西萍乡人,硕士生,研究方向:煤气.化。62华东理工大学学报第30卷对于常物性材料,c、p为常量,三维导热体内部J[T(x,y)]=含[(器) +(时]dady (10)热流运动在直角坐标系中,应该满足的微分方程第二类边界条件的泛函为1 t_aτ=2+戈(2)各「(2T)°+(?TTardy+式中,a= 2/(pc )称为材料的热扩散率(或导温系数)2L( dx)T{ ay1求解域S的温度场分布,应当满足边界条件。P,qTds(11)边界条件可以分为3类[2] ,表示如下:T= T" 在I,边界上(3)第三类边界条件泛函为:k.. aT.aT日T. a1+( TlIdrdy+,nx+k,n,.+ k.mn.=q 在I2边界上(4)2L(Jx| ds日xay日zI'n-nz+k,in,+ke aTn:=h(T。-T) 在F:I"-Tr)ds(12)) x""a )边界上(5)为了把变分问题离散化为数值计算问题,需要2域的全部边界r应当满足T1+I2+I3=r把定解域(包括边界)剖分为有限个互不重叠的单元在「上给定温度T(r ,t)称为第-类边界条件，区域，单元的形状原则上可以任意,但是最简单实用它是强制边界条件;在F:边界上给定热流量q(T ,t),的是三角形单元。这样-来,变分计算就可以在每- -称为第二类边界条件,当q=0时,就是绝热边界条个局部的网格单元中进行，最后再合成为整体的线件;在T'3边界上给定对流换热条件,称为第三类边界性代数方程组进行求解。在作单元的变分计算时,未知近似函数T的选.条件,第二、三类边界条件是自然边界条件。气化炉正常操作时,工艺条件变化不大,可认为取是一个重要的问题，有限单元法中最简单的是线传导过程为稳态导热，炉体没有内热源,所以,方程性插值函数,只要单元足够小，这种线性插值函数的(2)转换为拉普拉斯方程,也即控制方程:误差也就足够小。对于三角形单元,通常假设单元上的温度T是x,y的线性函数,即(6)习x2TdytarT=an+ ax + a3y(13) .托砖环热传导过程有4个边界条件。其中,1个式中,a1va2、a3是待定函数，它们可以由节点上是第一类边界条件,2个是绝热边界条件,最后一个的温度值来确定,将节点坐标和温度带入式(13),得.是对流换热条件,即炉壳外表面与周围介质的传热。到炉壳外表面与周围介质的传热包括自然对流换T;= a1+ azx; + asy;热和辐射传热，相应的换热系数可以按照以下经验T;=a + axx;+ asy;(14)公式凹计算:Tm=a; + azTrm + asYmh.= 1.35(t - t。)1/3(7)最后得到的一个重要关系式为h,=eCc[\100)100) ]/(T-To) (8)T=-六[(a;+ bx+cy)T;+(a;+b,x +c;y)T;+_- 1换热系数(am+ bmx+cmy)Tmh。=h.+h,(9)式中△是三角形单元的面积,称之为三角形的插值函数，将其带入各种边界条件的泛函中,总体合成为2计算方法[K][T]= [R](16)求解这个矩阵就可以得到温度在各个节点上的数值热传导方程离散求解的数值方法,主要包括有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)[3]、有限容积中国煤化工法(FVM)和边界元法(BEM)[4等。FEM的最大优MYHCNMH G点是对不规则区域的适应性好,在流体流动和传热中应用较广。本文正是利用这-优点来求解几何形3.1计算条件状和边界条件复杂的托砖环温度场及炉内温度对其托砖环在气化炉的位置和几何形状如图1所温度场的影响。示。炉膛最内层为铬铝锆砖,主要起到抗熔渣侵蚀的第一类边界条件的泛函为作用;第二层为铬铝砖;第三层为氧化铝空心球砖,第1期瞿海根等:气化炉托砖环温度场的有限元分析;3起隔热作用,保护气化炉壳体不超温。第二层和第三度影响(用托砖环的最高点的温度表征)。图4结果层耐火砖由托砖架支撑,该托砖架位于气化炉中部，表明:随着气化炉炉内温度的升高,托砖环最高点温托砖架下面填有耐火纤维。度直线上升,炉内温度升高50 C,托砖环最高点温炉体各种材料的导热系数(W/(m●K)):热面度升高25 C左右。图5结果表明:环境温度每升高砖4.2,背撑砖4,隔热砖0.8,耐火纤维0.2。10C,托砖环最高点温度升高3~5C。这也说明:气化炉炉体结构和耐火材料确定的情况下,由于气化炉内部温度在100~200 C之间变化,极端情况下Max;13 700Max:4 720I 4500120004000 .Refractory! 100003500support frame3000800025006000| 200040001500，10002000500(a)Min 119Min 136图1托砖环在气化炉炉体的几何形状图3托砖环温度梯度分布Fig. 1Geometry of refractory support frame in gasifierFig.3 Temperature grades distriution of refractory supportshellframea- With refractory fiber; b- Without refractory fiber翻Hot-face brick; 圜- Back-supported brick; @ - Heat -insulatedbrick;■- Refractory fibre;口- Chrome steel800-3.2 结果与讨论.750 |图2、图3分别为炉内温度1300C时有无耐火纤维情况下托砖环的温度分布、温度梯度分布。可以9700看出,加上一层耐火纤维后,托砖环的温度在400~手650650C范围内变化,在耐火纤维区域，温度梯度变化600比较大。没有耐火纤维,托砖环温度在400~750 C范围内变化，在耐火材料与托砖环接触的地方温度550L1100 1200 1300 1400 1500 1 600梯度变化较大。比较图2和图3,有耐火纤维时,托Internal temperture 1 °C砖环温度最高点比没有耐火纤维时高约100 C,说明了耐火纤维隔热效果显著。图4炉内温度对托砖环温度的影响Fig. 4 Effect of internal temperature of gasifier shell on_Max:l 300Max:I 300售。1300temperature of refractory support frame1 2002001100III100690-.1000I 000900800680700| 600670S00400" Min 328660Min313(b)中国煤化工图2托砖环温 度分布MYHCNMH GO4(5(60Fig.2 Temperature distribution of refractory supportExtermnal temperture/ Ca- With refractory fiber; b一Without refractory fiber图5环境温度对托砖环温度分布的影响Fig.5 Effect of external temperature of gasifier shell图4和图5分别为炉内温度变化(1150~1 400on temperature of refractory support frameC)和外界环境温度变化(10~50C)对托砖环的温64华东理工大学学报第30卷更高,所以说气化炉内部温度变化是托砖环温度分边界外法线的方向余弦布的主要因素,而由于外部环境温度变化有限,对托q=q(I",t)一F2 边界上的给定热流量，C砖环温度分布的影响不大。Q=Q(x,y,z.t)物体内部的热源密度,W/m3t一炉壳表面温度,CT=T(T,t)- F边界上的给定温度,C4结论To=T.(r,t)-在自然对流条件下,为外界环境温度;在强迫对流条件下,为边界层的绝热壁温度,C有限单元法对气化炉托砖环温度分布计算结果托砖环最高点温度,C表明:在炉内温度为1 300C,气化炉的托砖环温度炉壳表面的黑度最高点接近650 C ;耐火纤维隔热效果显著;气化炉ρ--一材料密度,kg/m3时间,s炉内温度对托砖环的温度分布情况影响很大,是影响托砖环温度分布的主要因素,外部环境温度变化参考文献:对托砖环温度分布的影响不大。[1]张洪济.热传导[M].北京:高等教育出版社.1992.15..符号说明:[2] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2000.27.材料比热,J/(g. K)[3]孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用[M].北京:科学出版- 黑体辐射系数,Co=5.67 W/(m2. K+)社,1998. 27.换热系数,W/(m2.K)[4]刘西云,赵润祥.流体力学中的有限元法与边界元法[M].上炉壳表面与周围介质的自然对流换热系数,W/(m2●K)海:上海交通大学出版社,1993.炉壳表面与周围介质的辐射换热系数,W/(m2●K)[5] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社, 2001.keoky.k- 材料沿r.y.z方向的热传导系数,W/(m. K)下期发表论文摘要预报固定床有效导热系数的研究刘玉兰'，吴勇强'， 徐志刚'， 朱子彬'， 陈庆龄，卢文奎?(1.华东理工大学化工学院,上海200237; 2. .上海石化研究院,上海201208)摘要:采用稳态法和非稳态参数估值法测定了气体静止时固定床有效导热系数(以下简称固定床的有效导热系数),前者采用圆柱体导热模型,求得在某特定温度下固定床的有效导热系数;后者根据固定床拟均相非稳态传热模型,获得了适用于宽温度范围的固定床有效导热系数与气体导热系数和固体导热系数之间的关联式。并将填充挤条型氧化铁系催化剂、催化剂载体Al2O3和玻璃珠的固定床的测定结果与前人推荐的固定床有效导热系数的多种计算方法进行比较。结果证明,对于气-固体系,计算固定床的有效导热系数较为适宜的经中国煤化工205101X以以),该经验式在20~500°C对于高、中、低导热系数多种物系MYHCNMHG