气化炉炉体关键部位温度分布研究

煤炭转化Vol.26 No. 1第26卷第]期COAL CONVERSIONJan. 20032003年1月气化炉炉体关键部位温度分布研究屈.刘海峰2)于广 锁2于遵宏3》摘要从通用传热模型出发.研究了气化炉炉体的传热模型,应用有限单元法进行了求解.以德士古气化炉炉体为具体实例,计算了气化炉炉体关键部位的温度分布。结果表明。该方法可以有效的计算出气化炉炉体上任意一点的温度,为气化炉的设计、运行和维护提供理论依据.关键词气化炉 ,温度,有限单元法中图分类号TQ545式中:a= k/pc ,称为导温系数或热扩散率,对于无0引言内热源的材料,方程(2)变成傅立叶方程Ft。fl。f_1a如=20(3)气化炉炉体由各种耐火砖和壳体组成,它的温在稳定状态下，2/20= 0 ,方程(2)转变为泊松方程度分布不仅影响着耐火砖的使用寿命长矩.更影响到气化炉能否安全运行,是延长耐火砖使用寿命,保(4)证气化炉安全操作的重要研究课题.本文将有限单.最后,如果q”- 0,那么,方程(4)就简化为拉普拉元法应用于上述复杂的传热计算中,和有限差分斯方程法，相比.可以布置任意的节点和网络,对于复杂的子+然+类=o<5)区域和边界问题有着更强的适应性和灵活性.作为特例，如果导热系数随着温度线形变化时31,k1数学模型= ko(1+β2)或者k=A + Br.可以记作:1=后一在直角坐标系中,对于一般三维问题，瞬态温度合,在稳定状态,没有内热源时,代入式(1),则得:场的场变量T(x.y.z.t)在直角坐标中应该满足的品管验)+录(会要>+是6曲)-0微分方程“:dyB dy西B西(6)是级票)+是(k黑) +是(k惠)十由于B为已知常数，上式转化为q"=pc-子(k2).。F(k*)」 F(k2)=0(7)式中:第一、第二、第三项是由x,y和z方向上传入这表明,通过把变量1变换为(k*),就能够使非线形微体的热量;第四项是微体内热源产生的热量;最后的导热微分方程线形化,可以得到解析解- -项是微体升温需要的热量.微分方程表明:微体升k= f(r,y)8)温所需的热量应与传人微体的热量以及微体内热源另外,求解域s2的温度场分布,应当满足边界条件.产生的热量相平衡.边界条件可以分为三类[1],其表示如下:若k是常数，则方程(1)成为较简单的形式T= T在F边界上(9)FtaTn.+ k,+ k."n.=q在I,边界上.中国煤化工<10)R国家重点基础研究发展规划项月(G1999022103).上海青年科学基金资助巧MHCNMHG1)博+生:2)博士、副救授:3)教授、博士生导师.华东理工大学清物煤技术研究所，200237 上海收稿日期:2002-09-1254煤炭转化2003年， JT"的是三角形单元.这样一来,变分计算就可以在每一n。tk,on+k.tn。= h(T.- T)个局部的网格单元中进行,最后再合成为整体的线在「3边界上(11)性代数方程组进行求解.在r上给定温度T(r,t)称为第一类边界条在作单元的变分计算时,未知近似函数T的选件,它是强制边界条件;在r:边界上给定热流密度取是一个重要的问题，有限单元法中最简单的是线q(".l),称为第二类边界条件,当q= 0时,就是绝热性插值函数,只要单元足够小,这种线性插值函数的边界条件:在r;边界上给定对流换热条件,称为第误差也就足够小.对于三角形单元,通常假设单元上三类边界条件,第二、三类边界条件是自然边界条的温度T是x.y的线性函数.即T=a1+ asxr+ aoy炉壳外表面与周围介质的传热包括自然对流换式中:anrar.az是待定函数,它们可以由结点上的温热和辐射传热,相应的换热系数可以按照以下经验度值来确定,将结点坐标和温度带人上式.得到公式计算:T,=a +ax, +asy,he= 1.35(1 - 1)'(12)T;= u1十dazx;+ a.v,(19}Tm =a+ axTm + a:ym)h,-e:[{ 101”- (10门]/]=厂气[(票) +()}]dxdy利用以上数学模型,可以计算出气化炉在不同(I5)结构参数.不同炉衬材料和不同炉温条件下.炉体的温度分布.下面给出应用该模型对某种结构气化炉第二类边界条件的泛函为炉体的温度场分布计算实例.计算条件为:JCT(x,)]=气[(0 +外炉壳材料:普通碳钢,厚度为96mm拱顶大法兰材料:不锈钢ini“]drdy+ φqTds(16)气化炉炉内壁温度:1 300 C~ 1 500 C气化炉周围空气温度:20 C第三类边界条件的泛函为典型德士古气化炉结构图，见第55页图1.JT(,y)]=「气[(霉) +(需]ardy+气化炉内壁最高温度变化对炉中部外驤温度的中,叫言r-T/rjds(17)影响见第55页图2,环境温度变化对炉外壁的温度影响为了把变分问题离散化为数值计算问题，需要中国煤化工，着气化炉炉内壁把定解域(包括边界)剖分为有限个互不重叠的单元温度IYHC N M H G境温度变化会对区域,单元的形状原则上可以任意,但是最简单实用.气化炉炉体温度造成影响,环境温度低,则气化炉表第1期屈强等气化炉炉体 关键部位温度分布研究5强度,使其不能完全承受耐火砖的重量.耐火砖就会塌陷下来。造成生产事故.通过理论分析锅底温度分布的影响因素,提出保持锅底合理温度的措施,以期对生产过程起到指导作用.各种材料的导热系数:铭砖2.3 W/(m. K);刚玉砖2.2 W/(m●K);耐火黏土砖0.67 W/(m●K);铬钢28 W/(m. K).饱和水蒸气的热物理性质:当温度为250 C时,压力为397 kPa,密度为19.96 kg/m3 ,导热系数为4. 86X10-*W/(m. K)，运动黏度为0. 873 m2/s,普朗特数为1.36. 气化炉图1 德上古气化炉炉体结构内温度发生改变时对锅底最高温度的影响见图1.Fig. 1 Structure of a Texaco gasifier面温度低;环境温度高,则气化炉表面温度也高.实锅底外部对流换热系数发生改变时对锅底最高温度际操作中的确是这样的.理论计算与实际生产数据的影响见图5.262.0基本符合.261.5275告261.026260.52600恒2452 259.s 235259.0信225251200 1250 1300 1350 1400 1450Temp.in gasier1300 1350 1400 1450 1500 1S50 1650Temp. in esftr图4气化炉内温度对锅底温度的影响Fig.4 Efect of the temperalure of the gasifier图2气化炉内中部温度对炉外墮最高温度的影响on the temperature of thc tie strapFig.2 Effect of the temperature in the middle of266a gasifier on the outer surface of it265245 I240{t 263? 235甚230↑s 261系225|2202 25921525210300350 400 450 S00 s50 600Heat convective confrcient(W. m'.K")2052010~σT203040Environment temp/c图5对流换热系数对锅底温度的影响图了环境温度对炉外壁温度的影响Fig.5 Effect of the hent convective coefficientFig.3 Elfe of the 1emperature of environmenton the temperature of the tie strapon the ou1ter surface of gasifier锅底温度是很不均匀的,存在着一个温度最高3.2锅底温度分布.点中国煤化工l度的变化对锅底.温度温度从1200C气化炉炉砖的重量通过耐火撑架作用于锅底变化星:MYH. C NM. HGc.而锅底最高点上，如果锅底的温度过高,将会降低金属材质的机械温度从相应的258.51 C升高到了261.57 C,只升煤炭转化2003年56高了3.06C.激冷室的气体流动状态导致对流换热4结论系数发生变化,对流换热系数变化对锅底的温度有.-定影响,但影响不大.从图5可以看出,对流换热建立了气化炉传热模型,通过变分,使用有限单系数从300 W/(m°●K)变化到600 W/(m2●K)元法进行求解.以德士古气化炉为例,计算了气化炉时.锅底的最高点的温度从265.9 (降低到了炉体和锅底的温度分布,讨论了炉内壁温度、环境温257.43 (,降低了8.47 (.从而可以知道，耐火砖度和对流换热系数发生改变时对温度分布的影响.的布置决定了锅底的温度分布情况,不论是炉内温通过建立的数学模型可以计算出气化炉炉体上任意度升高还是激冷室里面的对流情况变差.都不会使-点的温度,为气化炉的设计、运行和维护提供理论锅底温度升的太高.依据.符号说明h-炉壳表面与周围介质的自然对流换热系数，kork.k.-- -材料延r.y.z方向的热传导系敷，W/(m*●K)W/(m.K)h.--炉壳表面与周圈介质的辐射换热系数.Q= Q(r.y.zt)-物体内部的热源密度. W/m'W/-在自然对流条件F .为外界材料比热.kJ/(kg. ()环境温度.C1一时间，s参考文献[I] 屈强.矿锁,王亦飞等。气流床气化妒炉体三位传热模型研究.煤炭转化，2001.24(4);36 39[2幻]RohsenowWM著.传热学手册.李荫亭译.北京:科学出版社,1985.206[J] 王补宜.工程传热传质学。北京:科学出版社,1982. 105[4j杨世铭陶文铨.传热学.北京:高等救背出版社.000.27[s1扎祥谦.有限单元法在传热学中的应用.北京:科学出版社.1998.27STUDY ON THE WALL TEMPERATURE DISTRIBUTIONOF GASIFIER KEY PARTSQu Qiang Liu Haifeng Yu Guangsuo and Yu Zunhong(Institute of Clean Coul Technology , East China University of Science andTechnology, 200237 Shanghai)ABSTRACT From the general heat transfer modcls ,the heat transfer models of a gasifierwal is given ,and the finite element method is used to solve the models. A Texaco gasifier exampleis given. The result indicates that this model can get any point temperature of a gasifier crust ,andcan provide theoretic foundaion for the gasifier design,中国煤化工KEY WORDS gasifier ,temperature ,finite clement:YHCNMHG