氣化爐復合爐襯的傳熱計算

第27卷第4期煤炭轉化Vol 27 Noi2004年10月COAL CONVERSIONOct.2004氣化爐復合爐襯的傳熱計算袁宏宇1)王輔臣2)于遵宏摘要新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐擬采用水冷管和耐火澆鑄料組成的復合爐襯結構.爐內的高溫高壓對復合爐襯的高溫侵蝕十分嚴重,是影響其壽命的重要因素,因此合理設計氣化爐復合爐襯的結構對充分發(fā)揮其材質(zhì)的作用具有十分重要的意義,建立了氣化爐復合爐襯的傳熱計算的數學(xué)模型,同時(shí)編制了模型求解的計算程序,并用某工藝條件對復合爐襯的溫度分布進(jìn)行了計算.結果表明,該方法可有效計算出復合爐襯的溫度分布情況,為復合爐襯的設計、運行和維護提供理論依據.關(guān)鍵詞復合爐襯,傳熱計算,數學(xué)模型中圖分類(lèi)號TQ54山r氣化爐中爐襯的選擇有兩種—耐火磚或水冷壁. Texaco氣化爐采用耐火磚襯里,由于氣化過(guò)Gasifi程是在高溫高壓的條件下進(jìn)行,因此對向火面耐火Water-cooling磚的高溫侵蝕十分嚴重,目前 Texaco氣化爐向火側的耐火磚最長(cháng)壽命僅2年2,耐火磚已成為德土古煤氣化裝置經(jīng)濟運行的制約因素. Shell氣化爐采圖1復合爐襯局部結構示意圖用水冷壁技術(shù),膜式壁內涂一層耐火材料,正常操Fig 1 Sketch map of local structure of作時(shí),依靠掛在水冷壁上的熔渣層保護水冷壁,使得omposite lining氣化裝置可以長(cháng)周期運轉因此,從長(cháng)遠考慮,水冷定的工作條件下,充分發(fā)揮材質(zhì)的作用壁優(yōu)于耐火磚,是今后的發(fā)展方向.有鑒于此,我所在承接國家“九五”攻關(guān)項目—新型(多噴嘴對置)1復合爐襯的熱力工況分析水煤漿氣化爐的研究過(guò)程中,也在進(jìn)行水冷壁爐襯的研究工作,擬采用水冷管和耐火澆鑄料的復合圖2中給出了氣化爐復合爐襯正常工作時(shí)爐襯爐襯結構,達到以渣抗渣,降低氣化爐對高級耐火材受熱的簡(jiǎn)化模式.圖2中m為液膜表面溫度,o為料的需求和延長(cháng)氣化爐壽命的目的熔渣臨界溫度,t1為釘端表面溫度,t為釘上襯層復合爐襯部分由帶渣釘的水冷管和耐火澆鑄料表面溫度,m為釘間爐襯表面溫度,為釘根管組成,其結構見(jiàn)圖1.在氣化爐的工作過(guò)程中,向火溫度,4如h為釘間襯料層下管壁溫度,q、為渣流表面面的耐火材料裸露在爐膛中,受到1000C以上的軸向熱流密度,q1為釘端軸向熱流密度,q為釘端高溫輻射因此無(wú)論對渣釘還是對耐火澆鑄料的材高度上的釘間村料層軸向熱流密度,q,為釘上襯質(zhì)要求都比較高.為使復合爐襯能持久而穩定工作,料層橫向熱流密度,q為渣膜層橫向熱流密度,除了渣釘和耐火澆鑄料的材質(zhì)因素外,更重要的是q為釘側橫向熱流密度,q為釘根軸向熱流密度,合理設計渣釘和耐火澆鑄料的復合結構,使之在給中國煤化工度,q為釘端高CNMHG國家“863”計劃項目(2003AA521020)和上海市科技發(fā)展基金資助項目(03QF14011)碩土生;2)教授、博士生導師,華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,200237上海收稿日期:2004-06-11;修回日期:2004-07-21煤炭轉化2004年度上釘間襯料層軸向熱流密度,q。為管壁散漫熱流態(tài)渣.將塑性層歸為固態(tài)渣層;3)渣的導熱系數均密度,為渣膜不動(dòng)層厚度,為渣膜流動(dòng)層厚看作是常數;4)渣層的厚度是一維的,沿爐膛高度,度,bm為全渣膜層厚度,δ為釘上襯料層厚度渣層的厚度保持不變;5)渣釘各截面上溫度分布對于中心是對稱(chēng)的;6)假定在模型計算寬度和高度范圍內,爐體內表面附近的爐溫均勻根據以上條件,參照文獻[5]及結合我所承擔的國家“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項目——新型(多噴嘴對f置)水煤漿氣化爐開(kāi)發(fā)中試實(shí)驗,建立了氣化爐復合爐襯傳熱計算的數學(xué)模型2.1平均熱流密度計算與渣層厚度的確定根據工藝要求,復合爐襯部分損失熱量約為0.25%,在熱力計算中取得平均熱流密度(qx):煤熱值Ⅹ每小時(shí)燃煤公斤數×熱損失率圖2復合爐襯熱工況圖傳熱面積Fig 2 Heat transfer in composite lining(1)由于渣釘和襯料層導熱性能的不同,復合爐襯按照經(jīng)驗比率k。擴大,以求得最大熱流密度,即的傳熱不是均一的由于釘體的導熱系數較大,更多(2)的熱量將通過(guò)釘體傳給水冷管.釘體的溫度也較周確定渣膜流動(dòng)層厚度(δ灬),可按下式計算:圍襯層溫度為低,因而在釘端以上襯層中和渣層內tshm- to(3)產(chǎn)生橫向熱流,向釘端集中,同時(shí),沿渣釘長(cháng)度上整個(gè)側面都有橫向熱流傳遞給釘體.一般,渣膜表面橫式中渣膜流動(dòng)層底平均導熱系數,tA向熱流很小可予忽略;另外,在管壁外表面上,集中渣膜表面溫度,t—煤渣相變溫度于渣釘根部的軸向熱流量,顯然要比釘間襯料的剩確定熔渣不動(dòng)層的厚度:余軸向熱流量大得多.自然,管壁表面溫度也是釘根to-to(4)高.這種情況下,熱流將從釘根向釘間管壁“散漫熱散漫的強度還與管內介質(zhì)的對流換熱能力有關(guān)式中:渣膜不動(dòng)層平均導熱系數,tt在橫向熱流影響下,沿釘體和釘間襯料的實(shí)際軸向釘上襯層溫度,可預先假定然后試差計算得到熱流量和溫度具有不同的分布2.2爐襯工況特性參數熱流在渣釘中的集中程度與渣釘和襯料的導熱由于爐襯結構的復雜性,引入以下參數:性能,渣釘布置密度以及渣釘相對長(cháng)度(lxd/dxd)有1)比值(a):a表示渣釘軸線(xiàn)上渣膜、襯料層關(guān),渣釘和襯料的溫度分布情況也是直接受熱流集中程度的制約.正是由于熱流向釘體集中,才使得釘和釘體的熱阻與釘間的渣膜和襯料的熱阻之比,以表明襯層上熱阻的不均勻程度(見(jiàn)圖2)端以上的襯料層中溫度降度最大,同時(shí)釘端周緣也Rim+ r'sh+ rrd是釘體上溫度最高的部分Rh+ rsh(5)2傳熱計算的數學(xué)模型式中:Rm=2+2,Rm是渣層的總熱阻為渣膜流動(dòng)層與不動(dòng)層的熱阻之和;F=,R出為從傳熱的角度出發(fā),可以作如下基本假設:渣釘上襯料層熱阻,為襯料層平均導熱系數;Rd1)爐襯的熱力工況是屬于三維傳熱的問(wèn)題,但由于熔渣層的厚度以及耐火澆鑄層的厚度相對于爐TV中國煤化工長(cháng)度子直徑而言較小,可以近似作二維平面處理;2)渣CNMHG面以上的襯層和渣的熔解溫度范圍被處理成一個(gè)顯著(zhù)的相變溫度,低層的熱阻與該端面以下的于和釘間襯層的平均熱于相變溫度的則為固態(tài)渣,高于相變溫度的則為液之比,是表明爐襯復合材料對襯層中熱流密度分第4期袁宏宇等氣化爐復合爐襯的傳熱計算配和溫度降度影響的參數,表達式為:pRdt(rthm-rch)(1-fxd)(6)式中:f表示渣釘布置密度,等于單位面積上渣釘布置面積所占份額3)熱流集中密度(x).渣釘上熱流集中密度y,d為同截面上渣釘平均軸向熱流密度q(x)和襯層3復合爐襯的熱流密度分布平均軸向熱流密度q(x)之比Fig3 Heat flux in composite lining式中:(l+)≤x≤(lx+dh+m)(7)gch(r)2)釘上襯層中熱流密度分布.可以認為其間橫dt(x)向熱流(q)維持不變在渣層和襯料層的接界面上由于導熱系數的改變橫向熱流發(fā)生不連續的躍可表達為:va=,dtd(x)升,q,和q出,應維持qhh=q,h(Ah/λad),相應地l,d≤x≤(l,x+o由).式中:dx渣釘沿軸向的溫度降度,dx釘間3)沿釘體側面的橫向熱流密度分布.可以認為襯料層軸向的溫度降度;ψa應與渣釘和襯層的導是從頂端橫向熱流密度(q1,h)起以線(xiàn)性規律分布至熱系數、渣釘布置密度及渣釘的長(cháng)度直徑有關(guān).也即釘根(釘根為零).同時(shí),在釘端處釘側襯料是連續Y d=f(h/agd, fxd, xd/dxd)的所以qh和q1h相等,這樣釘側熱流分布:式中:d,為渣釘的直徑qm.(x)=q1(x/ld),相應地0≤x≤lx(12)根據實(shí)驗結果,渣釘端部熱流集中密度系數可根據實(shí)驗結果,頂端平均橫向熱流密度可按下式進(jìn)按下列經(jīng)驗公式計算:行計算:1=全[171-201+)+1(3λh(1q1,h=0.049+A(1-)(1.4+)(13)2.3釘端軸向熱流密度的確定在穩定的過(guò)程中,爐襯的各個(gè)層面上軸向平均2.5釘根和釘間襯料根部平均軸向熱流密度的確定熱流密度應維持不變,且等于渣膜表面的熱流密度,這樣,對于同一個(gè)截面,q(x)和q(x)應滿(mǎn)足下列平1)釘根平均軸向熱流密度(q)根據(12)表述衡方程的規律釘體側面接受的總橫向熱量為q(x)gfx+q(x)g(1-fw=q,再帶人Qn=odxdlxoqi b(14)得到q(x(9)∫fd+(1-f。d)釘體接受的橫向熱流量為:(15)將(8)帶入(9)得到渣釘端面的軸向熱流密度Q1=dai. h(q1)的確定式這樣釘根平均軸向熱流密度為qo=(Q4+Q1)/FxF—釘體的截面面積fs+(1-f)分[1.17(1-a)(1+p)+1]將(14)、(15)帶入上式整理可得2.4襯層中橫向熱流密度的確定1,b+q(16)襯層中橫向熱流密度的分布存在三種形式2)釘間襯料根部平均軸向熱流密度(qah)1)渣層中橫向熱流密度的分布.在渣膜的表面在渣釘端面上,釘間襯層的軸向平均熱流密度上的橫向熱流密度為零,隨著(zhù)向內層深人,可以認為可按凵中國煤化工橫向熱流密度按線(xiàn)性規律變化(見(jiàn)圖3)CNMHGqA(x)=(u+0+hm-x)(1)同樣,在渣釘間村料根部:24煤炭轉化2004年4="二%3傳熱計算的結果及分析2.6村層各部溫度的確定3.1計算程序1)釘根平均管壁溫度可按下式計算:在本文建立的數學(xué)模型的基礎上,我們編制了t=【gh+凹o1(17)相應的計算機程序(見(jiàn)圖4)利用模型和計算機程式中;軸—管內冷卻介質(zhì)的平均溫度,取250.3序可以計算不同結構、不同冷卻壁和不同爐襯材料C;H—熱散漫系數,取0.6;—管子外徑內及不同工藝操作條件下的復合爐襯的溫度分布,可徑之比;om—管壁厚度;燦—管材導熱系數,以借此找到最佳的復合爐襯結構設計參數按t+50C計算;a2—管內冷卻介質(zhì)的散熱系數[2)釘間襯料層下平均管壁溫度(t、)按下式out variable計算refractory lining layer-m+(+1=mCalculate temperatureT+△2λ(B+1)+a2(18))釘端平均溫度(t1)與釘端周緣溫度(t;)Calculate temperature out of釘端平均溫度可按其平均導熱系數,用下述實(shí)驗歸納出來(lái)的經(jīng)驗公式計算:h,= tgh+4義(1+3乙(19)釘端周緣溫度由下式確定:Continuet=t1+分…出d,d(20)4)釘上襯層表面溫度(t'd)匯入釘頂端渣層的橫向熱流量,應為+B+占圖4復合爐襯溫度求解程序框圖Fig 4 Flowchart of solving temperature(l d+ ach +ohm-x)dx (21)distribution of cmoposite lining由q=)q出,,代入上式積分得3.2計算實(shí)例d,氣化爐復合爐襯結構參數主要有渣釘的長(cháng)度和直徑,襯層的厚度,渣釘的布置密度.利用上述程序,同樣可以得到對某給定操作條件下復合爐襯設計參數的影響進(jìn)行Qc h dxdqi h(Ixd +ach -x)這樣,在釘上襯料層的任一端面上,其軸向平均熱流了計算,其結果見(jiàn)表1其他計算條件為密度(q(x))應為氣化爐所用煤熱值26.07MJ,日處理能力為1150geh(r)=gr+(Qa, h+Qeh. h)Fxd/d;k4取1.16,耐火澆鑄料可耐1300C以上,其導熱系因此,釘上襯料層外表面溫度(t)應為:數取4.187kJ·m-h·C;水冷管規格D40mm5mm,導熱系數160.15kJ·m-1·h·C;渣釘的導代入qs(x)各量,得到=4+[+212-+8-]熱C熱YH中國煤化工C,飽和水溫度250.32·h·C),渣層的導CNMHGh·C,渣膜表面的溫(22)度取1400C,相變溫度取1370C4袁宏宇等氣化爐復合爐襯的傳熱計算表1設計參數對復合爐襯溫度分布的彩響Table 1 Effect of design parameter on temperature distribution in composite liningDesignSiag pin length"(l d/mm) Slag piparameter810121582150.060.080.120.15275.1276.9278.7280.4288.4284.3281.5278.7278.7278.7278.6278.6288.7282.9275.3271.6150.7508.5570.6637.0658.2621.1595.9570.65711570.6570.4570.4679.96174534.2492.4460.2517.6579.6645.7662.8626,9603.0579.6580.1579.6579.3579.3692.8627.9541.1187.41200.51216.61235.41320.01286.71256.41216.61161.41261.81317.51299.31256.71178.81125.9252.2252.0251.8251.6250.7251.2252.5251.8251.8251.8251,8252.3252.0251.7251.59x/(MJ·m2h1)66.566.566.566.566.566.566.566.566.566566.566.566.566.566.566.52.92.92.92.92.92.92.92.92.92.92.&abb/mm17.916.615.013.2498.111.15.120.415,010.65.16.91.118.723.9Note:1)8=10 mm,dsd=15 mm.fnd-0 1: 2)Ixd=60 mm, dch=10 mm,fnd=0. 113)Lxd=60 mm, d,d=15 mm fnd=0.1:4)ld-60 mm, ch=10 mm, did=15 mm.定,因此要選擇合適的襯層厚度,形成穩定的渣層來(lái)3.3計算結果分析保護復合爐襯.)當氣化爐的負荷、工況參數一定的時(shí)候5)提高渣釘的布置密度會(huì )使得襯層的溫度內換熱狀況就是唯一而確定的這也就是在表1中降,從而降低復合爐襯的平均工作溫度水平.如果既平均熱流密度(q)和渣膜流動(dòng)層的平均厚度(h)均要爐襯得到充分冷卻,又要求釘體上熱流不致過(guò)于是定值的原因集中,最有效的方法就是提高渣釘的布置密度.不2)當水冷管的對流換熱系數較大的時(shí)候,釘根過(guò),過(guò)高的渣釘布置密度,也會(huì )使得制造成本增加管壁溫度和釘間襯料層下管壁溫度與管內冷卻介質(zhì)因此,實(shí)際制造中需要合理選取的溫度接近,受結構影響的因素較小,因此,在設計計算中此處溫度一般可以最后考慮4結束語(yǔ)3)渣釘長(cháng)度越長(cháng),直徑越細均會(huì )使得釘端(t1)和釘端邊緣溫度(tn)升高.一般渣釘的受熱極限溫1)建立了氣化爐復合爐襯傳熱計算的數學(xué)模度不超過(guò)650C,因此,要合理選擇渣釘的長(cháng)度和直型,為準確分析復合爐襯的溫度,設計合理的結構參徑,避免渣釘釘端溫度過(guò)高,超過(guò)渣釘的耐熱極限溫數提供了可靠的依據度而燒損2)編制了適用氣化爐復合爐襯傳熱計算的計4)渣釘上襯層的厚度不宜太厚,否則由于襯層算程序,為進(jìn)一步研究氣化爐復合爐襯的三維傳熱熱阻的增加而使得襯層表面工作溫度上升,使得固提供了一種較為簡(jiǎn)潔的手段態(tài)渣層難以存在;另外,固態(tài)渣層的厚度要適當,實(shí)3)將氣化爐復合爐襯的傳熱問(wèn)題簡(jiǎn)化成二維踐表明,形成的固態(tài)渣層厚度太薄,則對復合爐襯的傳熱問(wèn)題來(lái)計算,基本可以解決實(shí)際中的問(wèn)題.更精保護作用降低;而很厚的固態(tài)渣層的形成又很不穩確的三維計算還需要作進(jìn)一步的研究符號說(shuō)明ld渣釘長(cháng)度,mmd,d-渣釘直徑,mm6—釘上襯料層厚度,mmf,—渣釘布置密度ts—渣釘釘根管壁溫度,C渣t—渣釘釘端周緣溫度,C釘中國煤化工t燦hd—釘間管壁溫度,C襯CNMHG6n—熔渣流動(dòng)層厚度,mm6—一熔渣不動(dòng)層厚度,mm26煤炭轉化2004年[1]徐振剛,吳賢賢. Texaco氣化技術(shù)及其在中國的應用煤炭轉化,1995,18(1):20-21[2]焦樹(shù)建,干法供煤和水煤漿供煤的氣化爐性能之比較燃氣輪機技術(shù),200013(2):27[3]陳廣智. Shell煤氣化技術(shù)在我國應用的思考煤炭加工與綜合利用,1999(6):42-43[4]譚可榮韓文趙東志等新型水煤漿氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)及其應用.煤炭轉化,2001,24(1):36-39[5]北京鍋爐廠(chǎng)設計科譯鍋爐機組熱力計算標準方法(蘇聯(lián)1973年)北京:機械工業(yè)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 lininggasifier 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 ofomposite lining, and can provide theoretic foundation for the design, opertation and maintenanceof composite lining.KEY WORDS composite lining, heat transfer calculation, mathematic model《煤炭轉化》被評為“北方十佳期刊本刊訊2004年9月13日至9月15日,第一屆“北方優(yōu)秀期刊”評選工作在河北省石家莊市舉行.《煤炭轉化》榮獲第一屆“北方十佳期刊北方八省市(北京、天津、河北、山西、內蒙古、黑龍江、遼寧、吉林)的專(zhuān)家以國家科學(xué)技術(shù)部《科學(xué)技術(shù)期刊質(zhì)量要求及評估標準》、國家新聞出版署《社會(huì )科學(xué)期刊質(zhì)量要求及評估標準》為依據,對參評期刊從辦刊宗旨、政治方向、學(xué)術(shù)水平、編排規范、編輯加工、出版標準、社會(huì )效益、經(jīng)濟效益、風(fēng)格特色等方面進(jìn)行嚴格評審,最后以無(wú)記名投票方式評出了“北方十佳期刊”、“北方優(yōu)秀期刊”.中國煤化工CNMHG(本刊通訊員)