氣化爐復合爐襯的傳熱計算

第27卷第4期煤炭轉化Vol.27 No. 42004年10月COAL CONVERSIONOct. 2004氣化爐復合爐襯的傳熱計算袁宏宇'王輔臣2) 于遵宏3)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TQ545Heat-0引言insulationlayerRefrarctory氣化爐中爐襯的選擇有兩種一耐 火磚或水冷, linling壁. Texaco氣化爐采用耐火磚襯里1,由于氣化過(guò)GasiferWater- cooling程是在高溫高壓的條件下進(jìn)行,因此對向火面耐火pipe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，耐火磚已成為德士古煤氣化裝置經(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)[3] ,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composite lining in gasifier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)項目一新 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[4]，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tam為液膜表面溫度,t為料的需求和延長(cháng)氣化爐壽命的目的.熔渣臨界溫度，心為釘端表面溫度，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,te2為釘間爐襯表面溫度，如為釘根管壁組成,其結構見(jiàn)圖1.在氣化爐的工作過(guò)程中,向火溫度,tbcn為釘間襯料層下管壁溫度,qx為渣流表面面的耐火材料裸露在爐膛中，受到1000 C以上的軸向熱流密度,q1為釘端軸向熱流密度，q1.h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，上的釘間襯料層軸向熱流密度,qa.n為釘上村質(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,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qo..n為釘側橫向熱流密度,qo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0o.ch為釘間襯料層底面軸向熱流密度,91.c為釘端高*國家“863”計劃項目(2003AA521020)和上海市科技發(fā)展基金資助項目(03QF 14013).1)碩士生: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:200-06-11:修回日期:2004-07-2122煤炭轉化2004 年度上釘間襯料層軸向熱流密度,qp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，0b為渣膜不動(dòng)層厚度,δm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,8xm為全渣膜層厚度,8u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Slag pin .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)項目一-新 型(多噴嘴對置)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.62.1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);qx=煤熱值x每小時(shí)燃煤公斤數x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qxx= kyg9x(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(δu),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δm= Aanthm二to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,am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,to一煤 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δbb = Ah(4)高.這種情況下,熱流將從釘根向釘間管壁“散漫".式中: Asb-渣膜不動(dòng)層平均導 熱系數,d一熱散漫的強度還與管內介質(zhì)的對流換熱能力有關(guān).釘上襯層溫度，可預先假定,然后試差計算得到.在橫向熱流影響下,沿釘體和釘間襯料的實(shí)際軸向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(lha/dx)有1)比值(w) : w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和釘體的熱阻與釘間的渣膜和襯料的熱阻之比,以中程度的制約.正是由于熱流向釘體集中,才使得釘表明襯層.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)釘端周緣也是釘體上溫度最高的部分.w=R咖+ R'+ RsRh+ Ram式中: Rtam= o + Oon ,Rm是渣層的總熱阻,為渣2傳熱計算的數學(xué)模型膜流動(dòng)層與不動(dòng)層的熱阻之和;R'a= on ,R'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,入為襯料層平均導熱系數: Rnd1)爐襯的熱力工況是屬于三維傳熱的問(wèn)題,但=號,Ra為渣釘熱阻,hes渣釘長(cháng)度.由于熔渣層的厚度以及耐火澆鑄層的厚度相對于爐子直徑而言較小,可以近似作二維平面處理; 2)渣2)比值(ρ):p表示渣釘釘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渣釘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阻之比,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 爐村的傳熱計算配和溫度降度影響的參數，表達式為:. SlagLayerRefractory lining layerR'd + Ramp= RJa+ (R'm- R'n)(1一fa)(6)式中: fxa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(4).渣釘上熱流集中密度更為同截面上渣釘平均軸向熱流密度q(x)和襯層圖3復合爐襯的熱流密 度分布Fig.3 Heat flux in composite lining平均軸向熱流密度qn(x)之比:式中: (ha+ δ°n)≤x≤(ss+ °'sb + shm).坐=q(I)>12)釘上襯層中熱流密度分布.可以認為其間橫qo(x)向熱流(qh.h)維持不變.在渣層和襯料層的接界面dt(x)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:業(yè)u=x des(x)升, qm.h和qh.應維持q.b = 9..6(u/h>),相應地A dzlx≤x≤(hxs + δ'c).式中: du(x)渣釘沿軸向的溫度降度，dhasco)釘間3)沿釘體側面的橫向熱流密度分布.可以認為dr襯料層軸向的溫度降度; Wxd應與渣釘和襯層的導是從頂端橫向熱流密度(q1.)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= f(x/ahufe.lss/dx)的，所以q.n和q1..相等,這樣釘側熱流分布:式中:de為渣釘的直徑.qou.b(x) = 9.(x/1hs) ,相應地0≤x≤lu(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:.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Qon(x)應滿(mǎn)足下列平1)釘根平均軸向熱流密度(qo)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)gfxa+ qa(x)g(1 - fa)=9x，再帶入Q= -dashu91h(14)得到q(x) =(9)釘體接受的橫向熱流量為:fxs+ (1- fa)亞Q = 2da91.b(15)將(8)帶人(9)得到渣釘端面的軸向熱流密度(q1)的確定式這樣釘根平均軸向熱流密度為qo= (Q + Q)/Fxd，Fx-釘體的截面面積91 =fas+(1- f2)會(huì )[1.17(1 -w)(1+p)+ 1]將(14)、(15)帶人上式整理可得qo≈_9qh+qi(16)2.4襯層中橫向熱流密度的確定2)釘間襯料根部平均軸向熱流密度(qo.ch)襯層中橫向熱流密度的分布存在三種形式: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)向內層深入，可以認為可按熱流方程衡算式得到:9x一q:fxd橫向熱流密度按線(xiàn)性規律變化(見(jiàn)圖3).91.= 1- Jxq:(x)= (a+ 8'm+ 8m一x) (11)同樣 ，在渣釘間襯料根部:8h.m24煤炭轉化2004年Q.ch=9.二9ofx1一fxd3傳熱計算的結果及分析2.6 襯層各部溫度的確定3.1計算程序1)釘根平均管壁溫度可按下式計算:t的=伸十四o月(， 20..+1)(17)在本文建立的數學(xué)模型的基礎上,我們編制了和(β十1)十a(chǎn)2相應的計算機程序(見(jiàn)圖4).利用模型和計算機程式中: t的-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;μ-熱散漫系數,取0.6;β-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;δ一管壁厚度; 一管材導熱系數，以借此找到最佳的復合爐襯結構設計參數.按lgab +50 C計算;az一管 內冷卻介質(zhì)的散熱系Input the數.property data2)釘間襯料層下平均管壁溫度(tb.n)按下式. Input variable計算:Assupe tempenature out orefifactory lining layerCaculate temperature7-T*+412(2w(9+1+ a)(18)onsasCalculate temperature out of3)釘端平均溫度(1|)與釘端周緣溫度(4,)釘端平均溫度可按其平均導熱系數,用下述實(shí)_N驗歸納出來(lái)的經(jīng)驗公式計算:0< 0.13t=u+491 +491.he )(19)Output data3qidx釘端周緣溫度由下式確定:t,=t+291.g(20)↓N4)釘上襯層表面溫度(1's)ind匯入釘頂端渣層的橫向熱流量,應為圖4復合爐襯溫度求解程序框圖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 ,代人上式積分得3.2計算實(shí)例AchQn.h = -dxaqiAt0shm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Qcn.h = nduq1.n(hxd + °'e一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(qa+(x))應為氣化爐所用煤熱值26. 07 M],日處理能力為1 150qab(x) =qx + (Qa.h + Qer.)/Fxst/d;k。取1.16,耐火澆鑄料可耐1 300 C以上，其導熱系因此,釘上襯料層外表面溫度(I'sh )應為:數取4.187 kJ●m-'●h. C;水冷管規格D40 mmX'a=n+ futo 9(1)22dx5 mm,導熱系數160.15kJ●m-'●h●C;渣釘的導Ah熱系數121.42kJ●m-1●h. C ,飽和水溫度250. 3代人qo(x)各量,得到C ,對流換熱系數43.39 MJ/(m2●h. C),渣層的導l'b=1+R'+qx + (第8om +8m) ]熱系數統一取7.54kJ●m-1.h.C,渣膜表面的溫(22)度取1 400 C ,相變溫度取1370 C.第4期袁宏宇等氣化爐 復合爐村的傳熱計算25表1設計參數對復合爐襯溫度分布的影響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.1)當氣化爐的負荷,工況參數-定的時(shí)候,爐5)提高渣釘的布置密度會(huì )使得襯層的溫度下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(qx)和渣膜流動(dòng)層的平均厚度(8m)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(t})和釘端邊緣溫度(t,)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)650 C,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)-步的研究.符號說(shuō)明l-渣釘長(cháng)度.mmds-一渣釘直徑,mm.δs一釘上襯料層厚度.mmfu一渣釘 布置密度渣釘釘根管壁溫度,Ct-一渣釘釘端溫度,C.渣釘釘端周緣溫度,Cu-釘端襯料層表面溫度，Ca一.釘間管壁溫度,C :q.-一 村層熱負荷,W/(m. C)δn一熔渣流動(dòng)層厚度.mmδmb--熔渣不動(dòng)層厚度,mm26煤炭轉化2004年參考文獻[1]徐振剛，吳賢賢。Texeco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)2000.13(2);2-7[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1960:4243[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 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”。(本刊通訊員)