氣流床氣化爐爐體三維傳熱模型研究

第24卷第4期煤炭轉化Vol.24 No.42001年10月COAL CONVERSIONOct.2001氣流床氣化爐爐體三維傳熱模型研究屈強l于廣鎖2)王亦飛3) 于遵宏摘要從通用三維傳熱模型出發(fā),研究了氣流床氣化爐爐體的三維傳熱模型,應用有限差分法進(jìn)行了求解.以德土古氣化爐爐體為具體實(shí)例,研究了爐內溫度、環(huán)境溫度、耐火磚的導熱系數變化對氣化爐爐壁溫度造成的影響.結果表明,該方法可以有效地計算出氣化爐爐體上任意-點(diǎn)的溫度,為氣化爐的設計、運行、維護提供理論依據.關(guān)鍵詞氣化爐,三 維傳熱，有限差分法中圖分類(lèi)號TQ545Xt正k+q"=pc0引言式中前三項是由x,y和z方向上傳入微體的熱量;我國能源結構中，煤炭資源占很大比重.煤的氣第四項是微體內熱源產(chǎn)生的熱量;最后一項是微體化是煤炭轉化技術(shù)中最重要的一個(gè)方面,并已得到升溫需要的熱量.微分方程表明:微體升溫所需的熱廣泛應用.020世紀80年代末至今,我國共引進(jìn)4量應與傳入微體的熱量以及微體內熱源產(chǎn)生的熱量套Texaco水煤漿氣流床氣化裝置,分別建于山東相平衡.魯南、上海吳徑、陜西渭河和安徽淮南2],氣化爐均若k是常數,則方程(1)成為較簡(jiǎn)單的形式Ft」子t⊥子t」q"”_ 1 at采用耐火材料作為爐襯.由于高壓(2.6 MPa~6. 5x22+2+2+k=a0(2)MPa)、高溫、高熱負荷及還原氣氛并受酸性熔渣的式中:a=k/pc稱(chēng)為導溫系數或熱擴散率,對于無(wú)內沖蝕，同時(shí)還伴有開(kāi)停車(chē)時(shí)溫度和壓力沖擊,國內各熱源的材料,方程(2)變成傅立葉方程裝置向火面耐火磚的較好運行壽命僅約8000h.這就意味著(zhù)每1年左右需要更換一次耐火磚,而每次xtyxa 20更換耐火磚需要約1.5個(gè)月.連續化生產(chǎn)裝置的頻在穩定狀態(tài)下At/a0=0,方程(2)轉變?yōu)椴此煞匠谭蓖＼?chē)是難以忍受的，經(jīng)濟損失也是巨大的.若采用子t_Ht」t_q"備用氣化爐來(lái)滿(mǎn)足連續生產(chǎn),投資數千萬(wàn)元的氣化x2+ay2+x2+k=0爐幾乎閑置也不是所希望的.仔細分析耐火磚和氣如果q"=0,那么,方程(4)就簡(jiǎn)化為拉普拉斯方程化爐爐體的溫度分布,從而采取措施,對于提高耐火Ft3x2磚和氣化爐的使用壽命是有益的.作為特例，如果導熱系數隨著(zhù)溫度線(xiàn)形變化時(shí)以,k1數學(xué)模型=k。(1+βt)或者k=A+ Bt,可以記作:t=B二B、在穩定狀態(tài),沒(méi)有內熱源時(shí),代入式(1),則得:在直角坐標系中,對于一般三維問(wèn)題,瞬態(tài)溫度日kak'日1kkd1kdk'場(chǎng)的場(chǎng)變量T(x,y,z,I)在直角坐標中應該滿(mǎn)足的中國煤化工x\B改,=0(6)微分方程[3]:由FYHCNMHG化為a,draud\R)+σ(R)+F(k)_0ax(kxr)+ dkaxy1tdx2 dyx國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃項目(G1999022103).1)博士生;2)博土、副教授;3)博士生導師、教授,華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,200237上海收稿日期:2001-07-06第4期屈強等氣流床氣化爐爐體三維傳熱模型研究25這表明,通過(guò)把變量t變換為(k"),就能夠使非線(xiàn)形當選定Ox=Ay=Oz時(shí),在三維穩定溫度場(chǎng)中，的導熱微分方程線(xiàn)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的溫度場(chǎng)分布,應當滿(mǎn)足邊界條件.邊界條件可以分為三類(lèi)呵,其表示如下:q。(A.x)具有溫度的量綱，可被看作是由于內熱源發(fā)T= T"在r邊界上(9)I'TJI'熱所引起的溫度增量;或者q。為負值時(shí),9Ax)同n.+k,in,+k.n.=q 在F2邊界上dx”)y"k"樣是負值，代表內部有吸熱源所引起的溫度減量.如(10)果內熱源發(fā)熱率是均勻的,這個(gè)溫度增減量也將是krarn+k,an,tk:an= h(T。- T)個(gè)常量，對內部任何節點(diǎn)都保持同值.如果是二維穩在F3邊界上(11)定溫度場(chǎng),則S2域的全部邊界r應當滿(mǎn)足r1+T2+Fs=rt十t2十t3+ts一4to十q。(Or)==0(18).k在T上給定溫度T(T,t)稱(chēng)為第一類(lèi)邊界條有限差分化，實(shí)質(zhì)上就是把連續溫度場(chǎng)的導熱件,它是強制邊界條件;在Fz邊界上給定熱流量q處理成“導熱桿”熱路網(wǎng)絡(luò )的導熱,見(jiàn)圖2.每根“導(I",t),稱(chēng)為第二類(lèi)邊界條件,當q=0時(shí),就是絕熱熱桿”傳遞相鄰兩元塊接觸導熱時(shí)同樣多得熱流，例邊界條件;在Ts邊界上給定對流換熱條件,稱(chēng)為第如Ax=Oy=1 m時(shí),連接內部?jì)蓚€(gè)相鄰節點(diǎn)1和0三類(lèi)邊界條件,第二、第三類(lèi)邊界條件是自然邊界條的導熱桿所傳導的熱流量為:件.爐殼外表面與周?chē)橘|(zhì)的傳熱包括自然對流換Q1o = k1o(Oy)l，= k1o(t1 - to) (19)熱和輻射傳熱,相應的換熱系數可以按照以下經(jīng)驗公式計算:↑中he = 1.35(t - t,)1/3(12)0yh,= EC。[0一(o門(mén)](r-T,) (3)0zP_ Ax___ 叫0x_ 中換熱系數h。= h.+ h,(14)/Az|4y2數值 解析方法圖1有限差分示意圖.導熱問(wèn)題的數值解,常采用有限差分法,使導熱Fig. 1 Sketch map of fenite diffrernce method微分方程有限差分化，把溫度場(chǎng)的連續分布看作是逐段線(xiàn)性分布，如圖1所示,即對x軸向來(lái)說(shuō),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，差分所引起的誤差也就越小.這種差分化的步驟亦同樣適用于y軸和z軸向.于是,針對中國煤化工各向同性、k=常量時(shí)的穩定導熱,對于“節點(diǎn)”0,就MHCNMH G有t十t2- 2t。，ts+ t.- 2to,圖2導熱桿示意圖(Ox)2(Oy)2Fig.2 Sketch map of a heat transfer stick(16)在穩定的工況下，,單元塊0每單位時(shí)間內得到的熱(△z)226煤炭轉化2001年量Q。為0.因此，Q。=Q1+Q2o十Q:o+Q4o + qo(Ox)= 0(20)Q。也就相當于節點(diǎn)0的熱流“余量”.如果是三維穩定溫度場(chǎng),則成為Q。=Q1o+Q2+Q30+Q。+Qso+Q。o + q。(Ox)2= 0(21)也就是說(shuō),每-一個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)熱量收支平衡點(diǎn),可以用松馳法或者追趕法來(lái)進(jìn)行求解.3計算實(shí)例利用以上三維數學(xué)模型,可以計算出氣化爐在不同結構參數、不同爐襯材料、不同爐溫條件下,爐圖3德士古 氣化爐爐體結構體的溫度分布.'下面給出應用該模型對某種結構氣.Fig.3 Structure of a texaco gasifier化爐爐體的溫度場(chǎng)分布計算實(shí)例.計算條件為:.已270外爐殼材料:普通碳鋼,厚度為96 mm260 |拱頂大法蘭材料:不銹鋼250氣化爐爐內溫度:1 300 C~1 500 C240 t氣化爐周?chē)諝鉁囟?20 C230氣化爐爐襯:共有3層,每層厚114 mm,分別220 t為熱面磚、背襯磚和隔熱磚.典型德士古氣化爐爐體21結構見(jiàn)圖3.在環(huán)境溫度為25C,對流換熱系數為13001350 1400 1450 1600 1550 1600Ilighet lempin gilie/C19.2 W/(m2●C)時(shí),氣化爐內最高溫度變化對爐中部外壁溫度的影響見(jiàn)圖4,環(huán)境溫度變化對爐外圖4氣化爐內溫度對爐外壁溫度的影響壁的溫度影響見(jiàn)圖5,熱面磚導熱系數變化對爐外Fig.4 Effect of the temperature in gasifier on the壁溫度的影響見(jiàn)圖6.outer sufurce of gasifer240340號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圖5環(huán)境溫度對爐外壁溫度的影響圖6耐火磚導熱系數對氣化爐外壁溫度的影響Fig.5 Effect of the temp erature of environment on the中國煤化工onductivity of refractoryYHC N M H Gurce of gasifer由圖4~圖6可以看出:隨著(zhù)氣化爐爐內溫度算可以預測出環(huán)境溫度變化后爐體表面溫度的相應的升高,外壁溫度直線(xiàn)上升;環(huán)境溫度變化會(huì )對氣化改變值,從而判斷究竟是爐溫變化造成的還是由于爐爐體溫度造成影響,環(huán)境溫度低,則氣化爐表面溫環(huán)境溫度變化造成的;耐火磚的熱傳導系數的變化度低,環(huán)境溫度高,則氣化爐表面溫度也高,通過(guò)計會(huì )對爐體溫度造成較明顯的影響,選用耐火磚時(shí),在第4期屈強等氣流床氣化爐爐體三維傳熱模型研究27保證耐火性能的前提下,盡可能選用熱傳導系數低差分法進(jìn)行求解,可以計算出氣化爐爐體上任意一的耐火磚，可以降低爐體溫度,延長(cháng)爐體使用壽命.點(diǎn)的溫度,為氣化爐的設計、運行、維護提供理論依據.4結論建立了氣化爐爐體的三維傳熱模型,使用有限符號說(shuō)明爐殼表面與周?chē)橘|(zhì)的自然對流換熱系數，k,k,k.--材料延x,y.z方向的熱傳導系數，W/(m2●K)W/(m. K)h,.-.爐殼表面與周?chē)橘|(zhì)的輻射換熱系數，Q= Q(x,y,z,t)物體內部的熱源密度,W/m3爐殼表面的黑度Nz,My,Mz :邊界外法線(xiàn)的方向余弦Co-黑體輻射系數,Co=5.67 W/(m2●K*)T=T(T,t)r邊界上的給定溫度,Ct,T一 爐殼表面溫度,C和Kq=q(I',t)一I2邊界上的給定熱流量,C材料密度,kg/m3h一換熱系數,W/(m’ ●K)材料比熱,kJ/(kg. C)T.=T.(",t)-一在自然對流條件 下,為外界環(huán)境溫度,C;t一時(shí)間,s在強迫對流條件下,為邊界層的絕熱壁溫度，C參考文獻[1] Preston W E. The Texaco Gasification Process in 2000 Startups and Objectives. 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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