氣化爐托磚環(huán)溫度場(chǎng)的有限元分析

Vol. 30 No. 1華東理工大學(xué)學(xué)報2004-02Journal of East China University of Science and Technology61文章編號: 1006- 3080( 2004)01-0061 -04氣化爐托磚環(huán)溫度場(chǎng)的有限元分析瞿海根，屈強，王輔臣”，于遵宏(華東理工大學(xué)潔凈煤技術(shù)研究所,上海200237)摘要:以通用的熱傳導模型為基礎,對氣化爐托磚環(huán)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行有限元計算,計算中考慮了爐內外溫度對托磚環(huán)溫度場(chǎng)的影響。計算結果表明:在爐內溫度為1 300 C時(shí),托磚環(huán)溫度最高接近650 C;耐火纖維在隔熱方面作用顯著(zhù);氣化爐內部溫度對托磚環(huán)溫度分布影響很大，而外部環(huán)境溫度變化對托磚環(huán)溫度分布的影響有限。關(guān)鍵詞:熱傳導;有限單元法;托磚環(huán);數值模擬中圖分類(lèi)號:TQ545文獻標識碼: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,我國先后引進(jìn)了4套Texaco不能完全承受耐火磚的重量,導致耐火磚塌陷,造成水煤漿氣化裝置.在山東魯南、陜西渭河、上海焦化生產(chǎn)事故。因此研究托磚環(huán)的溫度分布以及爐內溫廠(chǎng)和淮南化肥廠(chǎng)等投入運轉。與Shell干煤粉氣化度的影響尤為重要。由于托磚環(huán)形狀和邊界條件復爐采用水冷壁不同,Texaco水煤漿氣化裝置內壁采雜,很難得到其溫度場(chǎng)的解析解,需借助于計算機將用耐火磚結構。為了支撐耐火磚,在氣化爐爐體內設時(shí)間和空間坐標劃分成數量巨大的網(wǎng)格才能得到比置了一種由特殊金屬材料制造的托磚環(huán),氣化爐爐較精確的數值解。本文應用有限單元法求解這種具磚的重量通過(guò)耐火撐環(huán)作用于托磚環(huán)上。如果托磚有復雜幾何形狀和邊界條件的熱傳導問(wèn)題。中國煤化工環(huán)的溫度過(guò)高,將會(huì )降低金屬材質(zhì)的機械強度,使其MH. CNMH G基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃資助項目(G1999022103);2001年度上海青年科學(xué)項目(01QN29)E-mail :quhaigen@ yahoo. com由能量守恒定律,導熱微分方程可以表示為中:收稿日期:2003-01-20a(pct)=●(入 t)十qv(1作者簡(jiǎn)介:瞿海根(1978-).男.江西萍鄉人,碩士生,研究方向:煤氣.化。62華東理工大學(xué)學(xué)報第30卷對于常物性材料,c、p為常量,三維導熱體內部J[T(x,y)]=含[(器) +(時(shí)]dady (10)熱流運動(dòng)在直角坐標系中,應該滿(mǎn)足的微分方程第二類(lèi)邊界條件的泛函為1 t_aτ=2+戈(2)各「(2T)°+(?TTardy+式中,a= 2/(pc )稱(chēng)為材料的熱擴散率(或導溫系數)2L( dx)T{ ay1求解域S的溫度場(chǎng)分布,應當滿(mǎn)足邊界條件。P,qTds(11)邊界條件可以分為3類(lèi)[2] ,表示如下:T= T" 在I,邊界上(3)第三類(lèi)邊界條件泛函為:k.. aT.aT日T. a1+( TlIdrdy+,nx+k,n,.+ k.mn.=q 在I2邊界上(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 )邊界上(5)為了把變分問(wèn)題離散化為數值計算問(wèn)題,需要2域的全部邊界r應當滿(mǎn)足T1+I2+I3=r把定解域(包括邊界)剖分為有限個(gè)互不重疊的單元在「上給定溫度T(r ,t)稱(chēng)為第-類(lèi)邊界條件，區域，單元的形狀原則上可以任意,但是最簡(jiǎn)單實(shí)用它是強制邊界條件;在F:邊界上給定熱流量q(T ,t),的是三角形單元。這樣-來(lái),變分計算就可以在每- -稱(chēng)為第二類(lèi)邊界條件,當q=0時(shí),就是絕熱邊界條個(gè)局部的網(wǎng)格單元中進(jìn)行，最后再合成為整體的線(xiàn)件;在T'3邊界上給定對流換熱條件,稱(chēng)為第三類(lèi)邊界性代數方程組進(jìn)行求解。在作單元的變分計算時(shí),未知近似函數T的選.條件,第二、三類(lèi)邊界條件是自然邊界條件。氣化爐正常操作時(shí),工藝條件變化不大,可認為取是一個(gè)重要的問(wèn)題，有限單元法中最簡(jiǎn)單的是線(xiàn)傳導過(guò)程為穩態(tài)導熱，爐體沒(méi)有內熱源,所以,方程性插值函數,只要單元足夠小，這種線(xiàn)性插值函數的(2)轉換為拉普拉斯方程,也即控制方程:誤差也就足夠小。對于三角形單元,通常假設單元上的溫度T是x,y的線(xiàn)性函數,即(6)習x2TdytarT=an+ ax + a3y(13) .托磚環(huán)熱傳導過(guò)程有4個(gè)邊界條件。其中,1個(gè)式中,a1va2、a3是待定函數，它們可以由節點(diǎn)上是第一類(lèi)邊界條件,2個(gè)是絕熱邊界條件,最后一個(gè)的溫度值來(lái)確定,將節點(diǎn)坐標和溫度帶入式(13),得.是對流換熱條件,即爐殼外表面與周?chē)橘|(zhì)的傳熱。到爐殼外表面與周?chē)橘|(zhì)的傳熱包括自然對流換T;= a1+ azx; + asy;熱和輻射傳熱，相應的換熱系數可以按照以下經(jīng)驗T;=a + axx;+ asy;(14)公式凹計算:Tm=a; + azTrm + asYmh.= 1.35(t - t。)1/3(7)最后得到的一個(gè)重要關(guān)系式為h,=eCc[\100)100) ]/(T-To) (8)T=-六[(a;+ bx+cy)T;+(a;+b,x +c;y)T;+_- 1換熱系數(am+ bmx+cmy)Tmh。=h.+h,(9)式中△是三角形單元的面積,稱(chēng)之為三角形的插值函數，將其帶入各種邊界條件的泛函中,總體合成為2計算方法[K][T]= [R](16)求解這個(gè)矩陣就可以得到溫度在各個(gè)節點(diǎn)上的數值熱傳導方程離散求解的數值方法,主要包括有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)[3]、有限容積中國煤化工法(FVM)和邊界元法(BEM)[4等。FEM的最大優(yōu)MYHCNMH G點(diǎn)是對不規則區域的適應性好,在流體流動(dòng)和傳熱中應用較廣。本文正是利用這-優(yōu)點(diǎn)來(lái)求解幾何形3.1計算條件狀和邊界條件復雜的托磚環(huán)溫度場(chǎng)及爐內溫度對其托磚環(huán)在氣化爐的位置和幾何形狀如圖1所溫度場(chǎng)的影響。示。爐膛最內層為鉻鋁鋯磚,主要起到抗熔渣侵蝕的第一類(lèi)邊界條件的泛函為作用;第二層為鉻鋁磚;第三層為氧化鋁空心球磚,第1期瞿海根等:氣化爐托磚環(huán)溫度場(chǎng)的有限元分析;3起隔熱作用,保護氣化爐殼體不超溫。第二層和第三度影響(用托磚環(huán)的最高點(diǎn)的溫度表征)。圖4結果層耐火磚由托磚架支撐,該托磚架位于氣化爐中部，表明:隨著(zhù)氣化爐爐內溫度的升高,托磚環(huán)最高點(diǎn)溫托磚架下面填有耐火纖維。度直線(xiàn)上升,爐內溫度升高50 C,托磚環(huán)最高點(diǎn)溫爐體各種材料的導熱系數(W/(m●K)):熱面度升高25 C左右。圖5結果表明:環(huán)境溫度每升高磚4.2,背撐磚4,隔熱磚0.8,耐火纖維0.2。10C,托磚環(huán)最高點(diǎn)溫度升高3~5C。這也說(shuō)明:氣化爐爐體結構和耐火材料確定的情況下,由于氣化爐內部溫度在100~200 C之間變化,極端情況下Max;13 700Max:4 720I 4500120004000 .Refractory! 100003500support frame3000800025006000| 200040001500，10002000500(a)Min 119Min 136圖1托磚環(huán)在氣化爐爐體的幾何形狀圖3托磚環(huán)溫度梯度分布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 結果與討論.750 |圖2、圖3分別為爐內溫度1300C時(shí)有無(wú)耐火纖維情況下托磚環(huán)的溫度分布、溫度梯度分布?？梢?700看出,加上一層耐火纖維后,托磚環(huán)的溫度在400~手650650C范圍內變化,在耐火纖維區域，溫度梯度變化600比較大。沒(méi)有耐火纖維,托磚環(huán)溫度在400~750 C范圍內變化，在耐火材料與托磚環(huán)接觸的地方溫度550L1100 1200 1300 1400 1500 1 600梯度變化較大。比較圖2和圖3,有耐火纖維時(shí),托Internal temperture 1 °C磚環(huán)溫度最高點(diǎn)比沒(méi)有耐火纖維時(shí)高約100 C,說(shuō)明了耐火纖維隔熱效果顯著(zhù)。圖4爐內溫度對托磚環(huán)溫度的影響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)中國煤化工圖2托磚環(huán)溫 度分布MYHCNMH GO4(5(60Fig.2 Temperature distribution of refractory supportExtermnal temperture/ Ca- With refractory fiber; b一Without refractory fiber圖5環(huán)境溫度對托磚環(huán)溫度分布的影響Fig.5 Effect of external temperature of gasifier shell圖4和圖5分別為爐內溫度變化(1150~1 400on temperature of refractory support frameC)和外界環(huán)境溫度變化(10~50C)對托磚環(huán)的溫64華東理工大學(xué)學(xué)報第30卷更高,所以說(shuō)氣化爐內部溫度變化是托磚環(huán)溫度分邊界外法線(xiàn)的方向余弦布的主要因素,而由于外部環(huán)境溫度變化有限,對托q=q(I",t)一F2 邊界上的給定熱流量，C磚環(huán)溫度分布的影響不大。Q=Q(x,y,z.t)物體內部的熱源密度,W/m3t一爐殼表面溫度,CT=T(T,t)- F邊界上的給定溫度,C4結論To=T.(r,t)-在自然對流條件下,為外界環(huán)境溫度;在強迫對流條件下,為邊界層的絕熱壁溫度,C有限單元法對氣化爐托磚環(huán)溫度分布計算結果托磚環(huán)最高點(diǎn)溫度,C表明:在爐內溫度為1 300C,氣化爐的托磚環(huán)溫度爐殼表面的黑度最高點(diǎn)接近650 C ;耐火纖維隔熱效果顯著(zhù);氣化爐ρ--一材料密度,kg/m3時(shí)間,s爐內溫度對托磚環(huán)的溫度分布情況影響很大,是影響托磚環(huán)溫度分布的主要因素,外部環(huán)境溫度變化參考文獻:對托磚環(huán)溫度分布的影響不大。[1]張洪濟.熱傳導[M].北京:高等教育出版社.1992.15..符號說(shuō)明:[2] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社, 2000.27.材料比熱,J/(g. K)[3]孔祥謙.有限單元法在傳熱學(xué)中的應用[M].北京:科學(xué)出版- 黑體輻射系數,Co=5.67 W/(m2. K+)社,1998. 27.換熱系數,W/(m2.K)[4]劉西云,趙潤祥.流體力學(xué)中的有限元法與邊界元法[M].上爐殼表面與周?chē)橘|(zhì)的自然對流換熱系數,W/(m2●K)海:上海交通大學(xué)出版社,1993.爐殼表面與周?chē)橘|(zhì)的輻射換熱系數,W/(m2●K)[5] 陶文銓.數值傳熱學(xué)(第二版)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 2001.keoky.k- 材料沿r.y.z方向的熱傳導系數,W/(m. K)下期發(fā)表論文摘要預報固定床有效導熱系數的研究劉玉蘭'，吳勇強'， 徐志剛'， 朱子彬'， 陳慶齡，盧文奎?(1.華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海200237; 2. .上海石化研究院,上海201208)摘要:采用穩態(tài)法和非穩態(tài)參數估值法測定了氣體靜止時(shí)固定床有效導熱系數(以下簡(jiǎn)稱(chēng)固定床的有效導熱系數),前者采用圓柱體導熱模型,求得在某特定溫度下固定床的有效導熱系數;后者根據固定床擬均相非穩態(tài)傳熱模型,獲得了適用于寬溫度范圍的固定床有效導熱系數與氣體導熱系數和固體導熱系數之間的關(guān)聯(lián)式。并將填充擠條型氧化鐵系催化劑、催化劑載體Al2O3和玻璃珠的固定床的測定結果與前人推薦的固定床有效導熱系數的多種計算方法進(jìn)行比較。結果證明,對于氣-固體系,計算固定床的有效導熱系數較為適宜的經(jīng)中國煤化工205101X以以),該經(jīng)驗式在20~500°C對于高、中、低導熱系數多種物系MYHCNMHG