煤炭轉化Vol.26 No. 1第26卷第]期COAL CONVERSIONJan. 20032003年1月氣化爐爐體關鍵部位溫度分布研究屈.劉海峰2)于廣 鎖2于遵宏3》摘要從通用傳熱模型出發(fā).研究了氣化爐爐體的傳熱模型,應用有限單元法進行了求解.以德士古氣化爐爐體為具體實例,計算了氣化爐爐體關鍵部位的溫度分布。結果表明。該方法可以有效的計算出氣化爐爐體上任意一點的溫度,為氣化爐的設計、運行和維護提供理論依據.關鍵詞氣化爐 ,溫度,有限單元法中圖分類號TQ545式中:a= k/pc ,稱為導溫系數或熱擴散率,對于無0引言內熱源的材料,方程(2)變成傅立葉方程Ft。fl。f_1a如=20(3)氣化爐爐體由各種耐火磚和殼體組成,它的溫在穩(wěn)定狀態(tài)下，2/20= 0 ,方程(2)轉變?yōu)椴此煞匠潭确植疾粌H影響著耐火磚的使用壽命長矩.更影響到氣化爐能否安全運行,是延長耐火磚使用壽命,保(4)證氣化爐安全操作的重要研究課題.本文將有限單.最后,如果q”- 0,那么,方程(4)就簡化為拉普拉元法應用于上述復雜的傳熱計算中,和有限差分斯方程法，相比.可以布置任意的節(jié)點和網絡,對于復雜的子+然+類=o<5)區(qū)域和邊界問題有著更強的適應性和靈活性.作為特例，如果導熱系數隨著溫度線形變化時31,k1數學模型= ko(1+β2)或者k=A + Br.可以記作:1=后一在直角坐標系中,對于一般三維問題，瞬態(tài)溫度合,在穩(wěn)定狀態(tài),沒有內熱源時,代入式(1),則得:場的場變量T(x.y.z.t)在直角坐標中應該滿足的品管驗)+錄(會要>+是6曲)-0微分方程“:dyB dy西B西(6)是級票)+是(k黑) +是(k惠)十由于B為已知常數，上式轉化為q"=pc-子(k2).。F(k*)」 F(k2)=0(7)式中:第一、第二、第三項是由x,y和z方向上傳入這表明,通過把變量1變換為(k*),就能夠使非線形微體的熱量;第四項是微體內熱源產生的熱量;最后的導熱微分方程線形化,可以得到解析解- -項是微體升溫需要的熱量.微分方程表明:微體升k= f(r,y)8)溫所需的熱量應與傳人微體的熱量以及微體內熱源另外,求解域s2的溫度場分布,應當滿足邊界條件.產生的熱量相平衡.邊界條件可以分為三類[1],其表示如下:若k是常數，則方程(1)成為較簡單的形式T= T在F邊界上(9)FtaTn.+ k,+ k."n.=q在I,邊界上.中國煤化工<10)R國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項月(G1999022103).上海青年科學基金資助巧MHCNMHG1)博+生:2)博士、副救授:3)教授、博士生導師.華東理工大學清物煤技術研究所，200237 上海收稿日期:2002-09-1254煤炭轉化2003年， JT"的是三角形單元.這樣一來,變分計算就可以在每一n。tk,on+k.tn。= h(T.- T)個局部的網格單元中進行,最后再合成為整體的線在「3邊界上(11)性代數方程組進行求解.在r上給定溫度T(r,t)稱為第一類邊界條在作單元的變分計算時,未知近似函數T的選件,它是強制邊界條件;在r:邊界上給定熱流密度取是一個重要的問題，有限單元法中最簡單的是線q(".l),稱為第二類邊界條件,當q= 0時,就是絕熱性插值函數,只要單元足夠小,這種線性插值函數的邊界條件:在r;邊界上給定對流換熱條件,稱為第誤差也就足夠小.對于三角形單元,通常假設單元上三類邊界條件,第二、三類邊界條件是自然邊界條的溫度T是x.y的線性函數.即T=a1+ asxr+ aoy爐殼外表面與周圍介質的傳熱包括自然對流換式中:anrar.az是待定函數,它們可以由結點上的溫熱和輻射傳熱,相應的換熱系數可以按照以下經驗度值來確定,將結點坐標和溫度帶人上式.得到公式計算: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門]/]=廠氣[(票) +()}]dxdy利用以上數學模型,可以計算出氣化爐在不同(I5)結構參數.不同爐襯材料和不同爐溫條件下.爐體的溫度分布.下面給出應用該模型對某種結構氣化爐第二類邊界條件的泛函為爐體的溫度場分布計算實例.計算條件為:JCT(x,)]=氣[(0 +外爐殼材料:普通碳鋼,厚度為96mm拱頂大法蘭材料:不銹鋼ini“]drdy+ φqTds(16)氣化爐爐內壁溫度:1 300 C~ 1 500 C氣化爐周圍空氣溫度:20 C第三類邊界條件的泛函為典型德士古氣化爐結構圖，見第55頁圖1.JT(,y)]=「氣[(霉) +(需]ardy+氣化爐內壁最高溫度變化對爐中部外驤溫度的中,叫言r-T/rjds(17)影響見第55頁圖2,環(huán)境溫度變化對爐外壁的溫度影響為了把變分問題離散化為數值計算問題，需要中國煤化工，著氣化爐爐內壁把定解域(包括邊界)剖分為有限個互不重疊的單元溫度IYHC N M H G境溫度變化會對區(qū)域,單元的形狀原則上可以任意,但是最簡單實用.氣化爐爐體溫度造成影響,環(huán)境溫度低,則氣化爐表第1期屈強等氣化爐爐體 關鍵部位溫度分布研究5強度,使其不能完全承受耐火磚的重量.耐火磚就會塌陷下來。造成生產事故.通過理論分析鍋底溫度分布的影響因素,提出保持鍋底合理溫度的措施,以期對生產過程起到指導作用.各種材料的導熱系數:銘磚2.3 W/(m. K);剛玉磚2.2 W/(m●K);耐火黏土磚0.67 W/(m●K);鉻鋼28 W/(m. K).飽和水蒸氣的熱物理性質:當溫度為250 C時,壓力為397 kPa,密度為19.96 kg/m3 ,導熱系數為4. 86X10-*W/(m. K)，運動黏度為0. 873 m2/s,普朗特數為1.36. 氣化爐圖1 德上古氣化爐爐體結構內溫度發(fā)生改變時對鍋底最高溫度的影響見圖1.Fig. 1 Structure of a Texaco gasifier面溫度低;環(huán)境溫度高,則氣化爐表面溫度也高.實鍋底外部對流換熱系數發(fā)生改變時對鍋底最高溫度際操作中的確是這樣的.理論計算與實際生產數據的影響見圖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圖4氣化爐內溫度對鍋底溫度的影響Fig.4 Efect of the temperalure of the gasifier圖2氣化爐內中部溫度對爐外墮最高溫度的影響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圖5對流換熱系數對鍋底溫度的影響圖了環(huán)境溫度對爐外壁溫度的影響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鍋底溫度是很不均勻的,存在著一個溫度最高3.2鍋底溫度分布.點中國煤化工l度的變化對鍋底.溫度溫度從1200C氣化爐爐磚的重量通過耐火撐架作用于鍋底變化星:MYH. C NM. HGc.而鍋底最高點上，如果鍋底的溫度過高,將會降低金屬材質的機械溫度從相應的258.51 C升高到了261.57 C,只升煤炭轉化2003年56高了3.06C.激冷室的氣體流動狀態(tài)導致對流換熱4結論系數發(fā)生變化,對流換熱系數變化對鍋底的溫度有.-定影響,但影響不大.從圖5可以看出,對流換熱建立了氣化爐傳熱模型,通過變分,使用有限單系數從300 W/(m°●K)變化到600 W/(m2●K)元法進行求解.以德士古氣化爐為例,計算了氣化爐時.鍋底的最高點的溫度從265.9 (降低到了爐體和鍋底的溫度分布,討論了爐內壁溫度、環(huán)境溫257.43 (,降低了8.47 (.從而可以知道，耐火磚度和對流換熱系數發(fā)生改變時對溫度分布的影響.的布置決定了鍋底的溫度分布情況,不論是爐內溫通過建立的數學模型可以計算出氣化爐爐體上任意度升高還是激冷室里面的對流情況變差.都不會使-點的溫度,為氣化爐的設計、運行和維護提供理論鍋底溫度升的太高.依據.符號說明h-爐殼表面與周圍介質的自然對流換熱系數，kork.k.-- -材料延r.y.z方向的熱傳導系敷，W/(m*●K)W/(m.K)h.--爐殼表面與周圈介質的輻射換熱系數.Q= Q(r.y.zt)-物體內部的熱源密度. W/m'W/-在自然對流條件F .為外界材料比熱.kJ/(kg. ()環(huán)境溫度.C1一時間，s參考文獻[I] 屈強.礦鎖,王亦飛等。氣流床氣化妒爐體三位傳熱模型研究.煤炭轉化，2001.24(4);36 39[2幻]RohsenowWM著.傳熱學手冊.李蔭亭譯.北京:科學出版社,1985.206[J] 王補宜.工程傳熱傳質學。北京:科學出版社,1982. 105[4j楊世銘陶文銓.傳熱學.北京:高等救背出版社.000.27[s1扎祥謙.有限單元法在傳熱學中的應用.北京:科學出版社.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,中國煤化工KEY WORDS gasifier ,temperature ,finite clement:YHCNMHG