第37卷第6期鍋爐技術(shù)VolL37, No.62006年11月BOILER TECHNOLOGYNov. ,2006文章編號(hào): .CN3l.- 1508(2006)06 - 0036 - 04氣化爐水冷壁溫度數(shù)值模擬蘇智彬(上海鍋爐廠有限公司,上海200245)關(guān)鍵詞:氣化爐; 水冷壁;有限單元法摘要:利用有限單元法計(jì)算了氣化爐水冷壁中渣釘?shù)臏囟群退浔诘臏啬Ψ植?并分析了水側(cè)對(duì)流換熱系敷、爐內(nèi)溫度、渣釘?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)、渣釘?shù)拈L度管間距和鰭片厚度對(duì)渣釘溫度和水冷壁溫度的影響,為氣化爐水冷壁設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。中圈分類號(hào): TK223.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A很長,忽略沿管子長度方向上的熱流,將問題簡1前言化為二維、穩(wěn)定、無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題。對(duì)于二目前,氣化爐常用的爐襯有2種一耐火磚維穩(wěn)定、無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問題,可用如下方程式或水冷壁。前者以Texaco為代表凹，后者以表示:Shell為代表團(tuán)。由于氣化過程的高溫、高壓及熔渣的侵蝕,再好的耐火磚也不能長期穩(wěn)定地運(yùn))x*T ay行,而采用水冷壁時(shí),可以依靠掛在水冷壁上的i I T:=q(x,y)(1)熔渣層保護(hù)水冷壁,利用“以渣抗渣”[E]使得氣化裝置可以長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。|a(M)1T,=a(t-t) .而在國內(nèi),氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu)的研究還是--式中:λ導(dǎo)熱系數(shù);個(gè)空白,根據(jù)鍋爐膜式水冷壁的結(jié)構(gòu),華東理工q一-熱流量;大學(xué)自主設(shè)計(jì)開發(fā)氣化爐水冷壁結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)t,t-- 分別為工質(zhì)溫度及管內(nèi)換熱系數(shù);如圖1所示。對(duì)于水冷壁的數(shù)值計(jì)算,現(xiàn)今主要T;--給定 熱流的第二類邊界條件;是利用有限差分法4]、有限單元法[5]進(jìn)行計(jì)算，T--給定邊界放熱系數(shù)、介質(zhì)溫度的第三本文是利用有限單元法計(jì)算了水冷壁的溫度分類邊界條件。布,為水冷壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。式(1)利用有限單元法進(jìn)行求解,在進(jìn)行離片散求解時(shí),做如下假設(shè):(1)系統(tǒng)傳熱處于穩(wěn)定狀態(tài),其值不隨時(shí)間變化。流釘(2)圓管和鰭片材料特性為各向同性。耐火材料層(3)圓管與鰭片連接處的接觸熱阻忽略不計(jì)。圖1水冷壁結(jié)構(gòu)(4)管內(nèi)工質(zhì)與管內(nèi)壁之間的傳熱系數(shù)沿圓周方向分布均勻.為同- -值2計(jì)算模型及邊界條件中國煤化工鰭片之間的熱負(fù)在爐內(nèi)負(fù)荷已知的情況下,傳熱可看作一個(gè)荷分IYHCNMHG不規(guī)則區(qū)域的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。由于水冷壁管子根據(jù)對(duì)稱性,取水冷壁結(jié)構(gòu)的一半作為計(jì)算收稿日期:2005-05-25作者簡介:蘇智彬(1981 -),男,2005年華東理工大學(xué)碩士研究生畢業(yè),研究生期間主要從事氣化爐方面的研究。第6期蘇智彬:氣化爐水冷壁溫度數(shù)值模擬37模型,模型結(jié)構(gòu)如圖2所示,其結(jié)構(gòu)有水冷管、耐長25mm,導(dǎo)熱系數(shù)為30-W/(m*C);熔渣層厚火材料層、熔渣層、渣釘組成,1-3、2-4和6-7外側(cè)度為10mm,導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/(m.C),下面計(jì)算分別為隔熱層、水側(cè)和爐膛。2-4 根據(jù)需要取為中,除非特別說明，其參數(shù)均取于基本工況。第三類邊界條件,6-7則取第- -類邊界條件。將3.2計(jì)算結(jié)果模型進(jìn)行網(wǎng)格化,得1 832個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 723個(gè)單元，基本工況下水冷壁溫度分布見圖4,其渣釘其計(jì)算模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。最高溫度為378 C,水冷管最高溫度為223 C.鰭片最高溫度為205 C。水冷管，鳙片水冷管最高溫度點(diǎn)鰭片溫度點(diǎn)渣釘耐火材料層渣釘最高溫度點(diǎn)熔渣層17644820264,125848561128”1400圖2模型結(jié)構(gòu)圖4基本工況下水冷壁溫度分布水冷壁渣釘最高溫度和水冷壁最高溫度、受水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)、爐內(nèi)溫度、耐火材料層導(dǎo)熱系數(shù).渣釘導(dǎo)熱系數(shù)、渣釘長度、水冷管間距和鰭片厚度的影響,現(xiàn)就這些因素進(jìn)行討論。3.3水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)水冷壁溫度的影響水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)水冷壁溫度的影響如圖5,隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大,渣釘溫度、水冷管溫度和鰭片溫度都減少,但其影響趨勢(shì)逐漸減少。400350-+渣釘溫度.300。-水冷管溫度250★鰳片溫度圖3網(wǎng)格結(jié)構(gòu)2003計(jì)算結(jié)果及討論50 01025水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)/[W.(m21)] ']x1033.1計(jì)算條件圖5水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)水冷壁溫度的影響為便于討論和比較,選取以下參數(shù)作為基本中國煤化工工況:水冷管規(guī)格19 mmX3 mm,管間距383.4鄉(xiāng)響MHCNMH Gmm,鰭片厚度8 mm,管子和鰭片導(dǎo)熱系數(shù)為40力血度對(duì)小傳至值反的影響如圖6所示，W/(m.C),耐火材料層厚30 mm,導(dǎo)熱系數(shù)為隨著爐內(nèi)溫度的增大，渣釘溫度、水冷管溫度、鰭10 W/(m*C);爐內(nèi)溫度為1 400 C ;水側(cè)對(duì)流換片溫度都增大,但對(duì)渣釘溫度的影響較大,并且熱系數(shù)為5000 W/(m2●C),水溫為170C;渣釘具有較好的線性關(guān)系?！比f萬數(shù)據(jù)38鍋爐技術(shù)第37卷s0 r3.7管間距和鰭片厚度對(duì)水冷壁溫度的影響管間距對(duì)水冷壁溫度的影響見圖9,隨著管400間距的加大,渣釘溫度、水冷管溫度和鰭片溫度只350+渣釘溫度十冷管溫度都明顯增大,其中對(duì)鰭片溫度影響最大。鰭片厚士續(xù)片溫度度對(duì)水冷壁溫度的影響如圖10,隨著鰭片厚度的增加,渣釘溫度降低,但降低不顯著,而對(duì)水冷管250溫度和鰭片溫度影響不大。從圖(11~13)中可201300 1350 1400 1 4501500 1S50以發(fā)現(xiàn),隨著管間距的增加,渣釘溫度、水冷管溫爐內(nèi)溫度/C度和鰭片溫度都顯著增加,而鰭片厚度的增加可圖6爐內(nèi)溫 度對(duì)水冷壁溫度的影響以降低渣釘溫度、水冷管溫度和鰭片溫度,因此采用較長管間距的水冷壁就必須使用較厚的鰭3.5渣釘導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水冷壁溫度的影響渣釘?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)對(duì)渣釘溫度和水冷壁溫的片,以降低水冷壁的壁溫,增加水冷壁的運(yùn)行安影響見圖7,隨著渣釘導(dǎo)熱系數(shù)的增大,渣釘傳熱全性,而采用較短管間距,則采用較薄的鰭片,臧性能加強(qiáng)，渣釘溫度降低,但隨著渣釘導(dǎo)熱系數(shù)少鋼的用量,降低成本。的增加其下降趨勢(shì)減少;而隨著渣釘傳熱性能的500增強(qiáng),通過渣釘?shù)臒崃髅芏茸兇?所以水玲管溫度隨著渣釘導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大;而鰭片溫度基本沒有影響。300450 r渣釘溫度00 t十水冷管溫度士鯖片溫度100ss70”350管間距/ mm-◆.造釘溫度d 300+水冷管溫度圖9管間距對(duì)水冷壁溫度的影響+鳊片溫度50350渣釘導(dǎo)熱系數(shù)/W(m-k)~'圖7渣釘?shù)膶?dǎo) 熱系數(shù)對(duì)渣釘溫度和水冷壁溫度的影響女鳙片溫度3.6渣釘長度對(duì)水冷壁溫度的影響渣釘長度對(duì)渣釘水冷壁溫度影響見圖8,隨200著渣釘長度的增加,渣釘溫度增加,而水冷管溫113鳙片厚度/mm度和鰭片溫度基本保持不變。圖10鰭片厚度對(duì)水冷壁的影響450 pr? ◆70 t8 350+ .渣釘溫度40 t-+-6mm一水玲管溫度中國煤化工←8m女鳙片腿度士10mmYCNMH G+12m282535565渣釘長度1 mm臂問距/ mm圖8渣釘長度對(duì)渣釘溫度和水冷壁溫度的影響圖11鰭片厚度和管 間距對(duì)渣釘溫度的影響第6期蘇智彬:氣化爐水冷壁溫度數(shù)值模擬39280 |4結(jié)論本文利用有限單元法計(jì)算了氣化爐水冷壁260中水冷壁的溫度分布并對(duì)水冷壁溫度的因素進(jìn)十6 mm行分析,分析結(jié)果如下:隨著水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)總240+*8mm的增大,渣釘溫度和水冷壁溫度都減少,但其影士10mm響趨勢(shì)逐漸減少;隨著爐內(nèi)溫度的增大,渣釘溫奚220*12mm度、水冷管溫度、鰭片溫度都增大,但對(duì)渣釘溫度的影響較大,并且具有較好的線性關(guān)系;隨著渣20釘導(dǎo)熱系數(shù)的增大,渣釘溫度降低,水冷管溫度1:2:3545增大,而鰭片溫度基本沒有影響;隨著渣釘長度管間距1 mm的增加,渣釘溫度增加，而水冷管溫度和鰭片溫圖12鰭片厚度和管間距對(duì)水冷管溫度的影響度基本保持不變;隨著管間距的增加,渣釘溫度、水冷管溫度和鰭片溫度都顯著增加,而鰭片厚度-+6mm的增加可以降低渣釘溫度、水冷管溫度和鰭片400+8mm溫度。350X12mm參考文獻(xiàn):[1]徐振剛,吳賢賢.Texaco氣化技術(shù)及其在中國的應(yīng)用[J].煤煙300炭轉(zhuǎn)化,1995,18(1);20-21.[2]牛苗任,于廣鎖,馬波,等.氣流床干煤粉氣化技術(shù)進(jìn)展[J].250煤化工,2004,32(1);22-26.[3]鄭振安.淺析SHELL煤氣化技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].00化肥設(shè)計(jì),1998,36(3):6-9.1555[4]程樂鳴,施正樂,駱仲泱,等.循環(huán)流化床鍋爐膜式水冷壁管與鰭片上溫度分布[J].動(dòng)力工程,2002 ,22(2)1674- 1680.圖13鰭片厚度和管間距對(duì)鰭片溫度的影響^[5]張繼鋒,岳光溪,方肇洪.循環(huán)流化床鍋爐水冷璧壁溫與熱流計(jì)算研究[J].鍋爐技術(shù),1998,(12):1-4.The Numerical Simulate on the Temperatureof Water Wall of GasifierSU Zhi-Bin(Shanghai Boiler Works Ltd. ，Shanghai 200245, China)Key words: gasifier; water wall; the finite element method (FEM)Abstract: The finite element method(FEM)is used to calculate the temperature distributionof slag nail and water wall and analyses the influence of the heat transfer cofficient of waterwall, the temperature of gasifier, the thermal conductivity of slag nail, the length of slagnail, the pipe interval and the thickness of fin on中國煤化工and waterwall, It is used to design water wall of gasifier."YHCNMHG