第24卷第4期煤炭轉(zhuǎn)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,應用有限差分法進行了求解.以德土古氣化爐爐體為具體實例,研究了爐內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、耐火磚的導熱系數(shù)變化對氣化爐爐壁溫度造成的影響.結(jié)果表明,該方法可以有效地計算出氣化爐爐體上任意-點的溫度,為氣化爐的設計、運行、維護提供理論依據(jù).關(guān)鍵詞氣化爐,三 維傳熱，有限差分法中圖分類號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(jié)構(gòu)中，煤炭資源占很大比重.煤的氣第四項是微體內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量;最后一項是微體化是煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)中最重要的一個方面,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4量應與傳入微體的熱量以及微體內(nèi)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(shù),則方程(1)成為較簡單的形式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稱為導溫系數(shù)或熱擴散率,對于無內(nèi)沖蝕，同時還伴有開停車時溫度和壓力沖擊,國內(nèi)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個月.連續(xù)化生產(chǎn)裝置的頻在穩(wěn)定狀態(tài)下At/a0=0,方程(2)轉(zhuǎn)變?yōu)椴此煞匠谭蓖＼囀请y以忍受的，經(jīng)濟損失也是巨大的.若采用子t_Ht」t_q"備用氣化爐來滿足連續(xù)生產(chǎn),投資數(shù)千萬元的氣化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(shù)隨著溫度線形變化時以,k1數(shù)學模型=k。(1+βt)或者k=A+ Bt,可以記作:t=B二B、在穩(wěn)定狀態(tài),沒有內(nèi)熱源時,代入式(1),則得:在直角坐標系中,對于一般三維問題,瞬態(tài)溫度日kak'日1kkd1kdk'場的場變量T(x,y,z,I)在直角坐標中應該滿足的中國煤化工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國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)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,通過把變量t變換為(k"),就能夠使非線形當選定Ox=Ay=Oz時,在三維穩(wěn)定溫度場中，的導熱微分方程線形化,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的溫度場分布,應當滿足邊界條件.邊界條件可以分為三類呵,其表示如下:q。(A.x)具有溫度的量綱，可被看作是由于內(nèi)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,9Ax)同n.+k,in,+k.n.=q 在F2邊界上dx”)y"k"樣是負值，代表內(nèi)部有吸熱源所引起的溫度減量.如(10)果內(nèi)熱源發(fā)熱率是均勻的,這個溫度增減量也將是krarn+k,an,tk:an= h(T。- T)個常量，對內(nèi)部任何節(jié)點都保持同值.如果是二維穩(wěn)在F3邊界上(11)定溫度場,則S2域的全部邊界r應當滿足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)稱為第一類邊界條有限差分化，實質(zhì)上就是把連續(xù)溫度場的導熱件,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)絡的導熱,見圖2.每根“導(I",t),稱為第二類邊界條件,當q=0時,就是絕熱熱桿”傳遞相鄰兩元塊接觸導熱時同樣多得熱流，例邊界條件;在Ts邊界上給定對流換熱條件,稱為第如Ax=Oy=1 m時,連接內(nèi)部兩個相鄰節(jié)點1和0三類邊界條件,第二、第三類邊界條件是自然邊界條的導熱桿所傳導的熱流量為:件.爐殼外表面與周圍介質(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(shù)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](r-T,) (3)0zP_ Ax___ 叫0x_ 中換熱系數(shù)h。= h.+ h,(14)/Az|4y2數(shù)值 解析方法圖1有限差分示意圖.導熱問題的數(shù)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，把溫度場的連續(xù)分布看作是逐段線性分布，如圖1所示,即對x軸向來說,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=常量時的穩(wěn)定導熱,對于“節(jié)點”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(wěn)定的工況下，,單元塊0每單位時間內(nèi)得到的熱(△z)226煤炭轉(zhuǎn)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(jié)點0的熱流“余量”.如果是三維穩(wěn)定溫度場,則成為Q。=Q1o+Q2+Q30+Q。+Qso+Q。o + q。(Ox)2= 0(21)也就是說,每-一個節(jié)點都有一個熱量收支平衡點,可以用松馳法或者追趕法來進行求解.3計算實例利用以上三維數(shù)學模型,可以計算出氣化爐在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、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(jié)構(gòu)體的溫度分布.'下面給出應用該模型對某種結(jié)構(gòu)氣.Fig.3 Structure of a texaco gasifier化爐爐體的溫度場分布計算實例.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(nèi)溫度:1 300 C~1 500 C240 t氣化爐周圍空氣溫度: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(jié)構(gòu)見圖3.在環(huán)境溫度為25C,對流換熱系數(shù)為13001350 1400 1450 1600 1550 1600Ilighet lempin gilie/C19.2 W/(m2●C)時,氣化爐內(nèi)最高溫度變化對爐中部外壁溫度的影響見圖4,環(huán)境溫度變化對爐外圖4氣化爐內(nèi)溫度對爐外壁溫度的影響壁的溫度影響見圖5,熱面磚導熱系數(shù)變化對爐外Fig.4 Effect of the temperature in gasifier on the壁溫度的影響見圖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(shù)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:隨著氣化爐爐內(nèi)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,外壁溫度直線上升;環(huán)境溫度變化會對氣化改變值,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(shù)的變化度低,環(huán)境溫度高,則氣化爐表面溫度也高,通過計會對爐體溫度造成較明顯的影響,選用耐火磚時,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(shù)低差分法進行求解,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,延長爐體使用壽命.點的溫度,為氣化爐的設計、運行、維護提供理論依據(jù).4結(jié)論建立了氣化爐爐體的三維傳熱模型,使用有限符號說明爐殼表面與周圍介質(zhì)的自然對流換熱系數(shù)，k,k,k.--材料延x,y.z方向的熱傳導系數(shù)，W/(m2●K)W/(m. K)h,.-.爐殼表面與周圍介質(zhì)的輻射換熱系數(shù)，Q= Q(x,y,z,t)物體內(nèi)部的熱源密度,W/m3爐殼表面的黑度Nz,My,Mz :邊界外法線的方向余弦Co-黑體輻射系數(shù),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(shù),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. In :Gasification Technologies Conference,California :San Francisco, 2000[2]譚可榮,韓 文 ,趙東志等.新型水煤漿氣化技術(shù)的開發(fā)與應用.煤炭轉(zhuǎn)化，2001,24(1):36-39[3]RohsenowWM.傳熱學手冊.李萌亭譯.北京:科學出版社,1985.206[4]王補宣.工程傳熱傳質(zhì)學.北京:科學出版社.1982.105[5]楊世銘,陶文銓.傳熱學.北京:高等教育出版社,2000.27STUDY OF THREE-DIMENSION HEAT TRANSFER MODELFOR ENTRAINED-BED GASIFIERQu Qiang Yu Guangsuo Wang Yifei and Yu Zunhong(Institute of Clean Coal Technology , East China University ofScience and Technology , 200237 Shanghai)ABSTRACT From the general three- dimension heat transfer models,this paper studies thethree- -dimension heat transfer models of gasifier shell中國煤化工method is used tosolve the models. A Texaco gasifier example is given，MHCN M H Grerature of a gasifi-er outside shell,which made by the inner temperature ot a gasuner , tne environment temperature,and the heat conduction coeffcient of firebrick is studied. 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