基于有限元法的气化炉托架传热特性研究

基于有限元法的气化炉托架传热特性研究

1金属托架与气化炉的接口设计研究采用煤气化技术生产清洁气体，用于氨基、甲醇、发电等行业。这是中国能源战略的一部分。水煤浆气化技术在世界范围内的商业化市场占有量大,技术成熟,它因煤浆制备、计量、输送、控制简单,安全可靠,操作压力高和投资省等技术特点得到广泛应用。水煤浆加压气化工艺流程一般分为激冷流程和废锅流程两种。激冷流程设备简易,操作方便,特别是放大设计比较容易;废锅流程把高温气体的显热转化以产生蒸汽,能量利用率高。由于世界性的能源短缺,各部门都十分重视节约能源、回收余热。辐射废锅作为一种高温高压合成气的余热回收设备,通常直接安装在气化炉底部,气化炉与辐射废锅的接口设计成为问题的关键之一。气化炉和辐射废热锅炉接口内设置有金属托架来分段支撑接口耐火材料的重量,由于接口直接承受来自气化炉的高温气流和熔渣的冲蚀,工作条件恶劣,金属托架内的工作温度和热流密度直接影响托架的寿命及稳定,因此研究金属托架的温度分布和热流密度具有重要意义。近年来,有限元法已被广泛地应用在传热计算、应力计算等领域,本文采用有限元法计算不同结构参数和操作条件下金属托架的传热特性,为金属托架的设计、选材以及工艺稳态操作提供理论依据。2数学模型与方法论2.1热传导系数的测定在三维传热问题中,瞬态温度场变量T(x,y,z,t)在直角坐标中应满足的微分方程:式中:C—材料的比热,J·kg-1·K-1;t—时间,s;ky,kz分别是材料沿x,y,z方向的热传导系数,W·m-1·K-1;qsh—生成或吸收的热量,W·m-3。对于各项同性介质(kx=ky=kz=k),上式变为如果边界上及内部的热量qsh不随时间变化,则经过一段时间的热交换后,物体内各点温度也将不再随时间而变化,即。气化炉在正常操作条件下的工艺参数变化不大,且接口内部没有热源,可以认为接口内的传热是无内热源的稳态导热过程,即qsh=0,于是可得到方程2.2边境条件2.2.1温度n,t温度场某部分边界S1上的任意位置各个时刻的温度已知,可表示为式中T(M,t)—时刻t、位置M的温度;φ(M,t)—边界上给定的已知函数;M-边界S1上的点,S1是边界的一部分。2.2.2热流密度和边界条件(a)对流边界若温度场的某部分边界sC上任一位置处,各个时刻的对流条件已知(如对流给热系数h,流体温度Te等),则从周围介质导入温度场内的热流密度为热流密度与温度梯度成正比,所以在边界SC上应有式(6)中TSC—边界Sr处的温度。(b)辐射边界条件若温度场某部分边界Sr上任一位置处,各个时刻的辐射条件已知,则由斯蒂芬-玻耳兹曼定律,温度边界Sr上所受的辐射热流密度为式中qSC(M,t)—周围物体向温度场辐射的热流密度;ε—辐射物体表面黑度；f—形状因子,由辐射物体和计算温度场的物体的形状和尺寸而定;σ—斯蒂芬-玻耳兹曼常量,5.67×10-8W·m2·K4;Tr—辐射物体的温度;TSr—物体边界Sr处的温度。由于热流密度与温度梯度成正比,在边界Sr上应有在模型的传热计算中,接口处炉内温度使用刚性边界条件,炉壳与外围流体之间是对流和辐射耦合传热。2.3有限元法的弱化采用有限元法计算温度场,需要构造一个温度场的泛函,该泛函表达式必须包括控制方程式(3)和边界条件式(4)、式(6)、式(8)。利用泛函式的变分原理,就可以运用有限元法近似求解三维稳定温度场。有限元法是以变分原理和部分插值为基础的一种数值方法,它首先利用变分原理把所要求解的边值问题的微分方程转化为等价的泛函求极值的变分问题,然后将定解的连续区域划分为有限个子单元,并利用部分差值把变分问题近似地转为多元函数的求极值问题,从而得到称之为有限单元方程的线性代数方程组,由它可以解出原来边值问题的数值解。稳态温度场的有限元方程为式中[K]为传导矩阵,包含导热系数、对流系数、辐射系数和形状系数;{T}为节点温度向量;{P}为节点热流向量,解线性方程组(9),则可解出{T},从而可计算出导热结构的温度场。3计算结果和分析3.1托架、炉墙的安装气化炉内温度设计值为1312℃;炉外环境为大气,温度约为20℃。气化炉和辐射废锅接口的轴对称结构如图1所示,接口由热面砖、背衬砖、隔热砖、耐火浇铸料和壳体等组成,壳体内表面上焊接有金属托架来分段支撑接口耐火材料的重量。参考相关资料,金属托架的导热系数约为35.2Wm-1·K-1;托架外围包裹耐火纤维,导热系数约为0.175W·m-1·K-1;炉墙最内层向火面为热面砖,其导热系数为4.2W·m-1·K-1;背衬砖导热系数为4W·m-1·K-1;隔热砖导热系数为0.8W·m-1·K-1;耐火浇注料的导热系数为0.9W·m-1·K-1。3.2计算3.2.1不同材料的布利用有限元法,计算得到接口的温度分布如图2所示。由图2中的温度等值线可知,接口炉壁内温度差约1000℃左右,表明耐火材料的隔热效果比较好。3.2.2托架内的热流密度为进一步了解托架的传热特性,考察其温度分布已知条件下托架热流密度分布,结果如图3所示。由图3可知,托架内的热流密度分布不均,靠近炉壁外围流体的位置温度低,但热流密度大。这是因为热流密度正比于传热面的法向温度梯度,且热流方向与温度梯度方向相反(即热量从高温传至低温),因而靠近炉壁外围流体位置温度低但热流密度大。3.3托架最高温度与模拟计算对比式(3)可以通过变分原理采用有限元法间接求解,也可直接求解方程得到解析解。为验证有限元法计算的结果,考虑接口为轴对称结构,将接口三维稳态温度场问题简化成二维轴平面内的稳态导热问题,得以下方程采用差分法求解方程式(10),得到不同炉内温度下托架的最高温度,并与有限元法模拟计算得到的三维稳态温度场托架最高温度值进行对比,解析解与模拟值对比结果如图4所示。由图4可知,相同炉内温度下,采用有限元法计算的模拟值与解析解吻合较好,平均误差在3%以内,表明采用有限元法计算此类导热模型比较正确。4支撑结构温度和热流密度分布的影响因素4.1对图结构影响图的分析炉内温度为设计值1312℃,环境温度为20℃,金属托架长215mm,耐火材料性能不变,增加金属托架外围包裹的纤维厚度,其对金属托架最高温度和最大热流密度的影响如图5所示。由图5可知,托架外围未包裹耐火纤维时,托架最高温度为682℃,最大热流密度93.7kW·m-2。托架外围包裹10mm耐火纤维时,与未包裹纤维相比,相同条件下托架最高温度降低约170℃,最大热流密度降低约31kW·m-2,表明耐火纤维的隔热效果明显。随着纤维厚度的增加,托架最高温度逐渐减小。托架内最大热流密度一开始随着纤维厚度的增加而降低,当纤维厚度增加到20mm时,纤维厚度对托架最大热流密度影响已不明显,因此金属托架外围包裹20mm耐火纤维比较合适。4.2炉内温度对托架最高温度和最大热流密度的影响金属托架长215mm,外围包裹20mm厚的耐火纤维,环境温度约20℃,炉内温度对金属托架最高温度和最大热流密度的影响如图6所示。由图6可知,托架最高温度和最大热流密度随着炉内温度的升高而增大,炉内温度变化100℃时,托架最高温度相应变化约32℃左右,最大热流密度相应变化约3.53kW·m-2左右,表明炉内温度对托架的最高温度和最大热流密度影响较大。对于日常稳态操作的气化炉,炉内温度变化范围约1200℃～1400℃,相应的金属托架最高温度变化范围约为420℃～480℃,最大热流密度约为(42.8～50.0)kW·m-2。4.3金属托架长度对最大热流密度的影响金属托架长度对托架最高温度和最大热流密度的影响如表1所示。由表1可知,金属托架长度由215mm增加到255mm,相同条件下金属托架的最高温度升高约90℃,最大热流密度增加约12kW·m-2,表明金属托架长度对于其最高温度和最大热流密度的影响较大。4.4托架最高温度与热风环境温度变化对金属托架最高温度和最大热流密度的影响如图7所示。由图7可知,金属托架最高温度随着环境温度的升高而增大,热流密度随着环境温度的升高而减小,这是因为热流密度与温度梯度成正比,环境温度升高,则金属托架与外围流体间的温度梯度减小,由托架传给外围流体的热量减少,因而托架最高温度升高而最大热流密度减小。环境温度变化10℃,托架最高温度相应变化约6℃;环境温度在20℃左右变化时,热流密度相应变化约0.5kW·m-2,日常生产中环境温度变化不大,因此无需重点考虑其对金属托架最高温度和最大热流密度的影响。4.5自然对流给热系数对托架最高温度和热流密度的影响参考相关资料,增加接口壳体与附近空气的自然对流给热系数,其对金属托架内最高温度和最大热流密度的影响结果如表2所示。由表2可知,随着对流给热系数的增加,金属托架的最高温度降低,最大热流密度增加,这是因为自然对流给热系数的增加,接口内有更多的热量传给外围环境,从而使得托架内的最高温度降低。自然对流给热系数增加约一倍,托架最高温度降低约80℃,最大热流密度升高约5kW·m-2,表明自然对流给热系数对金属托架传热特性的影响较大。由于日常生产中影响自然对流给热的周围流体温度等参数变化不大(即自然对流给热系数变化不大),因此也无需重点考虑其对金属托架传热特性的影响。5金属托架厚度和炉内温度的影响采用有限元法模拟计算了耐火纤维厚度、炉内温度、金属托架长度、环境温度、自然对流给热系数对气化炉与辐射废锅接口内金属托架传热特性的影响。结果表明,耐火纤维厚度、托架长度、接口炉内温度是影响金属托架最高温度和最大热流密度的主要因素,环境温度和自然对流给热系数的影