基于有限元法的氣化爐托架傳熱特性研究

基于有限元法的氣化爐托架傳熱特性研究

1金屬托架與氣化爐的接口設(shè)計(jì)研究采用煤氣化技術(shù)生產(chǎn)清潔氣體，用于氨基、甲醇、發(fā)電等行業(yè)。這是中國能源戰(zhàn)略的一部分。水煤漿氣化技術(shù)在世界范圍內(nèi)的商業(yè)化市場占有量大,技術(shù)成熟,它因煤漿制備、計(jì)量、輸送、控制簡單,安全可靠,操作壓力高和投資省等技術(shù)特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。水煤漿加壓氣化工藝流程一般分為激冷流程和廢鍋流程兩種。激冷流程設(shè)備簡易,操作方便,特別是放大設(shè)計(jì)比較容易;廢鍋流程把高溫氣體的顯熱轉(zhuǎn)化以產(chǎn)生蒸汽,能量利用率高。由于世界性的能源短缺,各部門都十分重視節(jié)約能源、回收余熱。輻射廢鍋?zhàn)鳛橐环N高溫高壓合成氣的余熱回收設(shè)備,通常直接安裝在氣化爐底部,氣化爐與輻射廢鍋的接口設(shè)計(jì)成為問題的關(guān)鍵之一。氣化爐和輻射廢熱鍋爐接口內(nèi)設(shè)置有金屬托架來分段支撐接口耐火材料的重量,由于接口直接承受來自氣化爐的高溫氣流和熔渣的沖蝕,工作條件惡劣,金屬托架內(nèi)的工作溫度和熱流密度直接影響托架的壽命及穩(wěn)定,因此研究金屬托架的溫度分布和熱流密度具有重要意義。近年來,有限元法已被廣泛地應(yīng)用在傳熱計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算等領(lǐng)域,本文采用有限元法計(jì)算不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件下金屬托架的傳熱特性,為金屬托架的設(shè)計(jì)、選材以及工藝穩(wěn)態(tài)操作提供理論依據(jù)。2數(shù)學(xué)模型與方法論2.1熱傳導(dǎo)系數(shù)的測定在三維傳熱問題中,瞬態(tài)溫度場變量T(x,y,z,t)在直角坐標(biāo)中應(yīng)滿足的微分方程:式中:C—材料的比熱,J·kg-1·K-1;t—時(shí)間,s;ky,kz分別是材料沿x,y,z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù),W·m-1·K-1;qsh—生成或吸收的熱量,W·m-3。對(duì)于各項(xiàng)同性介質(zhì)(kx=ky=kz=k),上式變?yōu)槿绻吔缟霞皟?nèi)部的熱量qsh不隨時(shí)間變化,則經(jīng)過一段時(shí)間的熱交換后,物體內(nèi)各點(diǎn)溫度也將不再隨時(shí)間而變化,即。氣化爐在正常操作條件下的工藝參數(shù)變化不大,且接口內(nèi)部沒有熱源,可以認(rèn)為接口內(nèi)的傳熱是無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程,即qsh=0,于是可得到方程2.2邊境條件2.2.1溫度n,t溫度場某部分邊界S1上的任意位置各個(gè)時(shí)刻的溫度已知,可表示為式中T(M,t)—時(shí)刻t、位置M的溫度;φ(M,t)—邊界上給定的已知函數(shù);M-邊界S1上的點(diǎn),S1是邊界的一部分。2.2.2熱流密度和邊界條件(a)對(duì)流邊界若溫度場的某部分邊界sC上任一位置處,各個(gè)時(shí)刻的對(duì)流條件已知(如對(duì)流給熱系數(shù)h,流體溫度Te等),則從周圍介質(zhì)導(dǎo)入溫度場內(nèi)的熱流密度為熱流密度與溫度梯度成正比,所以在邊界SC上應(yīng)有式(6)中TSC—邊界Sr處的溫度。(b)輻射邊界條件若溫度場某部分邊界Sr上任一位置處,各個(gè)時(shí)刻的輻射條件已知,則由斯蒂芬-玻耳茲曼定律,溫度邊界Sr上所受的輻射熱流密度為式中qSC(M,t)—周圍物體向溫度場輻射的熱流密度;ε—輻射物體表面黑度；f—形狀因子,由輻射物體和計(jì)算溫度場的物體的形狀和尺寸而定;σ—斯蒂芬-玻耳茲曼常量,5.67×10-8W·m2·K4;Tr—輻射物體的溫度;TSr—物體邊界Sr處的溫度。由于熱流密度與溫度梯度成正比,在邊界Sr上應(yīng)有在模型的傳熱計(jì)算中,接口處爐內(nèi)溫度使用剛性邊界條件,爐殼與外圍流體之間是對(duì)流和輻射耦合傳熱。2.3有限元法的弱化采用有限元法計(jì)算溫度場,需要構(gòu)造一個(gè)溫度場的泛函,該泛函表達(dá)式必須包括控制方程式(3)和邊界條件式(4)、式(6)、式(8)。利用泛函式的變分原理,就可以運(yùn)用有限元法近似求解三維穩(wěn)定溫度場。有限元法是以變分原理和部分插值為基礎(chǔ)的一種數(shù)值方法,它首先利用變分原理把所要求解的邊值問題的微分方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的泛函求極值的變分問題,然后將定解的連續(xù)區(qū)域劃分為有限個(gè)子單元,并利用部分差值把變分問題近似地轉(zhuǎn)為多元函數(shù)的求極值問題,從而得到稱之為有限單元方程的線性代數(shù)方程組,由它可以解出原來邊值問題的數(shù)值解。穩(wěn)態(tài)溫度場的有限元方程為式中[K]為傳導(dǎo)矩陣,包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)、輻射系數(shù)和形狀系數(shù);{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;{P}為節(jié)點(diǎn)熱流向量,解線性方程組(9),則可解出{T},從而可計(jì)算出導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的溫度場。3計(jì)算結(jié)果和分析3.1托架、爐墻的安裝氣化爐內(nèi)溫度設(shè)計(jì)值為1312℃;爐外環(huán)境為大氣,溫度約為20℃。氣化爐和輻射廢鍋接口的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)如圖1所示,接口由熱面磚、背襯磚、隔熱磚、耐火澆鑄料和殼體等組成,殼體內(nèi)表面上焊接有金屬托架來分段支撐接口耐火材料的重量。參考相關(guān)資料,金屬托架的導(dǎo)熱系數(shù)約為35.2Wm-1·K-1;托架外圍包裹耐火纖維,導(dǎo)熱系數(shù)約為0.175W·m-1·K-1;爐墻最內(nèi)層向火面為熱面磚,其導(dǎo)熱系數(shù)為4.2W·m-1·K-1;背襯磚導(dǎo)熱系數(shù)為4W·m-1·K-1;隔熱磚導(dǎo)熱系數(shù)為0.8W·m-1·K-1;耐火澆注料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W·m-1·K-1。3.2計(jì)算3.2.1不同材料的布利用有限元法,計(jì)算得到接口的溫度分布如圖2所示。由圖2中的溫度等值線可知,接口爐壁內(nèi)溫度差約1000℃左右,表明耐火材料的隔熱效果比較好。3.2.2托架內(nèi)的熱流密度為進(jìn)一步了解托架的傳熱特性,考察其溫度分布已知條件下托架熱流密度分布,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,托架內(nèi)的熱流密度分布不均,靠近爐壁外圍流體的位置溫度低,但熱流密度大。這是因?yàn)闊崃髅芏日扔趥鳠崦娴姆ㄏ驕囟忍荻?且熱流方向與溫度梯度方向相反(即熱量從高溫傳至低溫),因而靠近爐壁外圍流體位置溫度低但熱流密度大。3.3托架最高溫度與模擬計(jì)算對(duì)比式(3)可以通過變分原理采用有限元法間接求解,也可直接求解方程得到解析解。為驗(yàn)證有限元法計(jì)算的結(jié)果,考慮接口為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),將接口三維穩(wěn)態(tài)溫度場問題簡化成二維軸平面內(nèi)的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題,得以下方程采用差分法求解方程式(10),得到不同爐內(nèi)溫度下托架的最高溫度,并與有限元法模擬計(jì)算得到的三維穩(wěn)態(tài)溫度場托架最高溫度值進(jìn)行對(duì)比,解析解與模擬值對(duì)比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,相同爐內(nèi)溫度下,采用有限元法計(jì)算的模擬值與解析解吻合較好,平均誤差在3%以內(nèi),表明采用有限元法計(jì)算此類導(dǎo)熱模型比較正確。4支撐結(jié)構(gòu)溫度和熱流密度分布的影響因素4.1對(duì)圖結(jié)構(gòu)影響圖的分析爐內(nèi)溫度為設(shè)計(jì)值1312℃,環(huán)境溫度為20℃,金屬托架長215mm,耐火材料性能不變,增加金屬托架外圍包裹的纖維厚度,其對(duì)金屬托架最高溫度和最大熱流密度的影響如圖5所示。由圖5可知,托架外圍未包裹耐火纖維時(shí),托架最高溫度為682℃,最大熱流密度93.7kW·m-2。托架外圍包裹10mm耐火纖維時(shí),與未包裹纖維相比,相同條件下托架最高溫度降低約170℃,最大熱流密度降低約31kW·m-2,表明耐火纖維的隔熱效果明顯。隨著纖維厚度的增加,托架最高溫度逐漸減小。托架內(nèi)最大熱流密度一開始隨著纖維厚度的增加而降低,當(dāng)纖維厚度增加到20mm時(shí),纖維厚度對(duì)托架最大熱流密度影響已不明顯,因此金屬托架外圍包裹20mm耐火纖維比較合適。4.2爐內(nèi)溫度對(duì)托架最高溫度和最大熱流密度的影響金屬托架長215mm,外圍包裹20mm厚的耐火纖維,環(huán)境溫度約20℃,爐內(nèi)溫度對(duì)金屬托架最高溫度和最大熱流密度的影響如圖6所示。由圖6可知,托架最高溫度和最大熱流密度隨著爐內(nèi)溫度的升高而增大,爐內(nèi)溫度變化100℃時(shí),托架最高溫度相應(yīng)變化約32℃左右,最大熱流密度相應(yīng)變化約3.53kW·m-2左右,表明爐內(nèi)溫度對(duì)托架的最高溫度和最大熱流密度影響較大。對(duì)于日常穩(wěn)態(tài)操作的氣化爐,爐內(nèi)溫度變化范圍約1200℃～1400℃,相應(yīng)的金屬托架最高溫度變化范圍約為420℃～480℃,最大熱流密度約為(42.8～50.0)kW·m-2。4.3金屬托架長度對(duì)最大熱流密度的影響金屬托架長度對(duì)托架最高溫度和最大熱流密度的影響如表1所示。由表1可知,金屬托架長度由215mm增加到255mm,相同條件下金屬托架的最高溫度升高約90℃,最大熱流密度增加約12kW·m-2,表明金屬托架長度對(duì)于其最高溫度和最大熱流密度的影響較大。4.4托架最高溫度與熱風(fēng)環(huán)境溫度變化對(duì)金屬托架最高溫度和最大熱流密度的影響如圖7所示。由圖7可知,金屬托架最高溫度隨著環(huán)境溫度的升高而增大,熱流密度隨著環(huán)境溫度的升高而減小,這是因?yàn)闊崃髅芏扰c溫度梯度成正比,環(huán)境溫度升高,則金屬托架與外圍流體間的溫度梯度減小,由托架傳給外圍流體的熱量減少,因而托架最高溫度升高而最大熱流密度減小。環(huán)境溫度變化10℃,托架最高溫度相應(yīng)變化約6℃;環(huán)境溫度在20℃左右變化時(shí),熱流密度相應(yīng)變化約0.5kW·m-2,日常生產(chǎn)中環(huán)境溫度變化不大,因此無需重點(diǎn)考慮其對(duì)金屬托架最高溫度和最大熱流密度的影響。4.5自然對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)托架最高溫度和熱流密度的影響參考相關(guān)資料,增加接口殼體與附近空氣的自然對(duì)流給熱系數(shù),其對(duì)金屬托架內(nèi)最高溫度和最大熱流密度的影響結(jié)果如表2所示。由表2可知,隨著對(duì)流給熱系數(shù)的增加,金屬托架的最高溫度降低,最大熱流密度增加,這是因?yàn)樽匀粚?duì)流給熱系數(shù)的增加,接口內(nèi)有更多的熱量傳給外圍環(huán)境,從而使得托架內(nèi)的最高溫度降低。自然對(duì)流給熱系數(shù)增加約一倍,托架最高溫度降低約80℃,最大熱流密度升高約5kW·m-2,表明自然對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)金屬托架傳熱特性的影響較大。由于日常生產(chǎn)中影響自然對(duì)流給熱的周圍流體溫度等參數(shù)變化不大(即自然對(duì)流給熱系數(shù)變化不大),因此也無需重點(diǎn)考慮其對(duì)金屬托架傳熱特性的影響。5金屬托架厚度和爐內(nèi)溫度的影響采用有限元法模擬計(jì)算了耐火纖維厚度、爐內(nèi)溫度、金屬托架長度、環(huán)境溫度、自然對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)氣化爐與輻射廢鍋接口內(nèi)金屬托架傳熱特性的影響。結(jié)果表明,耐火纖維厚度、托架長度、接口爐內(nèi)溫度是影響金屬托架最高溫度和最大熱流密度的主要因素,環(huán)境溫度和自然對(duì)流給熱系數(shù)的影