干煤粉氣流床氣化爐反應(yīng)室水冷壁溫度場(chǎng)分析

袁繼禹，李林，張亞寧，張鎵鑠，杜常宗

（1. 寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，銀川 750200；2. 東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，成都 611731）

關(guān)鍵字：氣化爐；水冷壁；溫度場(chǎng)

我國(guó)煤炭資源極為豐富，煤炭是我國(guó)生產(chǎn)生活最主要的能源來源。截至2020 年末，煤炭消費(fèi)在我國(guó)一次能源消費(fèi)中占比為56.8%[1]。雖然近年來我國(guó)在新興能源領(lǐng)域大力投入，以風(fēng)能、太陽能等為代表的新能源產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展，煤炭消費(fèi)占比呈逐年下降趨勢(shì)，但是在未來很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭仍將會(huì)是主要的能源來源，如何高效清潔化利用煤炭資源是國(guó)家和社會(huì)十分關(guān)注的問題。煤氣化是煤炭清潔高效利用的一種有效途徑，從上世紀(jì)末開始，煤氣化在中國(guó)得以快速發(fā)展，為我國(guó)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家能源安全做出了重要貢獻(xiàn)。

煤氣化以煤為原料，將難以加工處理、難以脫除無用組分的固體煤通過高溫反應(yīng)轉(zhuǎn)化為易于凈化和應(yīng)用的氣體的過程。煤氣化技術(shù)主要有固定床、流化床和氣流床等，而氣流床氣化技術(shù)基于其反應(yīng)壓力高、溫度高、碳轉(zhuǎn)化率高等特點(diǎn)，成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模高效煤氣化技術(shù)。

氣流床氣化技術(shù)是將煤粉或煤漿與氣化介質(zhì)通過噴嘴高速噴入氣化爐反應(yīng)室內(nèi)，在反應(yīng)室進(jìn)行高溫反應(yīng)，生成以CO、H2等組成粗煤氣，供煤化工下游使用。氣化反應(yīng)室作為煤高溫反應(yīng)的場(chǎng)所，是氣流床氣化爐最為關(guān)鍵的部件。反應(yīng)室主要有耐火磚砌筑結(jié)構(gòu)和膜式水冷壁結(jié)構(gòu)兩種，膜式水冷壁結(jié)構(gòu)由于其安全性高、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，已成為目前乃至將來氣流床氣化爐反應(yīng)室首選的結(jié)構(gòu)形式。

為保護(hù)膜式水冷壁安全、降低氣化爐熱損失，水冷壁向火側(cè)上焊有耐熱銷釘，并敷設(shè)SiC 耐火材料覆蓋，避免銷釘和水冷壁管直接接觸反應(yīng)室內(nèi)的高溫介質(zhì)。銷釘及耐火材料的尺寸參數(shù)、材料屬性直接關(guān)系到水冷壁溫度場(chǎng)分布。本文采用有限元分析方法，對(duì)水冷壁進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，旨在考察銷釘及耐火材料尺寸、材料屬性等因素對(duì)水冷壁溫度場(chǎng)的影響，為氣化爐水冷壁設(shè)計(jì)和制造提供參考。

1 水冷壁結(jié)構(gòu)及材料屬性

以某項(xiàng)目干煤粉氣流床氣化爐為例，氣化反應(yīng)室由6 根鋼管螺旋繞制為圓柱形加上、下錐體的水冷壁結(jié)構(gòu)，鋼管規(guī)格為φ89 mm×7 mm，材料為15CrMoG。鋼管之間采用扁鋼進(jìn)行密封焊，保證氣化反應(yīng)室兩側(cè)不串氣。鋼管靠氣化反應(yīng)室內(nèi)側(cè)表面焊接有直徑10 mm、長(zhǎng)度15 mm 的0Cr25Ni20 不銹鋼耐熱銷釘，并敷設(shè)一層SiC 耐火材料進(jìn)行保護(hù)，耐火材料表面與銷釘端部的最小距離為5.5 mm。氣化爐運(yùn)行時(shí)，水冷壁管內(nèi)采用強(qiáng)制流動(dòng)的水對(duì)水冷壁進(jìn)行冷卻，煤粉在氣化反應(yīng)室內(nèi)經(jīng)高溫高壓反應(yīng)后形成熔渣，熔渣附著在水冷壁上后經(jīng)冷卻凝固在耐火材料表層，渣層厚度約20 mm，由于熔渣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，從而進(jìn)一步阻隔熱量傳遞，使得水冷壁不超溫，確保氣化反應(yīng)室結(jié)構(gòu)安全。

水冷壁結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水冷壁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of water wall structure

水冷壁管、銷釘金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)Table 1 Thermal conductivity of metallic materials W·m-1·K-1

熔渣導(dǎo)熱系數(shù)見表2[2]。

表2 熔渣的導(dǎo)熱系數(shù)Table 2 Thermal conductivity of slag

SiC 耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)取值為8 W/m·K[2]。

2 有限元分析模型及邊界條件

將氣化反應(yīng)室水冷壁近似看成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其中局部建立三維有限元模型，采用高階六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，幾何模型及網(wǎng)格如圖2、圖3 所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

圖3 有限元網(wǎng)格Fig.3 Finite element mesh

采用三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，其傳熱控制方程為[3]：

根據(jù)氣化爐反應(yīng)室運(yùn)行情況，其邊界條件設(shè)置如下：

（1）水冷壁向火側(cè)采用第一類邊界條件，忽略流動(dòng)渣層的影響，考慮固態(tài)渣層表面溫度假定為熔渣的流動(dòng)溫度，不同煤質(zhì)的熔渣流動(dòng)溫度有差異，本文取值為1 200 ℃。

（2）水冷壁管內(nèi)介質(zhì)與管壁的換熱采用第三類邊界條件，介質(zhì)溫度為215 ℃，換熱系數(shù)取值為1 224 W/ m2·℃[4]。

（3）水冷壁背火側(cè)采用第三類邊界條件，水冷壁與外殼間夾套介質(zhì)溫度取30 ℃，換熱系數(shù)取值為

11.2 W/ m2·℃ [4]。

3 水冷壁溫度場(chǎng)分布

水冷壁溫度場(chǎng)分布如圖4 所示，在管內(nèi)冷卻水、渣層和耐火材料的保護(hù)下，水冷壁管、銷釘?shù)臏囟冗h(yuǎn)低于渣層溫度。

圖4 水冷壁溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution of water wall

渣層、耐火材料、銷釘、水冷壁管溫度分布如圖5 所示。如圖5a 所示，由于渣層導(dǎo)熱系數(shù)低，渣層溫度梯度大，渣層兩側(cè)溫度差高達(dá)660.49 ℃。

圖5 渣層、耐火材料、銷釘、水冷壁管溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution of slag layer, refractory materials, pins, and water wall tubes

圖5b 中，耐火材料層最高溫度位于與渣層結(jié)合面對(duì)應(yīng)密封扁鋼位置，最高溫度為582.24 ℃。因耐火材料厚度不同、耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，與渣層表面距離相同的耐火材料層上，耐火材料最薄處溫度較其他地方低。

從圖5c、5d 可看出，離向火側(cè)近的區(qū)域溫度較其他區(qū)域高，同樣是由于該位置SiC 耐火材料厚度最小，且耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)比水冷壁管和銷釘材料都低的緣故。銷釘最高溫度位于銷釘端部，最高溫度為440.51 ℃。水冷壁管上最低溫度為213.28 ℃，位于水冷壁背火側(cè)外壁；水冷壁管最高溫度位于管子外表面上離向火側(cè)最近處，最高溫度為318.26 ℃。

4 不同參數(shù)對(duì)水冷壁溫度的影響

從以上分析結(jié)果可知，水冷壁結(jié)構(gòu)尺寸、材料屬性等參數(shù)均可能影響水冷壁溫度場(chǎng)分布。為考察不同參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，利用ANSYS Workbench 參數(shù)化功能，對(duì)銷釘長(zhǎng)度、銷釘直徑、銷釘間距、耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)、耐火材料層厚度、水冷壁管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù)分別進(jìn)行系列化設(shè)置，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析。

4.1 銷釘長(zhǎng)度對(duì)溫度的影響

保持其他參數(shù)不變，改變銷釘長(zhǎng)度，從10 mm逐漸增加至20 mm，得到水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管最高溫度隨銷釘長(zhǎng)度變化的曲線如圖6所 示。

圖6 溫度隨銷釘長(zhǎng)度變化曲線Fig.6 Variation curve of temperature with pin length

從圖6 可以看出，隨著銷釘長(zhǎng)度增加，銷釘端部與耐火材料外表面距離變小，耐火材料表面溫度逐漸降低，銷釘端部溫度逐漸升高，水冷壁管溫度略微升高，溫度變化均呈線性，銷釘端部溫度對(duì)銷釘長(zhǎng)度變化更為敏感。耐火材料表面溫度由588.14 ℃下降至576.44 ℃，銷釘端部溫度由398.68 ℃升高至481.04 ℃，水冷壁管上的最高溫度由317.11 ℃增加至319.11 ℃。

4.2 銷釘直徑對(duì)溫度的影響

保持其他參數(shù)不變，改變銷釘直徑，從5 mm逐漸增加到15 mm，得到水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管最高溫度隨銷釘直徑變化的曲線如圖7 所 示。

從圖7 可以看出，銷釘直徑增加后，由于耐火材料和銷釘?shù)钠骄鶎?dǎo)熱系數(shù)增加，耐火材料表面溫度降低，銷釘自身的端部溫度也降低，水冷壁管溫度略微增加。耐火材料表面溫度由594.52 ℃下降至567.46 ℃，銷釘端部溫度由459.46 ℃下降至420.78℃，水冷壁管上最高溫度由315.80℃增加至318.43 ℃。

圖7 溫度隨銷釘直徑變化曲線Fig.7 Variation curve of temperature with pin diameter

4.3 銷釘間距對(duì)溫度的影響

保持其他參數(shù)不變，改變銷釘沿管子軸向分布的間距，從10 mm 逐漸增加到42 mm，得到水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管最高溫度隨銷釘間距變化的曲線如圖8 所示。

圖8 溫度隨銷釘間距變化曲線Fig.8 Variation curve of temperature with pin spacing

隨著銷釘間距增加，耐火材料表面溫度由575.45 ℃升高至593.05 ℃，銷釘端部溫度由431.36 ℃升高至452.36 ℃，水冷壁管上最高溫度由317.98 ℃增加至319.59 ℃。

4.4 耐火材料厚度對(duì)溫度的影響

保持其他參數(shù)不變，改變耐火材料厚度，耐火材料表面到銷釘端部的最近距離從0.5 mm 逐漸增加到10.5 mm，得到水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管最高溫度隨耐火材料厚度變化的曲線如圖9所 示。

圖9 溫度隨耐火材料厚度變化曲線Fig.9 Variation curve of temperature with refractory thickness

隨著耐火材料厚度增加，水冷壁上耐火材料表面溫度也逐漸升高，而銷釘、水冷壁管溫度呈緩慢降低。耐火材料表面溫度由554.74 ℃升高至609.04 ℃，銷釘端部溫度由446.16 ℃降低至433.91 ℃，水冷壁管上的最高溫度由321.50 ℃降低至314.83 ℃。

4.5 耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度的影響

保持其他參數(shù)不變，改變耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)，從1 W/m· ℃逐漸增加到22 W/m· ℃，得到水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管最高溫度隨耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)變化的曲線如圖10 所示。

圖10 溫度隨耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線Fig.10 Variation curve of temperature with refractory heat conductivity

從圖10 可以看出，溫度隨耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化為非線性。隨著耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)增加，耐火材料兩側(cè)的換熱能力增強(qiáng)，導(dǎo)致耐火材料表面溫度大幅下降，導(dǎo)熱系數(shù)由1 W/m· ℃增加至22 W/m· ℃，耐火材料表面溫度從997.91 ℃降低至429.95 ℃。在耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)低于3 W/m· ℃時(shí)，隨著導(dǎo)熱系數(shù)增加，銷釘端部和水冷壁管溫度均升高。但當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)再繼續(xù)增大時(shí)，銷釘端部和水冷壁管溫度呈下降趨勢(shì)。

4.6 水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)對(duì)溫度的影響

保持其他參數(shù)不變，改變水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)，從400 W/m2· ℃逐漸增加至3 000 W/m2· ℃，得到水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管最高溫度隨管內(nèi)換熱系數(shù)變化的曲線如圖11 所示。

圖11 溫度隨水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)變化曲線Fig.11 Variation curve of temperature with heat transfer coefficient in water wall tube

隨著水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)增加，介質(zhì)吸熱能力增強(qiáng)，水冷壁上耐火材料、銷釘、水冷壁管溫度均降低，且下降趨勢(shì)相似。耐火材料表面溫度由643.35 ℃下降至558.78 ℃，銷釘端部溫度由520.27 ℃降低至407.90 ℃，水冷壁管上的最高溫度由415.45 ℃降低至277.27 ℃。管內(nèi)換熱系數(shù)對(duì)水冷壁管溫度的影響相對(duì)其他參數(shù)變化時(shí)更大，通過降低介質(zhì)溫度、提高介質(zhì)流速等方式，提高管內(nèi)換熱系數(shù)，可有效降低水冷壁管溫度。

5 結(jié)論

通過對(duì)干煤粉氣流床氣化爐反應(yīng)室水冷壁進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行系列化研究，得出以下結(jié)論：

（1）耐火材料表面溫度分別隨銷釘長(zhǎng)度增加、銷釘直徑增大、銷釘間距減小、耐火材料覆蓋厚度減小、耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)增加、水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)增加而降低。

（2）銷釘上最高溫度位于銷釘端部，該溫度分別隨銷釘長(zhǎng)度減小、銷釘直徑增大、銷釘間距減小、耐火材料覆蓋厚度增加、水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)增加而降低。

（3）水冷壁管溫度分別隨銷釘長(zhǎng)度減小、銷釘直徑減小、銷釘間距減小、耐火材料覆蓋厚度增加、水冷壁管內(nèi)換熱系數(shù)增加而降低。水冷壁管溫度對(duì)管內(nèi)換熱系數(shù)最為敏感，要降低水冷壁管溫度，最有效的方法就是通過提高介質(zhì)流速、降低介質(zhì)溫度等辦法來提高管內(nèi)換熱系數(shù)。銷釘結(jié)構(gòu)尺寸、耐火材料厚度等對(duì)水冷壁管溫度變化影響不明顯。

（4）耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)較低時(shí)，銷釘端部溫度、水冷壁管溫度隨耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)增加而升高，當(dāng)耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，銷釘端部溫度、水冷壁管溫度隨耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)增加而降低。

以上結(jié)論可供氣化爐反應(yīng)室水冷壁設(shè)計(jì)時(shí)參考。影響水冷壁溫度分布的因素眾多，本文僅對(duì)其中幾個(gè)主要因素進(jìn)行了研究。在反應(yīng)室水冷壁設(shè)計(jì)時(shí)，需同時(shí)考慮反應(yīng)室的熱損失、水冷壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等多方面要求，綜合各種因素進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，以確保氣化爐反應(yīng)室在工藝、結(jié)構(gòu)等各方面均滿足工程要求。