水冷壁气化炉含液相渣层热应力分析

林伟宁（华电重工股份有限公司，北京 100070）



水冷壁气化炉含液相渣层热应力分析

林伟宁（华电重工股份有限公司，北京 100070）

摘 要：建立气流床气化炉水冷壁的局部热应力模型，运用有限元法对含液相渣层的水冷壁中的应力场进行了模拟计算，对降温过程中的热应力分布及变化进行了研究，并对渣层中的应力状态进行分析。结果表明：工况下液态渣层中不存在热应力，而初始固态渣层中的热应力主要表现为压应力；降温过程中，熔渣凝固新生成的固态渣层中热应力迅速增大，其中的热应力主要表现为拉应力，且随温度的降低而增大。

关键词：气流床气化炉；水冷壁；渣层；热应力

0　引言

气流床煤气化技术因其具备的诸多优点［1］，已成为清洁高效的燃气与合成气制备的首选技术，广泛应用于化工、电力等行业。在运行过程中气化炉内的条件十分恶劣（高温、高压、熔渣冲蚀）；长期的工业实践证明，与耐火砖衬里相比，水冷壁衬里寿命较长，维护成本低，可确保气化炉长周期运转［2］。对于水冷壁气化炉，在其内壁形成稳定的、具有一定厚度的渣层至关重要，气化炉内的操作条件对渣层有较大影响，操作不当将导致渣层开裂、甚至脱落，这是渣层中的热应力超过渣层强度所致；该现象发生后将严重影响生产安全，因此，对渣层中的传热及应力进行研究十分必要。

气化炉正常运行时，渣层表面区域的灰渣处于熔融状态［3］，降温过程中经历了液-固相变，这将影响渣层中的应力分布。本文建立气化炉水冷壁二维传热与应力数学模型，对含液相渣层降温过程中的热应力变化进行模拟分析。

1　水冷壁结构

水冷壁主要包括列管结构和盘管结构两种类型，本文仅针对列管式水冷壁进行研究。水冷壁由冷却管束构成，管间采用翅片连接，水冷管上焊接渣钉；水冷管和翅片上浇铸耐火材料（氧化铝+碳化硅）；碳化硅表面附着一定厚度的渣层。水冷管、翅片、渣钉均采用不锈钢材质。水冷壁各材料及渣层的物性参数取文献中数据［4-10］。

2　模型假设

水冷壁的直筒段为轴对称结构，忽略其曲率及轴向传热，在直角坐标系中建立水冷壁直筒段的二维局部模型；同时对实际情况进行适当简化，引入如下假设：

（1）水冷壁材料间仅考虑热传导；材料及固态渣层各向同性且仅发生弹性形变；

（2）液态渣层中的应力为零；初始固态渣层在室温条件下应力为零；

（3）假设降温过程中渣层总厚度保持不变，且不考虑灰渣液-固相间密度差异；

（4）冷却水与管壁的对流换热系数沿管内壁均匀分布；

（5）气化炉操作压力的影响忽略不计。

3　模型理论及边界条件

根据热力学第一定律及上述假设，直角坐标系中的平面温度场的微分方程可表示为［11， 12］：

其中，k-导热系数，W·m-1·K-1；T-瞬态温度，K；qv-材料内热源强度，W·m-3；ρ-材料密度，kg·m-3；C-比热容，J·kg-1·K1；t-时间，s。

平面应力场的微分方程及其边界条件分别为式（2）和式（3）：

其中，σx， σy， τxy-应力分量，Pa；X， Y-坐标载荷分量；u， v-弹性位移分量，m；Qx， Qy-边界上面力均布载荷分量，Pa；l， m-边界法线方向与x， y轴夹角。

采用有限元法将模型划分为7536个四边形单元及7749个节点（见图1），并将连续的温度场及位移场离散到各单元节点上进行求解。

图1　水冷壁模型及边界条件示意图

为模型施加边界条件和初始条件，以得到方程的唯一解。采用热电偶测得的渣层表面温度作为渣层传热边界条件。水冷管内的冷却工质为除盐水，管内流型为紊流，强制对流传热，冷却水温度为60℃。水冷壁外表面的传热方式主要为自然对流和辐射联合传热，室温为25℃。在模型对称边界施加X轴方向的位移约束，并假设降温前模型中传热已达平衡；对该条件进行稳态计算，并将计算结果作为初始条件。

采用间接法对问题进行分析，运用ANSYS的单元“生死”技术对热应力进行计算。应用等效应力对渣层热应力进行描述，见式（4）［13］；采用第一主应力（σ1）和第三主应力（σ3）判断渣层中的应力状态。

其中，σ1、σ2、σ3-分别为第一、第二、第三主应力。

4　模拟结果与分析

4.1渣层热应力分布

正常操作情况下，水冷壁附着渣层表面区域为液态渣层，处于动态平衡状态。该层中熔渣在冷却降温阶段经历了液-固相变过程，如图2所示。降温开始时（t=0s）渣层表面温度为1296℃，高于灰渣流动温度（FT=1150℃），约30%的灰渣处于熔融状态，在模型假设中定义液态渣层中等效应力为零；随温度降低，初始液态渣层中的熔渣逐渐凝固，固态渣层厚度增加，新生固态渣层中产生热应力，且热应力逐渐增大；t=110s时，渣层表面温度降至1150℃，熔渣已完全凝固。

图2　 熔渣相变过程渣层应力场

由于渣钉的影响，渣层中温度沿X轴方向逐渐升高；同时温度由碳化硅-渣接触面到渣层表面（Y轴方向）逐渐升高。初始固态渣层中，等效应力沿X轴及Y轴方向均表现为逐渐增大，而新生成的固态渣层中的等效应力分布沿X轴及Y轴方向则呈现减小的趋势；而初始固-液接触面处等效应力呈不连续分布。

4.2渣层热应力变化

为对降温过程中的温度场及应力场进行研究，故选取点A、B作为研究对象（见图1），分别对各点的温度及应力变化情况进行模拟分析，模拟结果如图3～图4所示。

图3　点A温度及等效应力曲线

图4　点B温度及等效应力曲线

点A位于碳化硅-渣接触面，此处温度较低，灰渣在降温过程中始终为固态。随着该点温度由616℃降至181℃，等效应力由39MPa逐渐减小至12MPa。

点B位于初始固-液接触面。降温过程中，初始固态渣层中的等效应力由64MPa逐渐降至24MPa；而熔渣于降温开始时凝固，其等效应力由0MPa迅速上升至3MPa，此后随温度降低等效应力逐渐升高。

4.3渣层应力状态

降温过程中沿渣层厚度方向（路径A-C上）的σ1及σ3分布如图5所示。由图可见，初始固态渣层中σ1≈0，而σ3＜0，且沿路径A-C逐渐减小；相同位置，故其中应力主要表现为压应力。熔渣凝固后，新形成的渣层中σ1＞0，其值沿路径A-C逐渐增大，而σ3=0；相同位置，故其中应力表现为拉应力。

图5　路径A-C上σ1及σ3分布

5　结论

本文通过建立水冷壁及渣层的二维传热与应力数学模型，运用ANSYS软件的单元“生死”技术对含液相渣层于降温过程中的热应力进行了模拟计算。结论如下：（1）液态渣层中等效应力为零；熔渣凝固后，新形成的固态渣层中产生热应力，且高温区域等效应力较小；初始固-液接触面处等效应力呈不连续分布。（2）降温过程中，初始固态渣层中的等效应力随温度的降低而减小；新生固态渣层中等效应力随温度下降逐渐增大。（3）降温过程中，初始固态渣层中应力表现为压应力，而凝固渣层中应力表现为拉应力。

参考文献：

［1］龚欣，郭晓镭，代正华，于遵宏等.新型气流床粉煤加压气化技术［J］，现代化工，2005，25（03）：51-54.

［2］Higman C，Burgt MV. Gasification.Boston： Elsevier/Gulf Professional Publishing Publications， 2003.

［3］Heikkinen，R.Slagging behavior of peat ash. Fuel and Energy Abstracts， 1996， 37 （6）： 450-451.

［4］周俊虎，杨卫娟，刘建忠，周志军，曹欣玉，岑可法.锅炉变负荷引起的水冷壁渣层热应力［J］.化工学报，2003，54（12）：1678-1682.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.052

作者简介：林伟宁（1981-），男，河北唐山人，博士。