水冷壁氣化爐含液相渣層熱應(yīng)力分析

林偉寧（華電重工股份有限公司，北京 100070）

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水冷壁氣化爐含液相渣層熱應(yīng)力分析

林偉寧（華電重工股份有限公司，北京 100070）

摘 要：建立氣流床氣化爐水冷壁的局部熱應(yīng)力模型，運用有限元法對含液相渣層的水冷壁中的應(yīng)力場進(jìn)行了模擬計算，對降溫過程中的熱應(yīng)力分布及變化進(jìn)行了研究，并對渣層中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：工況下液態(tài)渣層中不存在熱應(yīng)力，而初始固態(tài)渣層中的熱應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力；降溫過程中，熔渣凝固新生成的固態(tài)渣層中熱應(yīng)力迅速增大，其中的熱應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且隨溫度的降低而增大。

關(guān)鍵詞：氣流床氣化爐；水冷壁；渣層；熱應(yīng)力

0　引言

氣流床煤氣化技術(shù)因其具備的諸多優(yōu)點［1］，已成為清潔高效的燃?xì)馀c合成氣制備的首選技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化工、電力等行業(yè)。在運行過程中氣化爐內(nèi)的條件十分惡劣（高溫、高壓、熔渣沖蝕）；長期的工業(yè)實踐證明，與耐火磚襯里相比，水冷壁襯里壽命較長，維護(hù)成本低，可確保氣化爐長周期運轉(zhuǎn)［2］。對于水冷壁氣化爐，在其內(nèi)壁形成穩(wěn)定的、具有一定厚度的渣層至關(guān)重要，氣化爐內(nèi)的操作條件對渣層有較大影響，操作不當(dāng)將導(dǎo)致渣層開裂、甚至脫落，這是渣層中的熱應(yīng)力超過渣層強度所致；該現(xiàn)象發(fā)生后將嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，因此，對渣層中的傳熱及應(yīng)力進(jìn)行研究十分必要。

氣化爐正常運行時，渣層表面區(qū)域的灰渣處于熔融狀態(tài)［3］，降溫過程中經(jīng)歷了液-固相變，這將影響渣層中的應(yīng)力分布。本文建立氣化爐水冷壁二維傳熱與應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，對含液相渣層降溫過程中的熱應(yīng)力變化進(jìn)行模擬分析。

1　水冷壁結(jié)構(gòu)

水冷壁主要包括列管結(jié)構(gòu)和盤管結(jié)構(gòu)兩種類型，本文僅針對列管式水冷壁進(jìn)行研究。水冷壁由冷卻管束構(gòu)成，管間采用翅片連接，水冷管上焊接渣釘；水冷管和翅片上澆鑄耐火材料（氧化鋁+碳化硅）；碳化硅表面附著一定厚度的渣層。水冷管、翅片、渣釘均采用不銹鋼材質(zhì)。水冷壁各材料及渣層的物性參數(shù)取文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)［4-10］。

2　模型假設(shè)

水冷壁的直筒段為軸對稱結(jié)構(gòu)，忽略其曲率及軸向傳熱，在直角坐標(biāo)系中建立水冷壁直筒段的二維局部模型；同時對實際情況進(jìn)行適當(dāng)簡化，引入如下假設(shè)：

（1）水冷壁材料間僅考慮熱傳導(dǎo)；材料及固態(tài)渣層各向同性且僅發(fā)生彈性形變；

（2）液態(tài)渣層中的應(yīng)力為零；初始固態(tài)渣層在室溫條件下應(yīng)力為零；

（3）假設(shè)降溫過程中渣層總厚度保持不變，且不考慮灰渣液-固相間密度差異；

（4）冷卻水與管壁的對流換熱系數(shù)沿管內(nèi)壁均勻分布；

（5）氣化爐操作壓力的影響忽略不計。

3　模型理論及邊界條件

根據(jù)熱力學(xué)第一定律及上述假設(shè)，直角坐標(biāo)系中的平面溫度場的微分方程可表示為［11， 12］：

其中，k-導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；T-瞬態(tài)溫度，K；qv-材料內(nèi)熱源強度，W·m-3；ρ-材料密度，kg·m-3；C-比熱容，J·kg-1·K1；t-時間，s。

平面應(yīng)力場的微分方程及其邊界條件分別為式（2）和式（3）：

其中，σx， σy， τxy-應(yīng)力分量，Pa；X， Y-坐標(biāo)載荷分量；u， v-彈性位移分量，m；Qx， Qy-邊界上面力均布載荷分量，Pa；l， m-邊界法線方向與x， y軸夾角。

采用有限元法將模型劃分為7536個四邊形單元及7749個節(jié)點（見圖1），并將連續(xù)的溫度場及位移場離散到各單元節(jié)點上進(jìn)行求解。

圖1　水冷壁模型及邊界條件示意圖

為模型施加邊界條件和初始條件，以得到方程的唯一解。采用熱電偶測得的渣層表面溫度作為渣層傳熱邊界條件。水冷管內(nèi)的冷卻工質(zhì)為除鹽水，管內(nèi)流型為紊流，強制對流傳熱，冷卻水溫度為60℃。水冷壁外表面的傳熱方式主要為自然對流和輻射聯(lián)合傳熱，室溫為25℃。在模型對稱邊界施加X軸方向的位移約束，并假設(shè)降溫前模型中傳熱已達(dá)平衡；對該條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，并將計算結(jié)果作為初始條件。

采用間接法對問題進(jìn)行分析，運用ANSYS的單元“生死”技術(shù)對熱應(yīng)力進(jìn)行計算。應(yīng)用等效應(yīng)力對渣層熱應(yīng)力進(jìn)行描述，見式（4）［13］；采用第一主應(yīng)力（σ1）和第三主應(yīng)力（σ3）判斷渣層中的應(yīng)力狀態(tài)。

其中，σ1、σ2、σ3-分別為第一、第二、第三主應(yīng)力。

4　模擬結(jié)果與分析

4.1渣層熱應(yīng)力分布

正常操作情況下，水冷壁附著渣層表面區(qū)域為液態(tài)渣層，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。該層中熔渣在冷卻降溫階段經(jīng)歷了液-固相變過程，如圖2所示。降溫開始時（t=0s）渣層表面溫度為1296℃，高于灰渣流動溫度（FT=1150℃），約30%的灰渣處于熔融狀態(tài)，在模型假設(shè)中定義液態(tài)渣層中等效應(yīng)力為零；隨溫度降低，初始液態(tài)渣層中的熔渣逐漸凝固，固態(tài)渣層厚度增加，新生固態(tài)渣層中產(chǎn)生熱應(yīng)力，且熱應(yīng)力逐漸增大；t=110s時，渣層表面溫度降至1150℃，熔渣已完全凝固。

圖2　 熔渣相變過程渣層應(yīng)力場

由于渣釘?shù)挠绊?，渣層中溫度沿X軸方向逐漸升高；同時溫度由碳化硅-渣接觸面到渣層表面（Y軸方向）逐漸升高。初始固態(tài)渣層中，等效應(yīng)力沿X軸及Y軸方向均表現(xiàn)為逐漸增大，而新生成的固態(tài)渣層中的等效應(yīng)力分布沿X軸及Y軸方向則呈現(xiàn)減小的趨勢；而初始固-液接觸面處等效應(yīng)力呈不連續(xù)分布。

4.2渣層熱應(yīng)力變化

為對降溫過程中的溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行研究，故選取點A、B作為研究對象（見圖1），分別對各點的溫度及應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3　點A溫度及等效應(yīng)力曲線

圖4　點B溫度及等效應(yīng)力曲線

點A位于碳化硅-渣接觸面，此處溫度較低，灰渣在降溫過程中始終為固態(tài)。隨著該點溫度由616℃降至181℃，等效應(yīng)力由39MPa逐漸減小至12MPa。

點B位于初始固-液接觸面。降溫過程中，初始固態(tài)渣層中的等效應(yīng)力由64MPa逐漸降至24MPa；而熔渣于降溫開始時凝固，其等效應(yīng)力由0MPa迅速上升至3MPa，此后隨溫度降低等效應(yīng)力逐漸升高。

4.3渣層應(yīng)力狀態(tài)

降溫過程中沿渣層厚度方向（路徑A-C上）的σ1及σ3分布如圖5所示。由圖可見，初始固態(tài)渣層中σ1≈0，而σ3＜0，且沿路徑A-C逐漸減小；相同位置，故其中應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。熔渣凝固后，新形成的渣層中σ1＞0，其值沿路徑A-C逐漸增大，而σ3=0；相同位置，故其中應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

圖5　路徑A-C上σ1及σ3分布

5　結(jié)論

本文通過建立水冷壁及渣層的二維傳熱與應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，運用ANSYS軟件的單元“生死”技術(shù)對含液相渣層于降溫過程中的熱應(yīng)力進(jìn)行了模擬計算。結(jié)論如下：（1）液態(tài)渣層中等效應(yīng)力為零；熔渣凝固后，新形成的固態(tài)渣層中產(chǎn)生熱應(yīng)力，且高溫區(qū)域等效應(yīng)力較?。怀跏脊?液接觸面處等效應(yīng)力呈不連續(xù)分布。（2）降溫過程中，初始固態(tài)渣層中的等效應(yīng)力隨溫度的降低而減??；新生固態(tài)渣層中等效應(yīng)力隨溫度下降逐漸增大。（3）降溫過程中，初始固態(tài)渣層中應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而凝固渣層中應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)：

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

作者簡介：林偉寧（1981-），男，河北唐山人，博士。