宁夏大学：苏暐光副研究员——多喷嘴对置式气化炉耐火衬里温度及应力场的有限元分析

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】创新点 针对OMB气化炉的实际工况，采用有限元法对正常稳定运行过程中的工业OMB气化炉的耐火衬里蚀损较快的K砖部位进行分析，并建立多喷嘴对置式(OMB)水煤浆(CWS)气化炉炉壁K砖部位的三维物理模型。
通过改变热面砖热端面温度和热面砖厚度，得到温度场、应力、应变及总变形的分布规律。
热面砖热端面温度为1300℃时，计算的钢壳温度为206.4℃，该模拟结果与工业数据基本一致。
当热面砖厚度为180mm时，热面砖整体应力大小适中，而且分布均匀没有明显突变，当热面砖厚度为180mm时，最有利于提高耐火衬里尤其是热面砖的使用寿命。
为抑制应力集中，优化耐火衬里结构，提升耐火衬里的使用寿命提供理论依据。
1 作 者 苏暐光1,2,史雨晨1,2,宋旭东1,2,王文鑫1,2,王焦飞1,2,白永辉1,2,姚 敏3,于广锁1,42 单 位 1. 宁夏大学 省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室；2. 宁夏大学 化学化工学院；3. 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司；4. 华东理工大学 洁净煤技术研究所3 研究背景 在我国,煤炭在相当长时间内依然是最重要的能源资源。
由华东理工大学和兖矿集团共同开发的OMB水煤浆气化技术是我国拥有自主知识产权的大型煤气化技术,该技术是世界气化市场上的领先技术之一。
目前已在国内外建立57个项目、158台气化炉,累积总原料处理能力大于20万t煤/d,单炉最大规模4000t/d,OMB气化炉在大型气化应用中具有极大优势。
耐火衬里是该气化炉最重要的组成之一,主要起到隔绝高温、蓄热、流场约束以及抗熔渣的作用,而且直接影响气化炉的运行周期和稳定性。
气化炉内高温环境会导致耐火衬里产生热应力,从而出现裂纹,炉内的渣和强还原性气氛会通过裂纹加速耐火衬里的损坏,影响气化炉的正常使用。
气化炉运行时,只能通过热电偶检测炉内壁的温度,耐火衬里内部的温度分布很难得知,用实验方法研究热应力更是困难重重。
目前多喷嘴对置式水煤浆气化炉内耐火衬里的温度场尤其是应力场的相关研究并不多见。
当气化炉开车之后,绝大部分时间气化炉都是处于稳定运行状态,因此研究气化炉稳定运行状况下耐火衬里的应力分布规律同样十分重要。
4 摘 要 热应力过大是造成气化炉耐火衬里损坏的重要原因之一,分析耐火衬里的温度分布和应力分布能有效避免应力集中并优化耐火衬里结构。
建立了三维多喷嘴对置式(OMB) 水煤浆(CWS)气化炉炉壁K 砖部位的计算模型,采用有限元法研究了稳态过程中热负荷对耐火衬里和钢壳的温度、等效应力、等效应变和总变形分布的影响。
结果表明:热面砖热端面温度为1300℃时,计算的钢壳温度为206.4 ℃,该模拟结果与工业数据基本一致;热面砖应力>背衬砖应力>钢壳应力>隔热砖应力,且热面砖热端面应力最大易出现裂纹,陶瓷纤维处应变最大,隔热砖绝对变形量远小于热面砖和背衬砖。
随着热面砖热端面温度从1100℃升高到1400℃时,耐火衬里和钢壳的整体温度升高,钢壳外表面温度从177.2℃逐渐增加到220.9℃,温度变化不超过50℃,耐火衬里及钢壳整体应力增大,尤其是热面砖应力增加最为明显,热端面应力从0.68GPa升高到1.10GPa,等效应变也逐渐增加,且热面砖和背衬砖应变增加幅度较大,热面砖、背衬砖和隔热砖的绝对变形量也随之增加。
随着热面砖厚度由60mm增加到230mm,耐火衬里和钢壳的整体温度降低,钢壳外表面温度从225.9℃缓慢降低到206.4℃,即热面砖厚度对钢壳外表面温度影响较小,热面砖和背衬砖应力迅速减小而隔热砖和钢壳应力变化较小,当热面砖厚度为180mm时,热面砖整体应力大小适中,而且分布均匀没有明显突变,耐火衬里的应变逐渐减小尤其是背衬砖区域应变减小趋势最快,而且应变结果与应力结果的变化规律基本一致,背衬砖绝对变形量最大,热面砖绝对变形量次之,隔热砖绝对变形量最小。
结合温度场、应力、应变分布规律,当热面砖厚度为180mm 时,最有利于提高耐火衬里尤其是热面砖的使用寿命。
5 部分图片 OMB气化炉炉内 OMB气化炉K砖部位的结构模型热面砖、背衬砖、隔热砖的弹性模量和泊松比随温度变化曲线耐火衬里的温度分布云图耐火衬里的等效应力分布云图耐火衬里的等效应变分布云图耐火衬里的总变形分布云图不同热面砖热端面温度下耐火衬里和钢壳的温度分布不同热面砖热端面温度下耐火衬里和钢壳的等效应力分布 工业OMB气化炉内热面砖(K 砖)端面处的裂纹 不同热面砖热端面温度下耐火衬里和钢壳的等效应变分布 不同热面砖热端面温度下热面砖、背衬砖和隔热砖的绝对变形量 不同热面砖厚度下耐火衬里及钢壳的温度分布不同热面砖厚度下耐火衬里及钢壳的等效应力分布不同热面砖厚度下耐火衬里及钢壳的应变分布不同热面砖厚度下热面砖、背衬砖和隔热砖的绝对变形量第一作者 苏暐光，男，1981年12月12日生，湖北荆州人，副研究员，硕士生导师，宁夏大学教师，是2018年引进的宁夏回族自治区科技创新团队“含碳基质高温气化技术研发团队”核心骨干成员之一。
承担5项国家、省自然科学基金和省重点研发计划等项目，在研2项，可支配经费约300万，发表学术论文20余篇。
2017年获中国科学院“西部青年学者”荣誉称号。
研究方向多相催化、煤化工 主要成果采用有限元方法研究了气流床气化炉中托砖架的温度场和应力场分布，为降低托砖架的热应力延长其使用寿命，对托砖架进行了尺寸优化，在《InternationalJournal of Heat and Mass Transfer》期刊发表1篇SCI论文；在多相催化、新型催化剂的设计、合成及其在丙烯环氧化催化反应中的应用等方面作了部分创新性的工作，发现一价Cu物种是丙烯环氧化反应的活性中心，申请3项发明专利，发表SCI论文20余篇，其中1篇论文荣获宁夏回族自治区自然科学优秀论文奖三等奖。
通讯作者 于广锁，男，汉族，1970年2月生，安徽人。
工学博士，教授，博士生导师。
教育部长江学者特聘教授、中国青年科技奖获得者、教育部新世纪优秀人才、上海市曙光学者、上海市科技启明星、上海市育才奖。
主持10余项国家“863”计划课题、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、宁夏回族自治区重点研发计划重大项目等项目。
申请70余项发明专利，发表SCI论文150余篇，荣获国家科学技术进步二等奖2项、省部级科技进步特等奖2项、一等奖6项。
研究方向催化反应工程、以含碳化合物(水煤浆、干煤粉、油及天然气等)为原料的气流床气化技术的基础研究和工业应用 主要成果首次实现了水煤浆气化炉内温度场和火焰结构的单视角三维数值重建，创新地以火焰光谱诊断为手段拓展了气化撞击扩散火焰反应机理模型；首次原位揭示了煤的非催化及催化气化反应机理，率先系统研究了内扩散对气化反应的影响；发明了蒸发分离直接换热式渣水处理及热回收工艺，集成优化了多喷嘴对置式水煤浆气化技术。
提出的学术思想和研究成果支撑了具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化技术的产业化和大型化，推进了该技术的广泛应用。