水冷壁气流床气化炉渣层热应力数值模拟方法的改进

固态渣层能够保护气流床气化炉的水冷壁,防止其受到高温合成气直接辐射以及液态熔渣的侵蚀。本文提出一种数值模拟渣层热应力的改进方法,并应用该改进方法对降温阶段渣层热应力的变化进行模拟研究。在渣层热应力的数值模拟研究中,经常假定水冷壁渣层的热应力变化基于一个固定的参考温度（比如环境温度25℃）。然而对于降温阶段的水冷壁气流床气化炉,一个固定的参考温度值并不能表征渣层"无应力"的初始状态,在此基础上计算将会得到一个不合理的渣层应力分布结果。针对该问题,提出了一种改进方法：将水冷壁渣层分割为多个子计算域,每个子计算域内单独设置参考温度,以此实现在整个水冷壁渣层上施加一个近似为降温初始时刻的参考温度分布,从而使渣层在降温初始时刻处于"无应力"状态。同时,对前人文献中的三维水冷壁渣层结构在降温过程中的热应力变化情况进行计算,以此测试改进方法的准确性,改进方法得到的模拟结果与其他参考文献得到的渣层热应力变化趋势一致。     

水冷壁式粉煤气化炉炉衬应力场数值模拟研究

针对水冷壁式粉煤气化炉在使用过程中由热应力引起的耐火材料和渣层损毁现象,建立了水冷壁的局部热应力模型,运用ANSYS有限元分析软件对水冷壁式粉煤气化炉使用过程的应力场进行了数值模拟研究。结果表明:1)水冷壁式气化炉的最大应力出现在锚固钉与耐火材料的界面以及耐火材料与渣层的界面,渣层最大应力的位置在渣层表面。2)渣层厚度的增加可显著降低锚固钉与耐火材料界面处的热应力,但是会导致渣层与耐火材料层间的热应力增大。3)当热导率为2～6 W·m~(-1)·K~(-1)时,随着热导率增加,会导致热应力迅速升高;而当热导率为6～10 W·m~(-1)·K~(-1)时,热应力基本稳定。4)降温速率越快,炉衬各点的温度和热应力下降得越快。     

水冷壁气化炉紧急停车渣层热应力分析

基于实验室小型水冷壁气流床气化炉,研究了两种油渣浆气化后在炉内壁形成渣层的内部结构及组成。建立了气化炉水冷壁的三维传热和应力模型,对气化炉紧急停车时炉壁的热应力变化及其分布进行了模拟计算。计算结果表明：渣层中越靠近渣层表面,热应力的变化越大;靠近水冷管和渣钉处的渣层热应力变化相对较小;渣层表面温度变化相同时,孔隙率大的渣层产生的形变较大。     

浅议壳牌气化炉的炉温调节

0引言壳牌气化炉内部采用膜式水冷壁结构,用来转移反应产生的热量,并产生废热蒸汽。水冷壁表面附着一层耐火材料,煤粉和氧气、蒸汽在1 600℃的高温下瞬间完成燃烧反应并生成熔融态灰渣,在4个烧嘴对喷产生的旋流作用下,熔融灰渣被甩到水冷壁表面。原始开车时,液态熔渣在耐火衬里及其内置的金属销钉的热传导作用下冷却固化,附着在水冷壁上形成了原始挂渣,渣层增厚到一定程度时热传导作用减弱,外表渣层就变成了熔融态,并向下流淌而使渣层厚度减薄。当厚度降低到一定程度时,热传导作用增大,使熔渣温度降低而固化,渣层重新聚积增厚,这样不断维持动态平衡,实现“以渣抗渣”,保护水冷壁免受高温烧蚀和熔渣冲蚀。渣层的厚度主要取决于炉内温度,炉温的波动会造成渣层厚度的变化。过厚的渣层会使气化炉下部堵渣而停车;过薄的渣层会失去对水冷壁的保护作用。     

气化炉水冷壁金属极限高温安全性分析

通过对气化炉水冷壁传热的数值模拟,研究极限高温条件下水冷壁的传热过程及温度分布特性,对水冷壁的高温安全性进行分析;结果表明,在极限高温工况下,渣钉根部是管壁超温的危险部位,即使采用增大工质流速或管内强化换热等措施,也很难避免局部超温。     

气流床气化炉水冷壁结渣特性的实验研究

搭建了小型气流床水冷壁气化炉实验平台，进行水冷壁结渣实验，验证了“以渣抗渣”的思想，为气化炉水冷壁衬里的工业应用提供理论依据．研究了炉内火焰温度、壁温、循环水量等因素对渣的分布及形态的影响，以及渣层对水冷壁的保护作用．结果表明，熔渣对炉壁保护作用明显；循环水影响着水冷壁的正常运行；炉内温度及壁温是影响渣形态和渣分布的主要因素．     

水冷壁式气化炉内侧渣钉对气化炉传热的影响

煤气化炉的水冷壁对于维持气化炉在高温高压下安全稳定运行具有重要作用。利用ANSYS软件对水冷壁内侧壁面的温度分布进行模拟,模拟分析了渣层内有渣钉、无渣钉和用等面积肋片代替渣钉三种状况对传热过程的影响,考察了渣钉排布方式对水冷壁传热的影响。结果表明,布置渣钉可有效提高传热效率,及时带走气化炉内多余的热量;采用夹角小、三角形排布的渣钉排布方式传热效率更好,温度分布更均匀。该模拟计算对于水冷壁气化炉的传热结构设计及长周期安全运行具有实际意义。     

气化炉水冷壁衬里传热数值模拟研究

水冷壁衬里是气化炉安全稳定运行的关键部件.以高温高压气流床气化炉内水冷壁耐火衬里为研究对象,采用数值模拟方法对水冷壁衬里附近的流动与传热进行研究,分析了渣层厚度对壁面导热系数、热通量、各层材料表面的影响.结果表明,气化炉原始开车工况下,壁面平均传热系数高达241W/(m2·K),渣钉表面温度约为1517K,此时渣钉容易...     

水冷壁气化炉熔渣流动的实验研究

水冷壁气流床气化炉的核心思想是"以渣抗渣",因此对熔渣沉积形态与流动规律的研究尤为重要。文中在实验室小型水冷壁气化炉热模装置上,以神府煤气化灰渣、柴油和纯氧气为原料模拟气流床水冷壁气化实验,采用高温内窥镜并结合数字图像处理技术研究了熔渣的沉积、流动过程。实验结果表明:气化炉操作温度高于熔渣临界黏度温度时,渣层表面灰渣处于熔融状态;运动到壁面处的灰渣颗粒主要被熔融渣层吸收;熔渣的流动速度和渣层表面温度有关系,渣层表面温度越高,熔渣流动速度越大。在实验条件下,熔渣层表面速度约为0.002 6—0.003 m/s。     

水冷壁气化炉温度分布及影响因素分析

对气流床水冷壁气化炉炉壁的温度分布及影响因素进行了计算和分析。建立了气流床水冷壁气化炉的三维传热数学模型,运用有限元方法,计算出水冷壁的温度分布,炉壁导热主要通过渣钉完成;探讨了水冷管内工质传热系数、炉内温度、渣钉间距、鳍片厚度、鳍片宽度及熔渣厚度对渣钉、水冷管、鳍片端部和根部等关键部位的最高温度点温度的影响;为了验证热分析的正确性,在实验室的小型气化炉上进行试验,鳍端背火侧温度计算值与实验测量值吻合良好,误差在5%之内;其计算模型和分析结果可为水冷壁气化炉的设计提供相应依据。     

Numerical modeling for non-steady thermal stress analysis of slag layer in a membrane wall entrained-flow gasifier

Membrane wall entrained-flow gasifier (MWEFG) generally has a long service life for the protection of the solid slag layer adhered to the metal wall during operation. However, cracking will generate in the slag layer when the temperature changes greatly in the gasifier, which results from the thermal stress exceeding the strength of slag deposit. In this study, the gasification experiment was performed in a bench-scale MWEFG and a three-dimensional model was developed for non-steady thermal stress analysis of slag layer. Based on experimental data, the thermal stresses of cooling process were numerically simulated using transient thermal analysis. The results indicate that the thermal stresses of the slag layer are tensile during the cooling and the Von Mises stresses (SEQVs) increase with the reduction of temperature. Comparing the results of the selected nodes, it is found that the SEQV always increases from the slag surface to the slag-SiC interface. The contributions of slag porosity and thickness were also investigated. We draw a conclusion that the maximum SEQV decreases with the increasing porosity, while it increases with the increasing slag thickness.     

Mixed-Mode Strength of Thin Adhesive Films: Experimental Characterization Through a Tubular Specimen with Reduced Edge Effect

The present work deals with the characterization of adhesives in thin film under uniform and multi-axial loading conditions. The tests are carried out with a tubular butt bonded specimen, previously developed by the authors, which ensures both shear and normal uniform stress fields inside the adhesive layer. Stress analysis is performed analytically and shows that, in addition to the axial stress, both radial and circumferential stress components are present in the adhesive layer due to Poisson's effect. This leads to a high level of stress triaxiality especially when only axial loading is considered. The experimental tests performed on eight different loading modes show that the adhesive behaves better under shear stress rather than under normal tensile stress, and its strength increases under compressive mixed mode loading. Among literature criteria for equivalent stress, the Stassi D'Alia criterion provides a clear equivalent failure stress value for the adhesive here examined, regardless of the stress triaxiality.     

水冷壁气化炉内熔渣流动特性模型

通过将3D气化炉模型、熔渣一维流动传热模型和颗粒壁面捕捉模型耦合,对工业水煤浆水冷壁气化炉内的熔渣流动特性进行模型研究。重点分析了颗粒壁面行为对气化炉结渣的影响以及氧煤比变化对于渣层厚度的影响,并简要分析了水冷壁气化炉和耐火砖气化炉的差异。研究结果表明:大粒径颗粒易于被壁面捕捉,利于穹顶和直筒段渣层的形成,但不利于碳转化率的提高;小粒径颗粒具有高碳转化率,是下游细灰的主要来源,容易加剧下游受热面和灰黑水系统的负担;水冷壁气化炉内形成的固态渣层是气化炉热阻的主要组成部分,能够起到"以渣抗渣"的作用。     

多层热套式压力容器的热-应力耦合分析

针对石油化工行业中热套式压力容器壁厚增加和温差应力增大问题,提出了基于有限元热-应力耦合分析的方法.建立热套式压力容器筒体结构模型,采用序贯热-应力耦合解法,先进行热分析求解,然后将求解得到的热分析结果当作体载荷施加到结构上进行静力分析,得出热套式压力容器的径向应力、应变和环向应力、应变.     

气流床煤气化炉壁面反应模型

建立了气流床煤气化炉煤灰渣颗粒沉积和壁面反应模型,相应完善了渣层流动、传热传质和相变模型,发展了数值模拟方法,并以国内某型两段式干煤粉加压气流床煤气化中试炉为对象进行了模拟。利用建立的模型可以得到壁面反应速率、渣层含碳量、固态渣层厚度、液态渣层厚度、渣层平均温度和液态渣层平均速度等。结果表明:氧煤比升高,渣层平均温度升高,固态渣层厚度、液态渣层厚度和气化炉出口灰渣含碳量降低。计算得到的灰渣含碳量在14%左右,整体碳转化率为95.2%左右,与实际值相近。通过模拟发现壁面反应对于所分析气化炉的碳转化率、排渣含碳量、壁面渣层流动和温度状态具有重要影响,进而影响气化炉的安全稳定运行。     

机械密封环热应力的有限元计算及分析

利用ANSYS 8.0有限元程序对密封环稳态温度场进行数值计算,并用热-结构耦合法计算密封环的热应力,获得了密封环的三向应力(径向、轴向、周向)及Mises等效应力,得到其最大值及其位置。     

Modeling of an oxygen-staged membrane wall gasifier: effects of secondary oxygen

A new type of entrained flow gasifier with membrane wall and two-stage oxygen supply is being developed in China. The fraction of the secondary oxygen in total oxygen (FSO) is an important parameter for this kind of gasifier. A dynamic reduced order model (ROM) based on a reactor network model (RNM) is developed for this gasifier, which is used to investigate the effects of FSO on the slag layer thickness profile on the wall and explore the potential of FSO in dynamic slag control. The ROM adopts a flexible RNM blocking method, which varies with FSO to account for the influence of FSO on the flow pattern in the gasifier. Available industrial data was used to validate the model and a detailed sensitivity analysis for the calculation of slag layer thickness was performed. Static analyses show that FSO has a marked effect on the slag thickness distribution and higher FSO leads to lower heat loss through the wall. Finally, a slag control system, which introduced FSO as an auxiliary regulator, is proposed. Dynamic simulation shows that the new control system offers an improved performance in slag control and can broaden the regulating range of operating temperature.     

错流微滤制备动态膜过程中细微颗粒沉积机理

以煤基炭膜为基膜,以ZrO₂为涂膜颗粒,在实验研究的基础上对错流微滤过程中沉积颗粒进行受力分析,分别建立径向颗粒的可能沉积临界粒径模型、轴向上颗粒的可能移动临界粒径模型和圆周方向的颗粒可能滚动临界粒径模型。并以温度、错流速率、渗透通量为主要影响参数,分别对3种临界粒径模型进行模拟研究,探讨颗粒沉积机理。结果表明,压力增大(渗透通量提高)、温度降低以及错流速度降低,都可增大动态膜层厚度;由于净重力的影响,在水平膜管内圆周方向动态膜膜层厚度分布不均匀通过增加错流速率可明显减小此种差异;模拟结果与实验结果的一致性证实了所建模型的可靠性。