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.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ． 2 0 2 1 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 苏唪光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 ’4 I ．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，宁夏银川7 5 0 0 2 1 ；2 ．宁夏大学化学化工学院，宁夏银川7 5 0 0 2 l ；3 ．国家 能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏银川7 5 0 0 0 l ；4 ．华东理工大学洁净煤技术研究所，上海2 0 0 2 3 7 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 0 M B 水煤浆 C W S 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13 0 0 ℃时，计算的 钢壳温度为2 0 6 ．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l1 0 0 ℃升高到14 0 0 ℃时，耐火衬里和钢壳的整体温度 升高，钢壳外表面温度从1 7 7 ．2 ℃逐渐增加到2 2 0 ．9 ℃，温度变化不超过5 0 ℃，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O ．6 8G P a 升高到1 ．1 0G P a ，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6 0m m 增加到2 3 0m m ，耐火衬里和钢壳的整体温度降低，钢壳外表面 温度从2 2 5 ．9 ℃缓慢降低到2 0 6 ．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1 8 0m m 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1 8 0m m 时，最有利于 提高耐火衬里尤其是热面砖的使用寿命。 关键词0 M B 气化炉；耐火衬里；K 砖；温度场；等效应力；有限元法 中图分类号T Q 5 4 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 1 0 2 7 4 1 0 F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc o r r e s p o n d i n gs t r e s s 6 e l do fr e f r a c t o r yl i I l i n gi nO M Bg a s i 6 e r S UW e i g u a n 9 1 ”，S H IY u c h e n 。”，S O N GX u d o n 9 1 ”，W A N GW e n x i n l ”，W A N GJ i a o f e i l ”， B A IY o n g h u i 1r ，Y A OM i n 3 ，Y U G u a n g s u 0 1 ’4 1 ．＆口把K 可k 6 0 m ￡o 叮旷魄 一班西，吖耽以姚砌几旷c o 。fo 蒯G 删n ∞e m 如o zE 凡g i 聊e 矗昭，M n 肜池‰池坩毋，n M ∞凡7 5 0 0 2 1 ，蕊i M ；2 ．c o f 妇e0 ， 秭删础，yo 蒯 k 慨c 口ZE 增砒一增，M ，”如№泌借妙，，如眦n7 5 0 0 2 1 ，吼加o ；3 ．∞j 嬲eE 船劭，Ⅳi ，彤缸c o Ⅱfm d 琊哆c 0 ．，删．，M w Ⅱo n 7 5 0 0 0 1 ，吼i M ；4 ．胁m 姚旷C k 帆C o o Z ‰矗肿如∥，E ∞￡吼i 胍‰讹坩蚵矿s c i e 凡卯∽d 死c 加z 9 9 y ，S o 增h Ⅱi2 0 0 2 3 7 ，c h i n 口 收稿日期2 0 1 9 1 2 2 0修回日期2 0 2 0 0 3 2 9责任编辑钱小静D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk j ．j c c s ．2 0 1 9 ．1 7 7 2 基金项目宁夏重大研发计划资助项目 2 0 1 9 B c H 0 l 0 0 1 ；国家自然科学基金资助项目 2 1 4 6 3 0 1 8 ；2 叭7 年宁夏回族 自治区重点研发资助项目 西部之光，2 0 1 7 0 9 作者简介苏唪光 1 9 8 1 一 ，男，湖北荆州人，副研究员，硕士生导师。E m a i l w e i g l l a n g s u n x u ．e d u ．c n 通讯作者于广锁 1 9 7 0 一 ，男，安徽肥西人，教授，博士生导师。E m a i l g s y u n x u ．e d u ．c n 引用格式苏睥光，史雨晨，宋旭东，等．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[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 1 ，4 6 】 2 7 4 2 8 3 ． S UW e i g u a j l g ，S H IY u c h e n ，S O N GX u d o n g ，e ta 1 ．F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft e m p e r a t u r ed i s t 曲u t i o na n dc o r r e s p o n d i n gs t r e s sf i e l do fr e f r a c t o r yl i n i n gi n0 M Bg a s i f i e r 【JI ．J o u m a lo fC h i n aC o a lS 0 c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 1 2 7 4 2 8 3 ． 移动阅读 万方数据 第1 期 苏唪光等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 2 7 5 A b s t r a c t T h ee x c e s s i v et h e r n l a ls t r e s si so n eo ft h em o s ti m p o n a n tf a c t o r sf o rt h ed a m a g eo ft h er e f r a c t o r yl i n i n gi nt h e g a s i 6 e r ．A n a l y s i so ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n o fr e f r a c t o r yl i n i n gc a ne f f e c t i v e l ya V o i dt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o na n do p t i m i z et h es t r u c t u r eo fr e f h c t o r yl i n i n g ．T h et h r e e ．d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo fK _ b r i c ko ft h e i n d u s t r i a lo p p o s e dm u l t i b u m e r O M B c o a l w a t e rs l u Ⅱy C W S e n t r a i n e dn o wg a s i 6 e ri se s t a b l i s h e d ，a n dt h ee f f b c t s o fh e a tl o a do nt h et e m p e r a t u r e ，e q u i v a l e n ts t r e s s ，e q u i v a l e n te l a s t i cs t r a i na n dt o t a ld e f 0 瑚a t i o nd i s t r i b u t i o no fr e f r a c t o r yl i n i n ga n ds t e e ls h e l ld u r i n gs t e a d ys t a t ea r es t u d i e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d F E M ．W h e nt h ee n df a c et e m p e m - t u r eo ft h eh o t f a c eb r i c ki s13 0 0 ℃，t h et e m p e r a t u r eo ft h es t e e ls h e Ui sc a l c u l a t e dt ob e2 0 6 ．4 ℃，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ew e l lc o n s i s t e n tw i t ht h ei n d u s t r i a ld a t a ．T h ee q u i v a l e n ts t r e s so fv a r i o u sl i n i n g sf b l l o w st h eo r d e r h o t f a c eb r i c k b a c k u pb r i c k s t e e ls h e l l h e a ti s o l a t i o nb r i c k ．T h ee q u i v a l e n te l a s t i cs t r a i no ft h ec e r a m i c6 b e ri st h e l a r g e s t ．T h ea b s o l u t ed e f b 瑚a t i o no fh e a ti s o l a t i o nb r i c ki sm u c hs m a l l e rt h a nt h a t o fh o t ．f a c eb r i c ka n db a c k u pb r i c k ． W i t ht h ei n c r e a s e so ft h ee n df a c et e m p e r a t u r e so fh o t f a e eb r i c kf 而m1 10 0 ℃t o14 0 0 ℃，t h eo v e r a l lt e m p e r a t u r e s o fr e f r a c t o r yl i n i n ga n ds t e e ls h e Ui n c r e a s e ．T h ee x t e m a ls u d a c et e m p e r a t u r eo ft h es t e e ls h e Ui n c r e a s e sg r a d u a l l yf r o m 17 7 ．2 ℃t o2 2 0 ．9 ℃，a n dt h et e m p e r a t u r ec h a n g ed o e sn o te x c e e d5 0 ℃．T h eo v e r a l le q u i v a l e n ts t r e s so fr e f r a c t o r y l i n i n ga n ds t e e ls h e Ui n c 工e a s e ．T h ee q u i v a l e n ts t r e s sa l s oi n c r e a s e s ，e s p e c i a l l yf b rh o t - f a c eb r i c k ，t h ee n h a n c e m e n to f s t r e s si st h eb i g g e s t ，a n dt h ee q u i v a l e n ts t r e s so ft h ee n df a c eo fh o t ．f a c eb r i c ki n c r e a s e sf I r o m0 ．6 8G P at o1 ．10G P a ． T h ee q u i v a l e n te l a s t i cs t r a i ni n c r e a s e sg r a d u a l l ya n dt h es t r a i no ft h eh o t f a c eb r i c ka n db a c k u pb r i c ki n c r e a s e sm o r e g r e a t l yt h a nt h a t o fh e a ti s o l a t i o nb r i c k ．T h ea b s o l u t ed e f o m a t i o no ft h eh o t f a c eb r i c k ，b a c k u pb r i c ka n dh e a ti s o l a t i o n b r i c ka l s oi n c r e a s e ．A st h et h i c k n e s so fh o t f a c eb 打c ki n c r e a s e sf 而m6 0m mt o2 3 0m m ，t h eo v e r a l lt e m p e r a t u r e so fr e f r a c t o r yl i n i n ga n ds t e e ls h e Ua r ed e c r e a s e d ．T h ee x t e m a ls u r f a c et e m p e r a t u r eo fs t e e ls h e l ld e c r e a s e ss l o w l yf - r o m 2 2 5 ．9 ℃t o2 0 6 ．4 ℃，a n di tc a nb es e e nt h a tt h et h i c k n e s so fh o t f a c eb r i c kh a sl i t t l ee f k c to nt h es u I f a c et e m p e r a t u r eo fs t e e ls h e l l ．T h ee q u i v a l e n ts t r e s so fh o t f a c eb r i c ka n db a c k u pb r i c kd e c r e a s e sr a p i d l yw h i l et h es t r e s so fh e a t i s o l a t i o nb r i c ka n ds t e e ls h e l li so n l yI ．e d u c e dal i t t l e ．W h e nt h et h i c k n e s so ft h eh o t f ．a c eb r i c ki s18 0m m ，t h eo V e r a U s t r e s so ft h eh o t f a c eb r i c ki sm o d e r a t e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o ni su n i f b 砌w i t h o u to b v i o u sm u t a t i o n ．T h ee q u i v a l e n te l a s t i c s t r a i no fr e f - a c t o r yl i n i n gd e c r e a s e sg m d u a l l y ，a n dt h ed e c l i n i n gt r e n do fs t r a i ni nt h er e g i o no fb a c k u pb r i c ki st h ef a s - t e s t ，a n dt h es t r a i nr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h es t r e s sI ℃s u l t ．T h ea b s o l u t ed e f b r m a t i o no fv a r i o u sl i n i n g sf b l l o w st h eo r - d e r b a c k u pb r i c k h o t f a c eb r i c k h e a ti s 0 1 a t i o nb r i c k ．C o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so ft e m p e r a t u r ef i e l d ，e q u i v a l e n ts t r e s s a n de q u i V a l e n te l a s t i cs t r a i n ，i ti sp r o p o s e dt h a tt h es t m c t u r eo fh o t - f a c eb r i c ki so p t i m a lw h e nt h et h i e k n e s so fh o t - f a c eb r i c ki s18 0m m ，w h i c hi sm o s tc o n d u c i v et oi m p r o v i n gt h es e n ，i c el i f eo fh o t - f a c eb r i c ka n dr e f r a c t o r yl i n i n g ． K e yw o r d s O M Bg a s i f i e r ；r e f h c t o r yl i n i n g ；K - b r i c k ；t e m p e r a t u r e6 e l d ；e q u i V a l e n ts t r e s s ；6 n i t ee l e m e n tm e t h o d 在我国，煤炭在相当长时间内依然是最重要的能 源资源。3J 。由华东理工大学和兖矿集团共同开发 的O M B 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MJ ，该技术是世界气化市场上的领 先技术之一怕J 。目前已在国内外建立5 7 个项目、1 5 8 台气化炉，累积总原料处理能力大于2 0 万t 煤／d ，单 炉最大规模40 0 0L ／d ，O M B 气化炉在大型气化应用 中具有极大优势∞J 。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“ J 。气化炉内高温环境旧。9o 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 用旷⋯。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。有限元法已经广 泛应用于温度场的数值模拟研究。张官正等2 1 采用 A N S Y S 软件研究了矿热炉炉衬中的温度场分布，结 果表明升高炉内温度和增大对流换热系数都会使炉 壁温度升高。吴新华等3 。运用有限元方法研究了烘 烤和盛钢工况下的钢包温度场分布情况，模拟结果与 红外测温法测得的温度分布基本一致。李公法等4 1 研究了材料导热系数对新型钢包温度场的影响，结果 表明钢壳温度随导热系数减小而降低。 此外，利用有限元法进行耐火衬里热应力研究大 多应用于冶金行业。张德臣等纠利用有限元法对高 炉耐火砖的热应力和变形进行平面应力分析，得到了 距热面1 ／3 处出现应力峰值且热面砖热面膨胀较大。 郭志强等钊通过有限元法计算了转炉炉壳受到热载 荷时的热膨胀应力和温度差应力的分布情况，认为在 万方数据 煤炭 学报 总热应力中热膨胀应力所占比例大于温度差应 力。L IG Ⅲ，g f a 等Ⅲ。运用有限元法研究了二维钢包模 型的热膨胀系数、弹性模量及其厚度对钢包温度和应 力场的影响，结果表明钢包内部等效应力随衬罩导热 系数、热膨胀系数、弹性模量的增大而增大，随衬里厚 度增大而减小。随后他们1 1 耻研究了含有纳米绝热材 料的新型钢包的温度场和应力场。结果表明纳米绝 热材料的绝热效果更好，新型钢包的壳体最大温度和 应力均小于传统钢包。x U Ew e l l 1c m g 等㈣对 C O R E x 一3 0 0 0 气化炉拱顶进行了数值模拟分析，研 究了导热系数与热应力之间的关系。结果表明，当内 层衬里和外层衬里的导热系数分别为0 ．9 5 和 0 ．5 0w ／ n ℃ 时，沿径向方向拱顶应力的变化率 最小。 周俊虎等一”利用有限元法计算分析了锅炉水 冷壁渣层变负荷引起的热应力，得出外渣层 未熔 化 的热应力较内部热应力大。陈光等∽1 运用有 限元法建立了喷嘴模型，研究结果表明随着燃烧 器负荷增加，耐火砖热变形增加．外侧空气流速增 加，耐火砖热变形减缓。林伟。产等卫t 4 运J f _ J 有限 元法对气流床气化炉水冷壁的热应力进行r 研 究，结果表明液态渣层不存在热应力，固态渣层的 热应力随温度升高而增大。 综上所述，日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，绝大部分时问气化炉都是处于稳 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卜分重要。笔者针对0 M B 气 化炉的实际工况，运用有限元软件A N s Y s 对正常稳 定运行过程中的工业0 M B 气化炉耐火衬里蚀损较快 的K 砖部位进行分析，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。 l 结构模型 0 M B 气化炉炉壁主要由耐火衬里和钢壳组成， 耐火衬里由热面砖、背衬砖、隔热砖、陶瓷纤维构成。 由于热面砖与炉中还原性气氛、煤渣以及高温环境直 接接触，因此蚀损较快，且不同位置的热面砖蚀损率 不同。K 砖是位于筒体最上部位置的热面砖，具体位 置如图l a 蓝色椭圆区域。简体部位平均蚀损率为 0 ．0 7 6m m ／h ，其中K 砖部位蚀损最快”。。因此，选 择K 砖部位的耐火衬里作为研究对象。 工业上0 M B 气化炉炉内K 砖部位实物如图l 所 示，其中图l a 可以看到K 砖端面是向前突出的斜 一P 。一，． 二 l 习l M B7 i 化炉好、I 勺 F i g ．1P 1 1 y s i 【’a 】 1 i a g J a I l l J f0 M l { g a s i “e 1 ． 面，图l b 为K 砖上方的膨胀缝见蓝色椭圆区域。 图2 为K 砖部位的结构模型，其中热面砖 即K 砖 厚度2 3 0 Ⅲ1 1 背衬砖厚度2 0 0 Ⅲm ，隔热砖厚度 1 0 5n 1 1 ’钢壳厚度8 6m m 。以炉膛c h 心为坐标原点， 垂直高度为y 轴，耐火衬里侧面下底边为戈轴建立坐 标系。研究对象为气化炉运行时稳态条件下的炉内 耐火衬里。由于气化炉炉内的实际工况复杂，因此在 数值模拟计算中对实际工况条件进行了部分简化。， 耐火砖受热膨胀会使预留的膨胀缝被填充，因此假设 砖与砖之问接触无问隙，仅考虑各砖之问的热传导，、 材料物性参数均为各向同性，耐火衬里的导热系数、 热膨胀系数恒定，不随温度而变化。忽略重力和炉内 压力，仅考虑热应力。 一P 斗j 生叶- 陶瓷纤维隔热砖 图20 M B ，i 化炉K 砖部位的结构模型 F 嘻2 s I J l l 1 l L ㈣n 1 0 d e I “K 一㈨ ’ki 1 10 M B g a s m e l ’ 2 边界条件及材料物性参数 耐火衬里及钢壳的温度场可根据下式无热源、稳 态条件下热传导三维微分方程进行计算 羔 A 筠 击 A 嚣 亲 A 翟 。 c ，， 式中，A 为材料导热系数，w ／ n 1 ℃ ；丁为温度，℃； ．r ，y 和为空间坐标值，m m 。 钢壳与周围环境联合传热的边界方程为 氐 『 ， 『2 。 2 A 譬生 ，2k 丁k 一7 1 3 式中，饥为对流一辐射联合换热系数，w ／ m 二 ℃ ； ．为钢壳与周围环境的自然对流换热系 万方数据 第l 期 坊嗥光等多喷嘴对置式气化炉耐火衬里温度及应力场的有限J 已分析 2 7 7 数，w ／ I n 2 ℃ ； ．为辐射换热系数，w ／ m 2 ℃ ； 丁。为钢壳周围环境温度，℃。 对于三维应力场，耐火衬里及钢壳z ，y 和三三个 方向都应满足 孥 孥 孥o a xa va z ⋯ 冬 孥 孥 ，o 4 a 戈a v a 三 “’ 等十孥 孥 ，o 二十』 2 ， I a za va 三 “。 其r } IZZ 和，分别为耐火衬里及钢壳在工，，’和。三 个方向的单位体积力。在该模型上施加初始温度以 及约束条件，得到方程的惟一解。 将工业气化炉K 砖部位热电偶测得的热面砖端 面温度作为传热边界条件，耐火砖之问的传热均视为 热传导。钢壳外表面与周围环境的传热方式主要为 自然对流和辐射的联合传热，对流一辐射联合传热系 数通过经验公式口列计算为1 8 ．3 8w ／ m 2 ℃ ，环境 温度为2 0 ℃。采用热一结构耦合的方法，将温度计 算结果作为结构计算的初始条件。对模型下底面施 加y 轴方向的位移约束，两侧面施加对称约束，钢壳 外表面和热面砖热端面均施加x 轴方向的位移约束。 本研究重点考察了热而砖热端面温度和热而砖厚度 对耐火衬里及钢壳温度分布、等效应力、等效应变和 总变形的影响。 耐火衬里和钢壳的材料物性参数见表l ，图3 为 热面砖、背衬砖和隔热砖的弹性模量及泊松比随温度 升高的变化情况，测试方法为脉冲激振法。 表l 材料物性参数 T a b l el P h y s i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s 材料名称 密度／ g n 。导热系数／ w n ℃ “热膨胀系数／l o 一6 。c 一‘ 弹。r E 模量／ 、hm 松比 热面砖 背衬砖 隔热砖 陶瓷纤维 钢壳 4 ．2 0 3 ．2 0 1 ．4 0 O4 5 78 0 4 ．2 4 ．O O ．8 O ．3 3 7 ．7 70 8 8O 0 1 2 ．5 O 一9 8 0 舟 乱 。 之 型 兰 敏 温度／o C a 热面砖 喇 山 。 是 ～ 型 芷 鞋 网3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 F i g ．3 V a r i a “ no fe l a s l i lm o 【l u h J sa n 【lP i s s o n ’sr a t i oo fh J t f ’a c eh r i 。k ，b a c k u pI r i c k ，h e a ti s 0 1 a t i ‘ nb r i 1 kw i t ht h e i n c l ’e a s eo ft e n l l l e r a t L I l ℃ 万方数据 2 7 8 煤炭 学报 3 结果与讨论 3 ．1 耐火衬里温度和应力场分析 工业上，O M B 气化炉内温度一般为12 5 0 ～ 1 3 5 0 ℃【“。，而热面砖温度较炉膛中心温度低，K 砖 部位热电偶测得热端面平均温度约为l3 0 0 ℃旧卜孙o ， 因此热面砖热端面温度设定为l3 0 0 ℃。以图2 结 构模型尺寸为基础，计算得到耐火衬里和钢壳的温 度、等效应力、等效应变以及总变形分布云图。热面 砖 K 砖 端面拐角处 距下底面4 0m n ， 到钢壳表面 的水平线为P a t } 、1 ，热面砖上部拐角处到下底边垂直 距离为P a t h 2 ，分别从不同角度分析耐火衬里的温度 场、应力场、应变和总变形的变化趋势。 图4 为耐火衬里及钢壳的温度分布云图，图 4 a 为整体耐火衬里及钢壳的温度分布云图，可得 热面砖热端面温度为l3 0 0 ℃时，计算得热面砖与背 衬砖之间温度为1 1 3 1 ．2 ℃，背衬砖与隔热砖之间温 度为9 2 9 ．7 ℃，隔热砖与陶瓷纤维之间温度为 4 4 1 ．8q C ，陶瓷纤维与钢壳之间温度为2 1 4 ．2 ℃，钢 壳外表面温度为2 0 6 ．4 ℃。工业数据测得K 砖位置 处钢壳外表面温度为2 0 0 ～2 3 0 ℃B ⋯，模拟计算结果 能够与工业数据较好吻合。图4 b 为P a t h l 的温度 O 0 ．10 2O ．3 O ．4m a 整体 1 广 兮 d2 O O ．0 7 5O1 5 0O2 2 5O3 0 0 m c P a t h 2 图4 耐火衬里的温度分布云图 F i g ．4T e n l l l P I ’a t u l e I i s n i l u t i 1 1t fr e f l a ‘I t ‘yl i n i n g 分布线，可清晰看到隔热砖和陶瓷纤维降温幅度较 大，这是因为隔热砖和陶瓷纤维导热系数较低，能够 阻隔大量热量，可以有效保护气化炉壳体不超温。由 于钢壳的导热系数较大，钢壳整体温差仅为8 ℃。图 4 c 为P a t l ，2 的温度分布线，可得由点1 到点2 方向 温度逐渐降低，其中热面砖上部拐角处温度最高。 图5 为耐火衬里及钢壳的等效应力分布云图，图 5 a 为整体耐火衬里及钢壳的等效应力分布云图， 可得在K 砖} 二部拐角处出现应力最大值，K 砖上部 整体应力较大为0 ．8 5 0 ～9 ．1 0 0G P a 。图5 b 为 P a t } l 的等效应力分布线，可明显看出热面砖应力 背衬砖应力 钢壳应力 隔热砖应力，其中热面砖、背 衬砖、隔热砖和钢壳的应力分别约为0 ．8 5 0 ，0 ．6 2 0 ， 0 ．0 7 4 ，0 ．4 1 0G P a ，陶瓷纤维的应力几乎为0 。图 5 c 为P a t h 2 的等效应力分布线，可看出由上到下应 力逐渐由3 ．4 0 0 减小到0 ．8 0 0G P a 。 O O ．1O ．2 O ．3O ．4m a 整体 O0 ．1O ．2O _ 3O 4m b P a t h l 11 j ◇ 一2 j OO ．0 7 5O15 00 ．2 2 5 0 ．3 0 0m c P a t h 2 0 3 7 5 8 8 匹 { 3 7 量 2 4 3R 7 9 4 邋 3 4 6 簌 8 9 7 淞 4 4 9 9 4 3 8 3 9 嘣 弱室 韶釜 粥菇 1 0 5 4 1 9 1 2 9 船 黧室 2 5 7 蕊 瓣 0 9 5 8 0 4 图5耐火衬里的等效应力分布五图 r i g ．5E 1 L I i v a l e n ts I I ’P s s 1 i s I l ’i l ，u t i o n ‘J fl P f I ’a c “ I ．yl i n i n g 图6 a 为整体耐火衬里及钢壳的等效应变分布 云图，应变用以描述物体的变形程度。由图6 a 可 知陶瓷纤维处等效应变最大约为0 ．2 l o ，热面砖、背 衬砖和隔热砖的应变非常小不到0 ．0 0 9 ，且热面砖应 变 背衬砖应变 隔热砖应变 钢壳应变，钢壳应变仅 为0 ．0 0 2 。图6 b 为P a t l l l 的等效应变分布线，可得 陶瓷纤维中问处应变最大。图6 c 为P a f l ，2 的等效 应变分布线，可知热面砖拐角处应变最大，由点l 到 几㈠剐俐㈠㈠㈠㈠㈠㈠■■■n㈠U删例__l_二㈠㈠I■■■■㈠㈠U删恻㈠川H㈠㈠ p ＼毯羽 吡雕4 9 4 9 4 9 4如“∞强n眩m钞n㈨nHU㈠●■■■■_ O 8 7 4 9 4 9 4 9 4如“∞强限旺m毂扎雌 ，●●9 8 6 5 4 3 2 O ●3 4 6 8 9 ，3 4 如”然”拍巧M M ∞翌 万方数据 第l 期苏瞬光等多喷嘴对置式。i 化炉耐火衬里温度及应力场的有限冗分析 2 7 9 点2 方向应变从0 ． 3 1 逐渐减小到0 ．0 0 8 。 ■■■■■二二二二] ■■■【二二 OO1 2O3 O 4m a 格体 II j O01O203 4m b P a t l l l 1 1 。心 d 2 ■■【二二二二】■■■■[ 二二二] O【 0 7 5 ．15 002 2 503 01 1 1 c 1P a t h 2 制 翻 校 神 制 倒 耧 神 刚6 耐火衬里的等效应变分布云图 F i g ．6E q u i v a l e J l lP 1 a H “ ‘s t l ‘a i nI I i s t l ．i l L l I i 【 1 1 o fr e I j ’a ‘l o r y l i n i n g 图7 a 为整体耐火衬里及钢壳的总变形分布云 图。工业上O M B 气化炉的热面砖与背衬砖之间一般 留有约3 Ⅱn 的膨胀缝，背衬砖与隔热砖之问留有约 2m m 的膨胀缝。3 ”。- 。由图7 a 可得热面砖绝对变 形量为1 ．9 4m n l 钢壳应力 隔 热砖应力，陶瓷纤维应力几乎为0 。不同热端面温度 下耐火衬里应力变化规律基本一致，热端而温度越 高，耐火衬里及钢壳整体应力越大，尤其是热面砖应 力增加最为明显。当热面砖热端面温度从1 1 0 0 ℃ 升高到l4 0 0 ℃时，热端面应力从0 ．6 8 升高到 1 ．1 0G P a 。 距炉膛中心趴离／m m 图9 不同热晰砖热端面温度下耐火衬o { j 和钢壳的