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^1,4

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

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1 300℃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1 100℃升高到1 400℃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0.68 GPa升高到1.10 GPa,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60 mm增加到230 mm,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180 mm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180 mm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：OMB气化炉;耐火衬里;K砖;温度场;等效应力;有限元法;