水煤浆气化炉耐火衬里瞬态温度场与应力场分析

摘要

耐火衬里是多喷嘴对置式(OMB)水煤浆气化炉的关键组成部件,气化炉内剧烈的温度变化会使耐火衬里产生很大的瞬态热应力,导致砖体开裂甚至剥落。为提高耐火衬里的使用寿命,期望对耐火砖的性能进行原位观察,然而,炉内的极端环境使得很难通过在线测试和实验手段对其内部进行研究。通过数值模拟方法,可以不受极端条件的限制,研究耐火衬里在气化炉运行期间遇到的一些问题。以某OMB水煤浆气化炉为对象,建立了K砖部位耐火衬里的有限元分析模型,综合考虑材料参数随温度变化的影响,对烘炉、开车和停车阶段耐火衬里产生的瞬态温度场及应力场分布进行计算分析。结果表明,气化炉烘炉过程中热流从热面砖逐渐向钢壳传递,由于传热的滞后性,当热面砖温度达到1300℃后,耐火衬里整体温度场还需60 h才能达到稳态;对于所有计算工况,结构最大热应力都出现在热面砖顶部弯曲处,耐火衬里瞬态应力场与温度场变化规律相一致,说明热应力大小与温度梯度有关,温度梯度越大,热应力变化越剧烈;气化炉停车降温过程中产生的拉应力是导致耐火衬里产生裂纹的直接原因,在气化炉频繁的开停车过程中,耐火衬里不断受到拉压应力的交互作用,是导致其发生断裂的根本原因;在气化炉开车和停车过程中操作温度不宜过高,应在保证气化炉正常运行的情况下尽可能维持较低的操作温度。数值仿真结果进一步为气化炉耐火衬里的工况优化及安全稳定运行提供有效参考。