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气化炉托砖盘有限元分析设计与结构优化

更新时间:2009-03-28

在现代煤化工中,气流床气化技术占有主导地位,其中气化炉是煤气化技术的核心设备,优化其结构型式、提高效率对整个气化装置的长期安全稳定运行起着至关重要的作用 [1-2]

托砖盘在气化炉中主要有以下几方面作用:①对反应室与激冷室之间进行物理隔离,使粉煤与氧气、蒸汽在相对独立的空间内进行有效的高温气化反应,且维持一定的反应深度;② 为激冷区提供相对独立的空间,以便反应产物与冷却介质充分接触、降温,并有效分离;③ 反应室内耐火材料和激冷室内件支撑结构。可见托砖盘结构设计在气化炉设计中非常重要。

反应室与激冷室的功能划分与结构原因,导致托砖盘存在较大总体温差,托砖盘上下两侧存在一定压差,托砖盘本身结构不连续,支撑件温度沿衬里厚度变化等,将导致托砖盘内应力分布不均。另外,激冷室降温洗涤后的粗合成气夹带的灰份会积聚在激冷室侧托砖盘底部气流流动性差的区域,导致局部区域温度上升,这些因素都存在致使托砖盘结构破坏失效的可能 [3-4],是托砖盘设计中需要着重考虑的方面。

ANSYS Workbench软件在结构有限元分析方面非常成熟,能够很好地用于研究热固耦合结构应力,本文应用该软件对托砖盘结构进行了分析及优化 [5-6]

读者权利在 《教育法》里也有相应的法律规范,比如,第九条规定中华人民共和国公民有受教育的权利和义务。公民不分民族、种族、性别、职业、财产状况、宗教信仰等,依法享有平等的受教育机会。第四十二条规定受教育者享有下列权利:参加教育教学计划安排的各种活动,使用教育教学设施、设备、图书资料。

1 气化炉结构

某项目气化炉为立式、多段圆筒形、中压、高温反应容器。设备总高在10 m以上,多段承压壳体中直径最大的约为1.9 m。气化炉主要结构为以托砖盘为分界的上部反应室和下部激冷室,反应室内衬耐火材料,以隔绝高温操作环境,外部设置水夹套,以确保当炉内耐火材料破坏时,承压壳体壁温不超过设计温度;激冷室则由高合金内件和内衬不锈钢的承压壳体构成。托砖盘结构示意见图1。

初检共获得文献2 550篇,阅读标题及摘要后初步排除文献2 403篇,得到147篇文献,排除综述及个案报道、未获得全文的研究等,最终纳入14 篇文献[3,5-6,10-20],共计13 740例患者,其中试验组2 356例、对照组11 384例。文献筛选流程见图1,纳入研究基本信息见表1。

  

图1 托砖盘结构Fig.1 Schematic plot of refractory-brick-support plate

针对托砖盘的实际操作工况,可忽略风与地震的影响,该局部结构所受荷载及约束主要包括:

 

表1 主要部件许用应力Tab.1 Allowable Stress of Main Components

  

部件 许用应力 Sm / MPa反应室承压壳体 157.4(210℃)Y型件(锻件)147.0(300℃)托砖盘 153.0(300℃)锥盘 153.0(300℃)外环 153.0(300℃)激冷室承压壳体 143.0(300℃)

2 有限元模型的建立及加载

2018年7月29日,瑞士钟表行业还在集体度假中,又是一个星期天,没想到斯沃琪集团老板小海耶克(Nick Hayek)突然宣布要“退群”。

  

图2 托砖盘结构有限元简化模型Fig.2 Computation model of the refractory-brick-support plate of gasif i er

综合考虑各部件的操作及设计条件、介质特性以及结构特点,通过合理选材以降低设备的制造成本,相关主要部件选材许用应力见表1所示。

(1)反应室承压壳体表面内压4.1 MPa;激冷室承压壳体表面内压4.0 MPa;

(4)约束:反应室筒体上截面施加垂直于平面的0位移约束,两侧面断面对称约束;

(2)托砖盘上的炉砖重量产生的压力0.36 MPa;

(3)激冷室筒体下截面施加内压引起的轴向等效拉力:

根据试点专业改革方案,实施对专业建设的全过程管理,不断修订、改进和完善改革方案,形成持续改进的动态调控机制,并据此进行年度考核、检查和验收。

为对照组的患者采用常规护理进行护理,主要包括三点,第一点对患者进行心理支持,积极地安慰和劝告患者,使其心态平稳。第二点对患者进行24小时的监控,监控患者的生命体征,持续注意患者的意识是否清醒,一旦患者的生命体征小时后者病情加重要做到随时展开急救。第三点碓冰人的细致护理,ICU中的患者大多无法自我活动,对于身体上的痛苦无法主动描述,医护人员需要定是对患者问询,为患者翻身,防止单侧肢体受压迫时间过长产生压疮,还要避免类似反流现象的发生,为患者减轻痛苦。

托砖盘内部与耐火隔热材料接触,外环边缘与锥盘焊接,托砖盘及其筋板的导热作用一方面将使锥盘的总体温度升高;另一方面将使该部件的温度梯度增加,通过分析发现最内层耐火材料的厚度和高度改变可影响该部位温度分布,但由于整炉结构尺寸影响,耐火材料厚度增加存在限制,通过对比内层100 mm厚耐火材料不同高度情况下托砖盘、锥盘的温度分布(图5、6所示),可见伴随内层耐火材料高度增加,托砖盘最高温度及温度梯度均下降,而下降趋势逐渐减弱,综合反应室空间、耐火材料费用等因素,进而确定较适宜的最内层耐火材料厚度及高度。

  

图3 固定约束与一次载荷Fig.3 Constraints and primary loads

对结构施加的热载荷如图4所示,模型采用三维实体单元进行稳态传热分析。

  

图4 结构热载荷Fig.4 Thermal loads of the structure

3 结构分析与比较

3.1 结构对温度场分布影响

(5)气化室承压壳体外壁水夹套的物理降温作用,通过简化水的自然对流传热作用,确定传热系数。

通过对托砖盘模型叠加稳态传热分析计算得到的温度场(见图7)与不叠加温度场两种情况进行结构应力分析对比,发现在施加温度载荷后,由于温度场分布的影响,导致此处局部应力强度分布情况发生了明显变化。最大应力强度从Y型件下侧内壁表面移至了上侧内壁表面。可见由于温度的影响,使得Y型件下侧应力有所改善而上侧应力增大,其应力分布如图8所示。

托砖盘在结构上为轴对称型式,其约束和载荷同样具有轴对称的特性,故截取整体的30°进行三维建模、网格划分和应力分析,在Ansys Workbench软件中建立三维模型如图2。

  

图5 内层耐火材料高度对托砖盘最高温度影响Fig.5 The effect of the inner refractory height on the maximum temperature of the structure

  

图6 内层耐火材料高度对托砖盘温度梯度影响Fig.6 The effect of the inner refractory height on the temperature gradient of the structure

3.2 温度场对结构内应力分布的影响

二是区域差异的形成原因。既有研究发现:地理环境、制度政策、供给、人文社会等多重因素导致了广东区域经济发展差异。陈淳、肖玲将广东区域经济差距归因于自然条件、政策和社会、产业结构、人口素质、基础设施等差异。[6]陈洪将其归因于包括经济制度、人文因素、地理位置、产业基础、政策、观念、产业价值链低端、技术等多种主观、客观因素长期锁定的综合结果。[7]杨英将其归因于改革开放以来广东利用区位条件和政策优势形成了“单极驱动”的发展模式和相应的空间格局。[8]王少剑等认为全球化、简政放权和固定资产投资是影响广东省区域经济发展的三个核心驱动因素,市场化、城镇化水平和储蓄水平是辅助驱动因素。[9]

  

图7 托砖盘结构温度场分布Fig.7 Temperature distribution of the refractory-brick-support plate

  

图8 应力强度分布Fig.8 Stress distribution with temperature field

对两个位置沿壳体壁线性化见图9,图10~13为线性化结果,对比可见温度场作用导致局部应力增大明显,而由于温度场分布特点及各部位膨胀量的区别,使得弯曲应力分布发生变化,锻件下侧膜应力加弯曲应力发生明显改变,总应力降低;而上侧膜应力与弯曲应力均同向增大,致使总应力增大。

  

图9 两个位置沿壳体壁线性化图Fig.9 Linearized position on key location

  

图10 Path_a仅结构载荷作用Fig.10 Path_a structure loads only

  

图11 Path_a结构载荷与温度载荷共同作用Fig.11 Path_a thermal-structure coupling loads

  

图12 Path_b 仅结构载荷作用Fig.12 Path_b sturcture loads only

  

图13 Path_b结构载荷与温度载荷共同作用Fig.13 Path_b thermal-structure coupling loads

由此判断,该结构的应力评定必须考虑整体温度场分布的影响。

3.3 各部件连接形式对应力分布影响

针对结构中托砖盘与筋板结构的分析,发现锥盘与托砖盘之间的筋板与锥盘及托砖盘同时焊接时会导致筋板与锥盘焊接根部产生较大的峰值应力(见图14);而当筋板仅与锥盘焊接时,应力分布明显好转(见图15),因此可以认为结构优化设计上,筋板仅与下部锥盘焊接而与托砖盘搭接更为合理。

  

图14 筋板与锥盘及托砖盘同时焊接应力云图Fig.14 Stress distribution while the ribs welded with the cone and the tray

  

图15 筋板仅与锥盘焊接应力云图Fig.15 Stress distribution while the ribs welded with the cone only

3.4 托砖盘膨胀槽作用

托砖盘根部与锥体焊接,由于其径向存在较高的温度梯度,导致托砖盘内外侧的周向膨胀量不同,托砖盘内部会产生较大的温差应力,内侧相对外侧温度高,膨胀受限-受压,托砖盘将由此失稳发生褶皱进而导致上部耐火砖变形、错位引起隔热失效。为此托砖盘内侧开设膨胀槽:一方面采用整体板有利于托砖板的水平度,另一方面可以消除设备结构件引起的温差应力对受压件-锥盘的影响(见图16)。进一步通过分析计算可以发现开槽根部导圆处将产生较大的峰值应力(见图17),如果多次反复加载很可能导致托砖盘从该位置开裂。故该结构需考虑开槽结构对应力集中的影响。

图18为底层托砖盘开槽宽度10 mm,不同开槽深度与膨胀槽根部集中应力的关系,可见该位置集中应力随开槽深度的增加而降低,可见适当增加开槽深度可以改善托砖盘结构应力。

3 结论

  

图16 整体结构托砖盘作用锥盘上应力分布Fig.16 Stress distribution while integrated tray on the cone

  

图17 托砖盘膨胀槽根部集中应力云图Fig.17 Stress distribution on the swell gap of the tray

本文采用Ansys Workbench软件对气化炉托砖盘进行了应力分析及结构优化:针对温度场叠加与否做了比较,认为温度场对该结构的影响不容忽视,应力评定应将温度载荷考虑在内;对于托砖盘、锥盘、筋板的连接形式及托砖盘形式结构进行了分析与优化,认为筋板仅与锥盘焊接而与托砖盘搭接对结构应力分布有较好的效果;托砖盘采用整体内侧开槽结构对锥盘降低峰值应力起到了较好的作用,开槽根部存在着较高应力集中,膨胀槽根部应设圆角,随开槽深度的增加可有效缓解应力集中。

  

图18 托砖盘膨胀槽深度对集中应力影响Fig.18 The effect of the swell gap depth on the maximum stress

参考文献

[1]赵麦玲. 煤气化技术及各种气化炉实际应用现状综述[J]. 化工设计通讯, 2011,37(1):8-15.

[2]郭文元,段新群,蒋自平. 大型粉煤气化炉关键部件结构应力分析研究 [J]. 大氮肥, 2009,32(6):406-410.

[3]张克锋,陶志远. 激冷环结构的改进[J]. 化肥工业,2008,35(5):67-69.

[4]张希海,徐延梅. 水煤浆气化炉托砖板损坏原因分析及技改方案[J]. 化肥设计,2012,50(4):49-52.

[5]浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M]. 北京:中国水利水电出版社,2010.

[6]许京荆. ANSYS WORKBENCH 工程实例详解[M]. 北京:人民邮电出版社,2015.

[7]王晓. 气化炉筒体破裂失效原因分析及安全评定[D]. 上海:华东理工大学,2013.

[8]杨国政,基于ANSYS斜锥壳固定管板釜式重沸器有限元分析[D]. 天津:河北工业大学,2007.

[9]JB 4732—1995,钢制压力容器分析设计标准[S].

 
安冬旭,王琥,隋建伟
《化工设备与管道》 2018年第01期
《化工设备与管道》2018年第01期文献
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