煤气化炉水冷壁振打除灰的力学性能优化.pdf

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1、170化工机械2012拄煤气化炉水冷壁振打除灰的力学性能优化棘发现+1郑小涛2喻丸阳2郑贤中2徐建民2(1．河南开祥化工有限公司；2．武汉工程大学)摘要分析了煤气化炉水冷壁在弹簧预压及冲击栽荷下的应力响应状态，根据水冷壁最小受力原则，设计了砧板沿水冷壁的固定边界。结果表明：优化设计方案Ⅲ能明显改善结构的应力状态；弹簧预压栽荷对疲劳强度影响较小，但可显著改善机械振打器的密封性能；优化振打除灰的冲击时间能够提高结构的疲劳强度。关键词气化炉疲劳强度等效应力ANSYS中图分类号TQ052．6文献标识码A文章编号0254

2、-6094(2012)02-0170-05中国电力工业以燃煤发电为主⋯，而现有的洁净煤发电技术在提高效率和减少污染物排放方面尚未达到“绿色煤电”的要求。基于此目的，西安热工研究院研发了拥有自主知识产权的煤气化技术。煤在气化过程中，气化炉水冷壁传热面容易积灰，当积灰达到一定厚度就会影响传热，不能保证生产的正常运行。但冷却段合成气压力大，温度高(250～900％，4MPa)旧1，常用的高压蒸汽、燃气脉冲及声波等清灰方式由于压力不足而无用武之地。目前，武汉工程大学研发的可在高温高压条件下操作的机械振打器”1，解决了这

3、一难题。国内外对振打除灰方面的研究主要集中在静电除尘方面，如KhanZHHl研究了筛分静电除尘器顶部冲击力对振打除灰的影响。MiloualF和Tilmatine

4、AEs]研究了圆筒结构静电除尘中烟尘量、振打时间、振打部位和振打力对除灰效果的影响。我国陈康元等‘6“叫系统地研究了电磁振打除尘的最佳加速度和激振周期。另外，在机械振打除尘方面主要是落锤振打，如何闻¨u研究了附蝶形弹簧落锤振打器的冲击力，得出具有丰富低频分量的脉冲激励得到较好的除灰效果。但撞击杆振打除尘方面的研究较少。为此，笔者拟研究膜式水冷壁在冲击载

5、荷及弹簧预压作用下的力学行为，以期提高水冷壁结构的疲劳强度和机械振打器的可靠性。：1水冷壁模型1．1几何模型膜式水冷壁采用管一翅片一管结构，通过焊接连成一个整体，结构尺寸如图1所示。笔者采用56根水冷管(厚度为5ram，中径为25ram)与翅片(厚度为5mm)连接成半径为0．6m，高lOm的膜式水冷壁结构。图1水冷壁结构煤气化炉由内筒和外筒两部分组成，包括膜式水冷壁、环形空间和高压容器外壳。环形空间的气体压力与水冷壁内压基本一致，使水冷壁仅承受微小压差；考虑到热应力及除灰的影响和水冷壁轴向自由悬挂，还将充分考虑

6、振打器冲击及弹簧预压作用。为简化分析，将弹簧预压力直接施加在附于水冷壁的砧板上。{林发现，男，1963年5月生，高级工程师。河南省义马市，472300。第39卷第2期化工机械17l1．2有限元模型笔者采用有限元软件ANSYS’进行分析(．图2)。其中，水冷壁(管、翅片)采用SHELLl81单元，砧板通过质量单元mass21耦合在水冷壁上，弹簧单元采用combinel4单元，外端与质量单元mass21连接施加位移约束(预压)，另一端连接在砧板上。图2水冷壁有限单元模型由于结构对称，采用1／2模型进行分析，两端采用

7、简支约束，但底端不约束轴向位移，共采用了47040个壳单元。冲击力施加在砧板的质量单元上，预压位移施加在弹簧末端的质量单元上。弹簧刚度为20．3N／mm，砧板质量为10kg，水冷壁弹性模量为211GPa，泊松比为0．3，材料密度均为7850kg／m3。2砧板设计机械振打器的撞击杆由弹簧预压在附于水冷壁的砧板上，但砧板的结构及安装尺寸对水冷壁的力学行为有重要影响。由于水冷壁结构受反复冲击作用，为提高水冷壁的疲劳强度，应使单次载荷水冷壁所承受的等效应力尽量小。笔者根据砧板在实际工程中的常用尺寸范围和形状，比较了4种

8、圆形砧板的尺寸与布局方案(图3)。图3砧板结构沿水冷壁周向设计方案在弹簧预压和冲击载荷下，水冷壁的应力状态处于弹性范围内，其最大等效应力与载荷成正比。为方便分析，针对4种方案的结构在弹簧预压载荷下(压缩量为10cm)的应力状态如图4～7所示。图4砧板设计方案I图5砧板设计方案Ⅱ隧图6砧板设计方案Ⅲ星缀16E-u器9冒mE+c7量雌15E．．

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10、大等效应力在管壁上，方案Ⅲ的最大等效应力为18．4MPa，方案I、Ⅱ和Ⅳ与之相比，最大等效应力分别减少了21．99％、28．96％和6．60％，4种方案的最大等效应力列于表1。结果表明，方案Ⅲ可明显减小水冷壁的受力状态，即在同等条件下，方案Ⅲ具有较高的疲劳强度。另外，方案Ⅳ的最大等效应力大于方案Ⅲ的，说明砧板沿水冷壁周向的边界尺寸增大并不一定改善结构的应力状态。表14种方案的最大等效应