一种耐火砖层的厚度、温度的监测装置和监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种耐火砖层的厚度、温度的监测装置和监测方法。该耐火砖层的厚度的监测装置包括待监测炉体相连的测量部件，还包括计算模块I、计算模块II和计算模块III；待监测炉体为气化炉，由内至外依次包括液态熔渣层、耐火砖层和金属壁，耐火砖层由内至外依次包括向火面砖层、背衬砖层和隔热砖层；计算模块I用于通过液态熔渣层流动传热过程的质量守恒方程计算得到液态熔渣层的厚度；计算模块II用于计算穿过所述金属壁的热流密度；计算模块III用于得到向火面砖层、背衬砖层和隔热砖层的厚度。本发明专利技术提供的监测装置和方法通过分析熔渣流动与传热过程，能够准确监测耐火砖层的厚度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种耐火砖层的厚度、温度的监测装置和监测方法


[0001]本专利技术涉及一种耐火砖层的厚度、温度的监测装置和监测方法。

技术介绍

[0002]煤气化技术是当今煤炭等含碳物质清洁高效利用的关键技术之一，是将一次能源转化为洁净二次能源和化学产品的主要途径，该技术主要运用于合成氨、合成甲醇、炼厂制氢、高炉还原炼铁化工冶金行业和联合循环发电装置中。煤气化技术发展经历了固定床气化技术(Lurgi技术、赛鼎气化技术为代表)、流化床气化技术(HTW、Ugas技术为代表)和气流床气化技术(以Texaco、Shell、多喷嘴、HT
‑
L、SE技术为代表)。随着大规模能源安全、清洁、高效转化的技术需求，具有气化温度与压力高、负荷大，煤种适应范围广的气流床煤气化技术成为了煤气化技术发展和工业应用的主要方向。
[0003]在气流床煤气化技术中，高效、可靠的气化炉是整个技术的关键与核心装备。气流床气化炉为条件苛刻的高温高压(4.0～6.5MPa,～1300℃)多相复杂反应器，现有检测手段无法准确、长周期对其进行监控，使得其长时间处于“黑箱”运行状态。按气化炉隔热衬里结构可以分为耐火砖衬里气化炉(如：多喷嘴气化炉、GE气化炉、一代清华炉、多元料浆气化炉)和水冷壁衬里气化炉(如：航天炉、壳牌炉、二代清华炉、GSP炉)等，以水煤浆为原料的煤气化技术一般采用耐火砖衬里气化炉，以粉煤为原料的气化技术一般采用水冷壁衬里气化炉。水煤浆耐火砖衬里气化技术因工艺流程短、气化炉结构简单、热损失小、化学能转化率高等优点，在煤化工领域广泛应用，其在我国现代煤气化技术中的份额约占65％。耐火砖层的厚度是气化炉结构的关键参数之一，在气化炉运行过程中，耐火砖在高温熔渣的侵蚀作用下逐渐蚀损减薄，当耐火砖层厚度小于一定的临界值时，其隔热效果大幅降低，气化炉金属壳体出现超温，进而直接影响气化炉金属壳体的安全。因此工程上急需开发一种能够在线监控气化炉耐火砖层的温度、厚度的系统与方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中无法直接测量高温高压的气化炉内耐火砖层的温度和厚度的缺陷，而提供了一种耐火砖层的厚度、温度的监测装置和监测方法。本专利技术提供的监测装置和方法通过对气化炉中内壁面的熔渣流动与传热过程分析，能够准确监测耐火砖层的厚度，为工业操作带来一定的指导。
[0005]本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
[0006]一种耐火砖层的厚度的监测装置，其包括与待监测炉体相连的测量部件，所述监测装置还包括计算模块I、计算模块II和计算模块III；
[0007]所述测量部件用于测量所述的计算模块I、所述计算模块II和所述计算模块III在运行计算时需要的参数；
[0008]所述待监测炉体为气化炉，由内至外依次包括液态熔渣层、耐火砖层和金属壁，所述耐火砖层由内至外依次包括向火面砖层、背衬砖层和隔热砖层；
[0009]所述计算模块I用于通过所述液态熔渣层流动传热过程的质量守恒方程计算得到所述液态熔渣层的厚度；
[0010]所述计算模块II用于计算穿过所述金属壁的热流密度；
[0011]所述计算模块III用于将穿过所述金属壁的热流密度和所述熔渣层的厚度，均代入基于能量守恒建立的“穿过所述向火面砖层、穿过所述背衬砖层和穿过所述隔热砖层”的热流密度的方程中，分别得到所述向火面砖层、所述背衬砖层和所述隔热砖层的厚度，所述向火面砖层的厚度、所述背衬砖层的厚度和所述隔热砖层的厚度总和即为所述耐火砖层的厚度；
[0012]所述计算模块I与所述计算模块III电连接，用于将计算得到的所述液态熔渣层的厚度传输至所述计算模块III；所述计算模块II与所述计算模块III电连接，用于将计算得到的穿过所述金属壁的热流密度传输至所述计算模块III。
[0013]本专利技术通过气化炉中液态熔渣层的熔渣流动与传热过程分析，基于大气对流换热、环境温度、金属壁的外壁面的温度和气化炉的炉膛内的温度来预测气化炉内耐火砖层的厚度以及各层的厚度。所述气化炉的炉膛内的高温气体通过辐射传热和对流传热将热量传给所述气化炉的内壁面，同时熔渣沉积在所述气化炉的内壁面形成液态的熔渣层。所述气化炉的内壁面吸收传入热量和熔渣沉积代入的热量后，基于热传导，将热量依次传递至耐火砖层和金属壁，最后传给大气。大气的温升量与热传导量、熔渣沉积量、液态熔渣层的厚度有关。因此，通过测量大气的温升，建立所述气化炉的内壁面上熔渣沉积流动、热量传递模型，推算出来所述耐火砖层的厚度。本专利技术中，所述液态熔渣层的熔渣需为液态配合本专利技术中的上述3个不同的计算模块，才能够实现实时准确的测量耐火砖层的厚度。
[0014]本专利技术中，本领域技术人员知晓，所述的测量部件根据所述计算模块I、所述计算模块II和所述计算模块III中在计算过程中所需的参数合理的设置即可。
[0015]例如，所述计算模块I中在计算所述液态熔渣层的厚度的过程中，需要知晓沉积在所述气化炉的内壁面的熔渣量，则相应的需要测量熔渣量的流量计。本领域技术人员知悉，一般通过煤浆流量计或煤粉流量计，获得进入所述气化炉中的干基煤量，再结合灰分测量计测量得到的煤中的灰分含量，计算得到熔渣量。
[0016]例如，所述计算模块II在计算所述金属壁的外壁面传热的热流密度时，需要知晓金属壁的外壁面的温度和环境温度，则需要测温部件1用于测量所述金属壁的外壁面的温度，以及测温部件2用于测量靠近所述金属壁的外壁面的环境温度。所述的测温部件1或所述测温部件2可为热电偶，所述的热电偶例如为红外测温仪。所述测温部件2的个数例如为3个。
[0017]例如，所述计算模块III在计算所述耐火砖层的厚度时，需要知晓所述气化炉的炉膛内靠近内壁面的气体温度，则需要在所述炉膛内设置若干个测温部件3以测量所述炉膛内的温度。所述炉膛内的测温部件例如为2～6个以测量炉膛内从上至下的温度，所述测温部件可为热电偶。
[0018]本专利技术中，所述计算模块I的计算方式较佳地如下所示：
[0019]假设加入所述气化炉的煤经气化反应后产生的70wt.％沉积在所述向火面砖层的内壁面形成所述的液态熔渣层，且分布均匀，所述液态熔渣层中熔渣流动满足牛顿流体流动，对所述液态熔渣层流动传热过程建立的质量守恒的计算公式如方程
①
所示：
[0020][0021]方程
①
中，δ
s,i
是指所述液态熔渣层的厚度，单位为m；ρ
s
为所述液态熔渣层中熔渣的密度；m
in,j
为沉积在所述气化炉的内壁面的熔渣量，单位为kg，其值为m
in,j
＝入炉煤量
×
灰分含量
×
70％；L
i
为所述气化炉中筒体直段的当量周长，单位为m；x为质点在所述液态熔渣层中的位移；i为该点位置的坐标标识，j为从所述气化炉的顶部到i点处的坐标范围，物理意义为第i点的熔渣量为顶部到i点处所有沉积颗粒的和；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐火砖层的厚度的监测装置，其特征在于，包括与待监测炉体相连的测量部件，所述监测装置还包括计算模块I、计算模块II和计算模块III；所述测量部件用于测量所述的计算模块I、所述计算模块II和所述计算模块III在运行计算时需要的参数；所述待监测炉体为气化炉，由内至外依次包括液态熔渣层、耐火砖层和金属壁，所述耐火砖层由内至外依次包括向火面砖层、背衬砖层和隔热砖层；所述计算模块I用于通过所述液态熔渣层流动传热过程的质量守恒方程计算得到所述液态熔渣层的厚度；所述计算模块II用于计算穿过所述金属壁的热流密度；所述计算模块III用于将穿过所述金属壁的热流密度和所述液态熔渣层的厚度，均代入基于能量守恒建立的“穿过所述向火面砖层、穿过所述背衬砖层和穿过所述隔热砖层”的热流密度的方程中，分别得到所述向火面砖层的厚度、所述背衬砖层的厚度和所述隔热砖层的厚度，所述向火面砖层的厚度、所述背衬砖层的厚度和所述隔热砖层的厚度总和即为所述耐火砖层的厚度；所述计算模块I与所述计算模块III电连接，用于将计算得到的所述液态熔渣层的厚度传输至所述计算模块III；所述计算模块II与所述计算模块III电连接，用于将计算得到的穿过所述金属壁的热流密度传输至所述计算模块III。2.如权利要求1所述的耐火砖层的厚度的监测装置，其特征在于，所述计算模块I的计算公式如下：假设加入所述气化炉的煤经气化反应后产生的70wt.％沉积在所述向火面砖层的内壁面形成所述的液态熔渣层，且分布均匀，所述液态熔渣层中的熔渣流动满足牛顿流体流动，对所述液态熔渣层流动传热过程建立的质量守恒的计算公式如方程
①
所示：方程
①
中，δ
s,i
是指所述液态熔渣层的厚度，单位为m；ρ
s
为所述液态熔渣层中熔渣的密度；m
in,j
为沉积在所述气化炉的内壁面的熔渣量，单位为kg/s，其值为m
in,j
＝入炉煤量
×
灰分含量
×
70％；L
i
为所述气化炉中筒体直段的当量周长，单位为m；x为质点在所述液态熔渣层中的位移；v
i
(x)为所述液态熔渣层内的速度分布函数，通过动量方程
②
求出：方程
②
的边界条件为方程
②
中，η
s
为所述液态熔渣层的动力粘度，v为熔渣流动的速率、g为重力加速度、β为熔渣在气化炉内壁面上流动的倾斜角、ρ
s
是指液态熔渣层中熔渣的密度、τ为气化炉的内壁面的剪切力；较佳地，ρ
s
例如为2500kg/m3；较佳地，τ＝0.0303ρ
g
u
02
；ρ
g
是指所述气化炉内合成气的密度、u
02
是指所述液态熔渣层的表面流速；较佳地，η
s
通过熔渣的粘温特性曲线和所述液态熔渣层内的温度分布求出。
3.如权利要求1所述的耐火砖层的厚度的监测装置，其特征在于，所述计算模块II的计算公式如下：q
out，i
＝2πΔzr0(T
m,i
‑
T
air
)h
air,i
ꢀꢀꢀꢀ③
T
m,i
为所述金属壁的外壁面的温度、T
air
为环境温度、h
air,i
为所述金属壁的外壁面与大气的对流传热系数、
△
z为向火面砖层的高度，r0为所述气化炉的半径，所述气化炉的半径是指所述金属壁的外壁面至所述气化炉中心轴线的距离；方程
③
中，h
air
根据如式
④
计算：方程
④
中，h
conv
为自然对流常数、c为所述金属壁的常数；较佳地，h
conv
通过下述方程式
④‑
1计算得到：方程
④‑
1中，L为所述气化炉中筒体直段的高度；所述h
conv
较佳地为2.55W/m2·
K；较佳地，方程
④
中所述c为4.06W/m2·
K4。4.如权利要求1所述的耐火砖层的厚度的监测装置，其特征在于，所述计算模块III中，计算公式如下所示：方程
⑤
中，q
ref,i
＝q
out,i
，T
g,i
为所述气化炉的炉膛内靠近内壁面的气体温度；r3＝r2‑
δ
r,1
,r4＝r3‑
δ
r,2
,r5＝r4‑
δ
r,3
,r6＝r5‑
δ
s,i
；r5为所述向火面砖层的内径、r6为所述液态熔渣层的内径、r4为所述背衬砖层的内径、r3为所述隔热砖层的内径；k
r,1
,k
r,2
,k
r,3
,k
s,i
分别为所述隔热砖层的导热系数、所述背衬砖层的导热系数、所述向火面砖层的导热系数和所述液态熔渣层的导热系数，由物性参数查询得到；δ
r,1
,δ
r,2
,δ
r,3
和δ
s,i
分别为所述隔热砖层的厚度、所述背衬砖层的厚度、所述向火面砖层的厚度和所述液态熔渣层的厚度。5.如权利要求4所述的耐火砖层的厚度的监测装置，其特征在于，所述测量部件包括流量计和灰分测量计，所述流量计为煤浆流量计或煤粉流量计；和/或，所述的测量部件包括测温部件1、测温部件2和测温部件3；所述测温部件1用于测量所述金属壁的外壁面的温度T
m,i
；所述测温部件2用于测量靠近所述金属壁的外壁面的环境温度T
air
；所述测温部件3用于测量所述气化炉的炉膛内靠近内壁面的气体温度T
g,i
；所述测温部件1、所述测温部件2或所述测温部件3例如为热电偶，所述热电偶较佳地为红外测温仪；和/或，所述隔热砖层和所述金属壁之间还包括耐火棉层；当所述隔热砖层和所述金属壁之间还包括耐火棉层时，所述的监测装置还包括计算所述耐火棉层和所述金属壁的厚度，将如下式代入所述方程
⑤
中即可：r0＝r
m
,r1＝r0‑
δ
m
,r2＝r1‑
δ
r,c
，其中，r2为所述耐火棉层的内径、r1为所述金属壁的内
径、r0为所述气化炉的半径；k
m
，k
r,c
分别为所述金属壁的导热系数、所述耐火棉层的导热系数，由物性参数查询得到，其中，k
r,1
＝k
r,c
，k
r,0
＝k
m
；δ
m
，δ
r,c
分别为所述金属壁的厚度、所述耐火棉层的厚度。6.一种耐火砖层的温度的监测装置，其特征在于，其包括如权利要求1～5中任一项所述的耐火砖层的厚度的监测装置和计算模块IV，所述计算模块IV用于建立如下所述的能量守恒方程：q
out，i
×
A
m
＝q
ref1
×
A
r1
＝q
ref2
×
A
r2
＝q
ref3
×
A
r3
＝q
refs
×
A
s
ꢀꢀꢀꢀ⑥
方程
⑥
中，q
out,i
、q
ref1
、q
ref2
、q
ref3
、q
refs
分别是指穿过所述金属壁的热流密度、所述隔热砖层的热流密度、所述背衬砖层的热流密度、所述向火面砖的热流密度和所述液态熔渣层的热流密度；A
m
、A
r1
、A
r2
、A
r3
、A
s
分别是指所述金属壁的径向传热面积、所述隔热砖层的径向传热面积、所述背衬砖层的径向传热面积、所述向火面砖层的径向传热面积和所述液态...

【专利技术属性】
技术研发人员：许建良，刘海峰，于广锁，王辅臣，王亦飞，陈雪莉，代正华，赵辉，李伟锋，梁钦锋，郭晓镭，郭庆华，王兴军，刘霞，陆海峰，龚岩，沈中杰，丁路，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：