專利名稱：一種高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法。
背景技術：
高溫反應器內反應過程是一個多操作變量、多過程耦合的復雜反應過程。進一步提高高溫反應器整體操作和控制水平，提高反應器內壁壽命和確保安全生產是關鍵問題。對于反應器內壁而言，工作條件惡劣，存在高溫、高速、高锍氣體沖刷，內壁易被燒損而出現突發性事故。研發高溫反應器內壁腐蝕損壞預先警示方法，可增加反應器內壁渣層邊界辨識的準確度，使操作人員能及時準確判斷反應器內壁腐蝕損壞部位，提高作業率和防止內壁突發性毀損事故；可加深設計與操作人員對反應器內反應過程微觀機理及宏觀規律的理解，整體上提高工程分析、預測和操控能力，提高我國高溫反應過程信息化和數字化的技術水平。
對于反應器內壁溫度及固相渣層厚度(以固體渣初凝點等溫線到耐火磚內表面的水平距離)、附掛固體渣層保護安全，通常憑反應器運行管理人員用手觸摸反應器鋼外殼表面溫度。在內壁設置有冷卻水管時，就用耳貼近鋼外殼表面聽反應器內有無水噴出聲音，或觀測從冷卻水套里流出的冷卻水溫度等經驗來判斷。反應器鋼外殼表面積大，冷卻水套多，環境噪音大，憑人工經驗判斷工作量大不準確，也缺乏科學性，給高溫反應安全操作埋下了隱患。現在國內外檢測高溫反應器內壁腐蝕損壞狀況的方法主要有以下4種1)將反應器內壁耐火層外表面劃分為若干網格點，用熱電偶接觸測量每個網格點溫度，根據傳熱學原理，由外壁測得的溫度判斷反應器內壁腐蝕損壞狀況。2)將熱電阻預埋入反應器內壁內部，當反應器內壁與熱電阻同時被蝕損時，根據電阻值的變化情況來判斷反應器內壁固相邊界形狀。3)鋼鐵行業利用安裝在高爐耐火層外表面的多極板電容傳感器陣列非侵入式檢測高爐爐內壁腐蝕損壞狀況。4)紅外熱像儀檢測反應器鋼外殼表面溫度，由傳熱學原理，判斷反應器內壁腐蝕損壞狀況。
上述方法中，方法1和方法2只能局部地憑經驗檢測反應器內壁腐蝕損壞狀況，方法3由電容傳感器陣列獲取熱圖像是借助了高爐上的焦碳和礦石在介電常數上的差異，故不能移用到高溫反應器上，而方法4紅外熱像儀造價很高。
發明內容
為解決上述高溫反應器內壁溫度和附掛固體渣層厚度測量所存在的技術問題，本發明提供一種準確、速度快、成本較低的高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟1)根據高溫反應器內高溫介質和器底液體混合物類型、物料成分及消耗量、渣锍成分數據由物料化學元素成分計算生成物物相組成，按照質量與能量守恒原理進行單獨物料與能量平衡推理，計算平均煙氣溫度，由平均煙氣溫度乘以一個反映反應器內流場和高溫介質或高溫輻射傳熱不均勻特征的經驗系數，得到不同方位和高度上渣層邊界相連的煙氣溫度。包括熔點、熱導率與熔化潛熱在內的渣物性數據由進入反應器的物料成分及反應器內平均氧勢、噴射流數量和形狀等反應條件決定；2)利用預埋在反應器內壁耐火內襯外表面里的熱電偶獲取反應器內壁在線溫度數據，并以此為依據，通過拉格朗日二次插值方法計算耐火層外表面溫度初始分布；3)建立包括渣層在內的內壁頂截面和側截面的穩態導熱偏微分方程∂∂x(cP·ρ·u·Θ)+∂∂y(cP·ρ·v·Θ)=∂∂x(λ·∂Θ∂x)+∂∂y(λ·∂Θ∂y)+S]]>邊界條件表示為-λ·(Θ/n)s＝αc(Θs-Θf)+αr(Θs-Θf)式中S為源項，Θ為溫度，cP為固體比定壓熱容，ρ為固體密度，u和v分別為煙氣流速在x、y方向的分速度，λ為熱導熱，α為表面傳熱系數，n表示法線方向，下標s表示節點參數，f表示環境參數，c表示對流換熱，r表示輻射換熱。
4)對穩態導熱偏微分方程進行有限差分，再用超松弛迭代法計算包括渣層在內的內壁溫度分布和各個高度的渣層厚度；5)根據固體渣層邊界位置的雙重限制條件Θi,j≥Θmeltqi,j≥qmelt+mcp(Θmelt-Θi,j)]]>推算反應器內壁附掛的固體渣層邊界位置，上式中i，j分別為x，y方向節點的序號，Θi，j為節點(i，j)溫度，cp為比定壓熱容，qi，j為節點(i，j)熱流密度，Θmelt為固體渣層熔化溫度，qmelt為固體渣層熔化的相變潛熱，m為標號為(i，j)的節點所對應的渣相質量；6)將反應器內壁不同高度上的渣層厚度與預警閾值比較判斷后集成反應器內壁耐火材料層腐蝕損壞預先警示信息。
上所述的高溫反應器內壁耐火材料層腐蝕損壞預警方法，所述步驟5)中渣層邊界位置推理規則為溫度高于渣熔化溫度且傳熱量超過渣相變潛熱時，渣層邊界沿反應器外方向變化；溫度低于初凝點且傳熱量超過渣相變潛熱時，渣層邊界沿反應器外方向變化；溫度低于渣初凝溫度而傳熱量不滿足凝固要求或當溫度高于渣熔化溫度而傳熱量小于渣相變潛熱及渣蓄熱之和時，渣邊界位置不變化。
上述的高溫反應器內壁耐火材料層腐蝕損壞預警方法中，所述步驟6)中預警閾值包括“渣層過厚”、“渣層過薄”和“渣層變化速率過大”三種預警閾值。
本發明的有益效果在于本發明用反應器內物質平衡推理及能量平衡推理和變化的固體渣層邊界傳熱數值推理方法，以反應器內壁二維穩態熱場解析推理為基礎，以反應器內壁耐火層外表面溫度在線測定值和高溫反應操作條件為在線推理信息源，內邊界條件耦合反應器內高溫介質或熔體熱場的推理，得到反應器內壁溫度分布和各個高度的固體渣層厚度，再將獲得的反應器內壁溫度分布和各個高度的固體渣層厚度與預先設定的附掛的固體渣層預先警示閾值比較，比較判斷后集成預警信息。本發明方法考慮了固體渣層熔化時存在的過熱現象和液體渣層凝固時存在的過冷現象，比單純的依據與液體渣初凝點溫度的比較來判斷要科學、精確。運用本發明方法能顯示不同生產操作條件下反應器內壁溫度分布及附掛的固體渣層厚度，預測出不同反應操作條件下附掛固體渣層惡化的薄弱壁面方位，在線推理反應器內壁各點溫度及其相應層面的固體渣層厚度，對不同反應條件下反應器內壁固體渣層厚度及其變化的不正常信息報警，解決了高溫反應器內壁附掛固體渣層在線安全監測問題，并減少了維護工作量和突發性反應器內壁毀損事故發生的可能性，反映迅速，能滿足反應現場反應器內壁耐火材料層腐蝕損壞監測的需要。
圖1為本發明中變化的固體渣層邊界位置推理過程的流程圖。
具體實施例方式
本發明的高溫反應器內壁腐蝕損壞預先警示方法包括以下步驟1)、根據反應器內高溫介質和反應器底部液體混合物類型和反應渣及锍成分，物料成分及消耗量等數據完成反應器內物料物相組成換算和反應器內平均煙氣溫度推理。反應器內物料物相組成換算過程為按照假定的物質分子組成，由物料的化學元素成分合理地推算出各物質相應的物相組成。按照質量守恒與能量守恒的原理，進行單獨物料衡算與能量衡算，即遵從所有元素∑輸入系統物質量＝∑系統輸出物質量(∑表示總和)單一元素∑輸入系統該元素物質量＝∑系統輸出該元素物質量反應器整體∑輸入系統能量＝∑系統輸出能量并利用能量平衡推理式Q物料+Q反應＝Q煙氣+Q渣+Q锍+Q冷卻水+ΔQ，其中Q為熱量、Q物料為進入反應器物料總顯熱、Q反應為反應器內化學反應放熱、Q煙氣為煙氣流出反應器而帶走的顯熱、Q渣為液體渣的顯熱、Q锍為液體锍的顯熱、Q冷卻水為內置于反應器內壁耐火材料層內的冷卻水帶走的熱量、ΔQ為通過反應器內壁的反應器與環境之間的熱交換量，可求得反應器內的平均煙氣溫度。考慮由反應器內流場和高溫介質或高溫輻射傳熱不均勻性特征決定的煙氣溫度分布不均勻性系數，將平均煙氣溫度乘以反映反應器內流場和高溫介質或高溫輻射傳熱不均勻特征的經驗系數后可得到反應器內不同方位和高度上煙氣溫度分布。包括熔點、熱導率與熔化潛熱在內的渣物性數據由進入反應器物料成分及反應器內平均氧勢、噴射流數量和形狀等反應條件決定。
2)、根據高溫反應后的固體渣熔點、固體渣熱導率與固體渣相變潛熱，反應器內壁結構尺寸和步驟1)獲得的煙氣溫度分布等數據完成溫度場初始化、溫度場推理和固體渣層邊界位置推理三個功能。
(1)溫度場初始化。通過OPC輸入方式從反應器主控裝置讀取預埋在反應器內壁耐火層外表面眾多熱電偶的在線溫度數據，作為反應器內壁溫度初始化的唯一數據來源。反應器內壁耐火層外表面溫度分布的推理是通過拉格朗日二次插值，利用已知數據點的值來合理地推算除熱電偶以外的耐火層外表面其他位置溫度初始值。其插值推理式為Θx,y=Σk=1n[Θxk,yk·Πj=1j≠kn(y-yjyk-yj)]]]>式中Θ為溫度；x、y為節點x方向、y方向坐標；Θx，y為節點(x，y)的溫度；Θxk，yk為序號為k的節點(xk，yk)的溫度；k為節點序號；n為總節點數；j為節點序號；∏為連乘積。
(2)溫度場推理。選取通過反應器軸線的軸截面為推理對象，表示能量守恒定律的反應器內壁頂部軸截面、側部軸截面的二維穩態固體導熱傳熱偏微分方程可表示為∂∂x(cP·ρ·u·Θ)+∂∂y(cP·ρ·v·Θ)=∂∂x(λ·∂Θ∂x)+∂∂y(λ·∂Θ∂y)+S]]>邊界條件表示為-λ·(Θ/n)s＝αc(Θs-Θf)+αr(Θs-Θf)式中S為源項，Θ為溫度，cP為固體比定壓熱容，ρ為固體密度，u和v分別為煙氣流速在x、y方向的分速度，λ為熱導熱，α為表面傳熱系數，n表示法線方向，下標s表示節點參數，f表示環境參數，c表示對流換熱，r表示輻射換熱。
用有限差分法將導熱傳熱偏微分推理方程轉化為眾多節點的導熱差分推理方程。由于邊界條件以及介質類型的差異，節點的導熱差分推理方程有如下幾種a)反應器內壁頂部軸截面的頂邊界節點推理方程K1·ΔyΔx(Θx-1,1-Θx,1)+K2·ΔyΔx(Θx+1,1-Θx,1)+(K1+K2)·ΔxΔy(Θx,2-Θx,1)=0]]>b)反應器內壁側部軸截面的外邊界節點推理方程K1·ΔxΔy(Θ1,y-1-Θ1,y)+K3·ΔxΔy(Θ1,y+1-Θ1,y)+(K1+K3)·ΔyΔx(Θ2,y-Θ1,y)=0]]>c)反應器內壁側部軸截面的底邊界節點推理方程K3·ΔyΔx(Θx-1,ymax+1-Θx,ymax+1)+K4·ΔyΔx(Θx+1,ymax+1-Θx,ymax+1)+(K3+K4)·ΔxΔy(Θx,ymax-Θx,ymax+1)=0]]>d)反應器內壁對流及輻射邊界節點推理方程K1Δy·Δx2·(ΘX,j+1-ΘX,j)+K3Δy·Δx2·(ΘX,j-1-ΘX,j)+(K1Δx·Δy2+K3ΔxΔy2)]]>·(ΘX-1,j-ΘX,j)+α3·Δy·(Θgas-ΘX,j)+Kr·Δy·(Θgas-ΘX,j)=0]]>e)反應器內壁非水冷區節點推理方程(K1Δx·Δy2+K3Δx·Δy2)·(Θi-1,j-Θi,j)+(K2Δx·Δy2+K4Δx·Δy2)·(Θi+1,j-Θi,j)]]>+(K1Δy·Δx2+K2Δy·Δx2)·(Θi,j-1-Θi,j)+(K3Δy·Δx2+K4Δy·Δx2)·(Θi,j+1-Θi,j)=0]]>f)反應器內壁水冷區節點推理方程(K1Δx·Δy2+K3Δx·Δy2)·(Θi-1,j-Θi,j)+(K2Δx·Δy2+K4Δx·Δy2)·(Θi+1-Θi,j)]]>+(K1Δy·Δx2+K2Δy·Δx2)·(Θi,j-1-Θi,j)+(K3Δy·Δx2+K4Δy·Δx2)·(Θi,j+1-Θi,j)+α2·Δx·Δy·(Θwater-Θi,j)=0]]>
式中Δx、Δy分別為網格x、y方向邊長；K為表觀傳熱系數。下標water表示冷卻水；gas表示煙氣；max表示最大。
采用數值計算推理方法中常規的超松弛迭代推理法求解反應器內壁溫度分布和各個高度的附掛的固體渣層厚度。
(3)反應器內壁附掛的固體渣層邊界位置推理。固體渣層邊界位置必須滿足雙重限制條件Θi,j≥Θmeltqi,j≥qmelt+mcp(Θmelt-Θi,j)′]]>其中i，j分別為x，y方向節點的序號，Θi，j為標號為(i，j)的節點溫度，cp為比定壓熱容，qi，j為標號為(i，j)的節點熱流密度，Θmelt為固體渣層熔化溫度，qmelt為固體渣層熔化的相變潛熱，m為標號為(i，j)的節點所對應的渣相質量。下標melt表示熔化。
反應器內壁附掛的固體渣層邊界位置推理過程如圖1所示。包括固體渣層在內的反應器內壁長度為l，l與節點(i，j)所處的高度有關。當節點(i，j)溫度高于固體渣層熔化溫度且傳熱量超過固體渣層相變潛熱時，節點(i，j)附掛的固體渣層熔化，固體渣層減薄，固體渣層邊界位置沿反應器外方向變化一個控制體邊長Δx的長度；當節點(i，j)溫度低于固體渣層初凝點溫度且傳熱量超過固體渣層相變潛熱時，節點附掛的液體渣層凝結，固體渣層增厚，固體渣層邊界位置沿反應器外方向變化一個控制體邊長Δx的長度；當節點(i，j)溫度低于固體渣層初凝點溫度而傳熱量不滿足液體渣層凝固要求時，液體渣層為過冷渣層。當節點(i，j)溫度高于固體渣層熔化溫度而傳熱量小于固體渣層相變潛熱及固體渣層蓄熱之和時，固體渣層為過熱渣層。液體渣過冷及固體渣過熱時節點附掛的固體渣層將保持現有狀態，固體渣層邊界位置不發生變化。
3)、反應器內壁腐蝕損壞預警信息輸出。設定“固體渣層過厚”、“固體渣層過薄”和“固體渣層變化速率過大”等三種“固體渣層厚度變化異常”預先警示閾值。將步驟2)獲得的不同高度上固體渣層厚度值與固體渣層預警閾值比較，逐一判斷篩選重點監視且指定高度處的監控部位的固體渣層厚度及固體渣層厚度變化率。將固體渣層厚度大于規定的最大渣層厚度，小于規定的最小渣層厚度，和固體渣層厚度變化率大于規定的最大渣層變化率的這些位置附掛的固體渣層有關信息(包括高度、附掛的固體渣層厚度及固體渣層厚度預先警示類型)集成輸出。
4)、準確設置固體渣層熔點、固體渣熱導率與固體渣相變潛熱等物性參數數據，可提高發明精度。當反應器內物料成分及反應器內反應條件(如平均氧勢、噴射流數量和形狀等)有較大變動時，固體渣熔點、固體渣熱導率與固體渣熔化潛熱等物性參數將發生相應飄移，使發明推理精度變差，此時需要對上述參數進行重新推算和修正。
5)、能分析并顯示不同反應操作條件下反應器內壁溫度分布及附掛的固體渣層厚度，預測不同反應條件下固體渣層薄的壁面方位，在線模擬包括渣層在內的反應器內壁各點溫度及其相應層面的固體渣層厚度，對不同反應條件下反應器內壁附掛的固體渣層厚度及其變化的異常信息預先警示。
權利要求
1.一種高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法，包括以下步驟1)根據高溫反應器內高溫介質和反應器底部液體混合物類型、物料成分及消耗量、渣锍成分數據由物料化學元素成分計算生成物物相組成，按照質量與能量守恒原理進行單獨物料與能量平衡推理，計算平均煙氣溫度，由平均煙氣溫度乘以一個反映反應器內流場和高溫介質或高溫輻射傳熱不均勻特征的經驗系數，得到不同方位和高度上渣層邊界相連的煙氣溫度；2)利用預埋在反應器內壁耐火內襯外表面里的熱電偶獲取反應器內壁在線溫度數據，并以此為依據，通過拉格朗日二次插值方法計算耐火層外表面溫度初始分布；3)建立包括渣層在內的內壁頂截面和側截面的穩態導熱偏微分推理方程∂∂x(cP·ρ·u·Θ)+∂∂y(cP·ρ·v·Θ)=∂∂x(λ·∂Θ∂x)+∂∂y(λ·∂Θ∂y)+S]]>邊界條件表示為-λ·(Θ/n)s＝αc(Θs-Θf)+αr(Θs-Θf)式中S為源項，Θ為溫度，cP為固體比定壓熱容，ρ為固體密度，u和v分別為煙氣流速在x、y方向的分速度，λ為熱導熱，α為表面傳熱系數，n表示法線方向，下標s表示節點參數，f表示環境參數，c表示對流換熱，r表示輻射換熱；4)對穩態導熱偏微分推理方程進行有限差分，再用超松弛迭代推理法計算包括渣層在內的內壁溫度分布和各個高度的渣層厚度；5)根據固體渣層邊界位置的雙重限制條件Θi,j≥Θmeltqi,j≥qmelt+mcp(Θmelt-Θi,j)]]>推算反應器內壁附掛的固體渣層邊界位置，其中i，j分別為x，y方向節點的序號，Θi，j為節點溫度，cp為比定壓熱容，qi，j為節點熱流密度，Θmelt為固體渣層熔化溫度，qmelt為固體渣層熔化的相變潛熱，m為標號為(i，j)的節點所對應的渣相質量；6)將反應器內壁不同高度上的渣層厚度與預警閾值比較判斷后集成反應器內壁腐蝕損壞預先警示信息。
2.根據權利1所述的高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法，所述步驟5)中渣層邊界位置推理規則為溫度高于渣熔化溫度且傳熱量超過渣相變潛熱時，渣層邊界沿反應器外方向變化；溫度低于初凝點且傳熱量超過渣相變潛熱時，渣層邊界沿反應器外方向變化；溫度低于渣初凝溫度而傳熱量不滿足凝固要求或當溫度高于渣熔化溫度而傳熱量小于渣相變潛熱及渣蓄熱之和時，渣邊界位置不變化。
3.根據權利1所述的高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法，所述步驟6)中預警閾值包括“渣層過厚”、“渣層過薄”和“渣層變化速率過大”三種預警閾信。
全文摘要
本發明公開了一種高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法，包括以下步驟按照質量與能量守恒原理計算平均煙氣溫度和不同方位和高度上渣層邊界相連的煙氣溫度；利用熱電偶獲取反應器內壁溫度，并以此為依據，通過拉格朗日二次插值方法計算耐火層外表面溫度初始分布；建立包括渣層在內的內壁頂截面和側截面的穩態導熱偏微分推理方程；根據穩態導熱偏微分推理方程計算包括渣層在內的內壁溫度分布和各個高度的渣層厚度；推算反應器內壁附掛的固體渣層邊界位置；將反應器內壁不同高度上的渣層厚度與預警閾值比較判斷后集成反應器內壁腐蝕損壞預先警示信息。本發明了提供一種準確、速度快、成本較低的高溫反應器內壁腐蝕損壞預警方法。
文檔編號C21B7/24GK1975310SQ20061003259
公開日2007年6月6日 申請日期2006年11月16日 優先權日2006年11月16日
發明者艾元方, 陳卓, 梅熾 申請人:中南大學