专利名称：一种高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法
技术领域：
本发明涉及一种高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法。
背景技术：
高温反应器内反应过程是一个多操作变量、多过程耦合的复杂反应过程。进一步提高高温反应器整体操作和控制水平，提高反应器内壁寿命和确保安全生产是关键问题。对于反应器内壁而言，工作条件恶劣，存在高温、高速、高锍气体冲刷，内壁易被烧损而出现突发性事故。研发高温反应器内壁腐蚀损坏预先警示方法，可增加反应器内壁渣层边界辨识的准确度，使操作人员能及时准确判断反应器内壁腐蚀损坏部位，提高作业率和防止内壁突发性毁损事故；可加深设计与操作人员对反应器内反应过程微观机理及宏观规律的理解，整体上提高工程分析、预测和操控能力，提高我国高温反应过程信息化和数字化的技术水平。
对于反应器内壁温度及固相渣层厚度(以固体渣初凝点等温线到耐火砖内表面的水平距离)、附挂固体渣层保护安全，通常凭反应器运行管理人员用手触摸反应器钢外壳表面温度。在内壁设置有冷却水管时，就用耳贴近钢外壳表面听反应器内有无水喷出声音，或观测从冷却水套里流出的冷却水温度等经验来判断。反应器钢外壳表面积大，冷却水套多，环境噪音大，凭人工经验判断工作量大不准确，也缺乏科学性，给高温反应安全操作埋下了隐患。现在国内外检测高温反应器内壁腐蚀损坏状况的方法主要有以下4种1)将反应器内壁耐火层外表面划分为若干网格点，用热电偶接触测量每个网格点温度，根据传热学原理，由外壁测得的温度判断反应器内壁腐蚀损坏状况。2)将热电阻预埋入反应器内壁内部，当反应器内壁与热电阻同时被蚀损时，根据电阻值的变化情况来判断反应器内壁固相边界形状。3)钢铁行业利用安装在高炉耐火层外表面的多极板电容传感器阵列非侵入式检测高炉炉内壁腐蚀损坏状况。4)红外热像仪检测反应器钢外壳表面温度，由传热学原理，判断反应器内壁腐蚀损坏状况。
上述方法中，方法1和方法2只能局部地凭经验检测反应器内壁腐蚀损坏状况，方法3由电容传感器阵列获取热图像是借助了高炉上的焦碳和矿石在介电常数上的差异，故不能移用到高温反应器上，而方法4红外热像仪造价很高。
发明内容
为解决上述高温反应器内壁温度和附挂固体渣层厚度测量所存在的技术问题，本发明提供一种准确、速度快、成本较低的高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤1)根据高温反应器内高温介质和器底液体混合物类型、物料成分及消耗量、渣锍成分数据由物料化学元素成分计算生成物物相组成，按照质量与能量守恒原理进行单独物料与能量平衡推理，计算平均烟气温度，由平均烟气温度乘以一个反映反应器内流场和高温介质或高温辐射传热不均匀特征的经验系数，得到不同方位和高度上渣层边界相连的烟气温度。包括熔点、热导率与熔化潜热在内的渣物性数据由进入反应器的物料成分及反应器内平均氧势、喷射流数量和形状等反应条件决定；2)利用预埋在反应器内壁耐火内衬外表面里的热电偶获取反应器内壁在线温度数据，并以此为依据，通过拉格朗日二次插值方法计算耐火层外表面温度初始分布；3)建立包括渣层在内的内壁顶截面和侧截面的稳态导热偏微分方程∂∂x(cP·ρ·u·Θ)+∂∂y(cP·ρ·v·Θ)=∂∂x(λ·∂Θ∂x)+∂∂y(λ·∂Θ∂y)+S]]>边界条件表示为-λ·(Θ/n)s＝αc(Θs-Θf)+αr(Θs-Θf)式中S为源项，Θ为温度，cP为固体比定压热容，ρ为固体密度，u和v分别为烟气流速在x、y方向的分速度，λ为热导热，α为表面传热系数，n表示法线方向，下标s表示节点参数，f表示环境参数，c表示对流换热，r表示辐射换热。
4)对稳态导热偏微分方程进行有限差分，再用超松弛迭代法计算包括渣层在内的内壁温度分布和各个高度的渣层厚度；5)根据固体渣层边界位置的双重限制条件Θi,j≥Θmeltqi,j≥qmelt+mcp(Θmelt-Θi,j)]]>推算反应器内壁附挂的固体渣层边界位置，上式中i，j分别为x，y方向节点的序号，Θi，j为节点(i，j)温度，cp为比定压热容，qi，j为节点(i，j)热流密度，Θmelt为固体渣层熔化温度，qmelt为固体渣层熔化的相变潜热，m为标号为(i，j)的节点所对应的渣相质量；6)将反应器内壁不同高度上的渣层厚度与预警阈值比较判断后集成反应器内壁耐火材料层腐蚀损坏预先警示信息。
上所述的高温反应器内壁耐火材料层腐蚀损坏预警方法，所述步骤5)中渣层边界位置推理规则为温度高于渣熔化温度且传热量超过渣相变潜热时，渣层边界沿反应器外方向变化；温度低于初凝点且传热量超过渣相变潜热时，渣层边界沿反应器外方向变化；温度低于渣初凝温度而传热量不满足凝固要求或当温度高于渣熔化温度而传热量小于渣相变潜热及渣蓄热之和时，渣边界位置不变化。
上述的高温反应器内壁耐火材料层腐蚀损坏预警方法中，所述步骤6)中预警阈值包括“渣层过厚”、“渣层过薄”和“渣层变化速率过大”三种预警阈值。
本发明的有益效果在于本发明用反应器内物质平衡推理及能量平衡推理和变化的固体渣层边界传热数值推理方法，以反应器内壁二维稳态热场解析推理为基础，以反应器内壁耐火层外表面温度在线测定值和高温反应操作条件为在线推理信息源，内边界条件耦合反应器内高温介质或熔体热场的推理，得到反应器内壁温度分布和各个高度的固体渣层厚度，再将获得的反应器内壁温度分布和各个高度的固体渣层厚度与预先设定的附挂的固体渣层预先警示阈值比较，比较判断后集成预警信息。本发明方法考虑了固体渣层熔化时存在的过热现象和液体渣层凝固时存在的过冷现象，比单纯的依据与液体渣初凝点温度的比较来判断要科学、精确。运用本发明方法能显示不同生产操作条件下反应器内壁温度分布及附挂的固体渣层厚度，预测出不同反应操作条件下附挂固体渣层恶化的薄弱壁面方位，在线推理反应器内壁各点温度及其相应层面的固体渣层厚度，对不同反应条件下反应器内壁固体渣层厚度及其变化的不正常信息报警，解决了高温反应器内壁附挂固体渣层在线安全监测问题，并减少了维护工作量和突发性反应器内壁毁损事故发生的可能性，反映迅速，能满足反应现场反应器内壁耐火材料层腐蚀损坏监测的需要。
图1为本发明中变化的固体渣层边界位置推理过程的流程图。
具体实施例方式
本发明的高温反应器内壁腐蚀损坏预先警示方法包括以下步骤1)、根据反应器内高温介质和反应器底部液体混合物类型和反应渣及锍成分，物料成分及消耗量等数据完成反应器内物料物相组成换算和反应器内平均烟气温度推理。反应器内物料物相组成换算过程为按照假定的物质分子组成，由物料的化学元素成分合理地推算出各物质相应的物相组成。按照质量守恒与能量守恒的原理，进行单独物料衡算与能量衡算，即遵从所有元素∑输入系统物质量＝∑系统输出物质量(∑表示总和)单一元素∑输入系统该元素物质量＝∑系统输出该元素物质量反应器整体∑输入系统能量＝∑系统输出能量并利用能量平衡推理式Q物料+Q反应＝Q烟气+Q渣+Q锍+Q冷却水+ΔQ，其中Q为热量、Q物料为进入反应器物料总显热、Q反应为反应器内化学反应放热、Q烟气为烟气流出反应器而带走的显热、Q渣为液体渣的显热、Q锍为液体锍的显热、Q冷却水为内置于反应器内壁耐火材料层内的冷却水带走的热量、ΔQ为通过反应器内壁的反应器与环境之间的热交换量，可求得反应器内的平均烟气温度。考虑由反应器内流场和高温介质或高温辐射传热不均匀性特征决定的烟气温度分布不均匀性系数，将平均烟气温度乘以反映反应器内流场和高温介质或高温辐射传热不均匀特征的经验系数后可得到反应器内不同方位和高度上烟气温度分布。包括熔点、热导率与熔化潜热在内的渣物性数据由进入反应器物料成分及反应器内平均氧势、喷射流数量和形状等反应条件决定。
2)、根据高温反应后的固体渣熔点、固体渣热导率与固体渣相变潜热，反应器内壁结构尺寸和步骤1)获得的烟气温度分布等数据完成温度场初始化、温度场推理和固体渣层边界位置推理三个功能。
(1)温度场初始化。通过OPC输入方式从反应器主控装置读取预埋在反应器内壁耐火层外表面众多热电偶的在线温度数据，作为反应器内壁温度初始化的唯一数据来源。反应器内壁耐火层外表面温度分布的推理是通过拉格朗日二次插值，利用已知数据点的值来合理地推算除热电偶以外的耐火层外表面其他位置温度初始值。其插值推理式为Θx,y=Σk=1n[Θxk,yk·Πj=1j≠kn(y-yjyk-yj)]]]>式中Θ为温度；x、y为节点x方向、y方向坐标；Θx，y为节点(x，y)的温度；Θxk，yk为序号为k的节点(xk，yk)的温度；k为节点序号；n为总节点数；j为节点序号；∏为连乘积。
(2)温度场推理。选取通过反应器轴线的轴截面为推理对象，表示能量守恒定律的反应器内壁顶部轴截面、侧部轴截面的二维稳态固体导热传热偏微分方程可表示为∂∂x(cP·ρ·u·Θ)+∂∂y(cP·ρ·v·Θ)=∂∂x(λ·∂Θ∂x)+∂∂y(λ·∂Θ∂y)+S]]>边界条件表示为-λ·(Θ/n)s＝αc(Θs-Θf)+αr(Θs-Θf)式中S为源项，Θ为温度，cP为固体比定压热容，ρ为固体密度，u和v分别为烟气流速在x、y方向的分速度，λ为热导热，α为表面传热系数，n表示法线方向，下标s表示节点参数，f表示环境参数，c表示对流换热，r表示辐射换热。
用有限差分法将导热传热偏微分推理方程转化为众多节点的导热差分推理方程。由于边界条件以及介质类型的差异，节点的导热差分推理方程有如下几种a)反应器内壁顶部轴截面的顶边界节点推理方程K1·ΔyΔx(Θx-1,1-Θx,1)+K2·ΔyΔx(Θx+1,1-Θx,1)+(K1+K2)·ΔxΔy(Θx,2-Θx,1)=0]]>b)反应器内壁侧部轴截面的外边界节点推理方程K1·ΔxΔy(Θ1,y-1-Θ1,y)+K3·ΔxΔy(Θ1,y+1-Θ1,y)+(K1+K3)·ΔyΔx(Θ2,y-Θ1,y)=0]]>c)反应器内壁侧部轴截面的底边界节点推理方程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)反应器内壁对流及辐射边界节点推理方程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)反应器内壁非水冷区节点推理方程(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)反应器内壁水冷区节点推理方程(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分别为网格x、y方向边长；K为表观传热系数。下标water表示冷却水；gas表示烟气；max表示最大。
采用数值计算推理方法中常规的超松弛迭代推理法求解反应器内壁温度分布和各个高度的附挂的固体渣层厚度。
(3)反应器内壁附挂的固体渣层边界位置推理。固体渣层边界位置必须满足双重限制条件Θi,j≥Θmeltqi,j≥qmelt+mcp(Θmelt-Θi,j)′]]>其中i，j分别为x，y方向节点的序号，Θi，j为标号为(i，j)的节点温度，cp为比定压热容，qi，j为标号为(i，j)的节点热流密度，Θmelt为固体渣层熔化温度，qmelt为固体渣层熔化的相变潜热，m为标号为(i，j)的节点所对应的渣相质量。下标melt表示熔化。
反应器内壁附挂的固体渣层边界位置推理过程如图1所示。包括固体渣层在内的反应器内壁长度为l，l与节点(i，j)所处的高度有关。当节点(i，j)温度高于固体渣层熔化温度且传热量超过固体渣层相变潜热时，节点(i，j)附挂的固体渣层熔化，固体渣层减薄，固体渣层边界位置沿反应器外方向变化一个控制体边长Δx的长度；当节点(i，j)温度低于固体渣层初凝点温度且传热量超过固体渣层相变潜热时，节点附挂的液体渣层凝结，固体渣层增厚，固体渣层边界位置沿反应器外方向变化一个控制体边长Δx的长度；当节点(i，j)温度低于固体渣层初凝点温度而传热量不满足液体渣层凝固要求时，液体渣层为过冷渣层。当节点(i，j)温度高于固体渣层熔化温度而传热量小于固体渣层相变潜热及固体渣层蓄热之和时，固体渣层为过热渣层。液体渣过冷及固体渣过热时节点附挂的固体渣层将保持现有状态，固体渣层边界位置不发生变化。
3)、反应器内壁腐蚀损坏预警信息输出。设定“固体渣层过厚”、“固体渣层过薄”和“固体渣层变化速率过大”等三种“固体渣层厚度变化异常”预先警示阈值。将步骤2)获得的不同高度上固体渣层厚度值与固体渣层预警阈值比较，逐一判断筛选重点监视且指定高度处的监控部位的固体渣层厚度及固体渣层厚度变化率。将固体渣层厚度大于规定的最大渣层厚度，小于规定的最小渣层厚度，和固体渣层厚度变化率大于规定的最大渣层变化率的这些位置附挂的固体渣层有关信息(包括高度、附挂的固体渣层厚度及固体渣层厚度预先警示类型)集成输出。
4)、准确设置固体渣层熔点、固体渣热导率与固体渣相变潜热等物性参数数据，可提高发明精度。当反应器内物料成分及反应器内反应条件(如平均氧势、喷射流数量和形状等)有较大变动时，固体渣熔点、固体渣热导率与固体渣熔化潜热等物性参数将发生相应飘移，使发明推理精度变差，此时需要对上述参数进行重新推算和修正。
5)、能分析并显示不同反应操作条件下反应器内壁温度分布及附挂的固体渣层厚度，预测不同反应条件下固体渣层薄的壁面方位，在线模拟包括渣层在内的反应器内壁各点温度及其相应层面的固体渣层厚度，对不同反应条件下反应器内壁附挂的固体渣层厚度及其变化的异常信息预先警示。
权利要求
1.一种高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法，包括以下步骤1)根据高温反应器内高温介质和反应器底部液体混合物类型、物料成分及消耗量、渣锍成分数据由物料化学元素成分计算生成物物相组成，按照质量与能量守恒原理进行单独物料与能量平衡推理，计算平均烟气温度，由平均烟气温度乘以一个反映反应器内流场和高温介质或高温辐射传热不均匀特征的经验系数，得到不同方位和高度上渣层边界相连的烟气温度；2)利用预埋在反应器内壁耐火内衬外表面里的热电偶获取反应器内壁在线温度数据，并以此为依据，通过拉格朗日二次插值方法计算耐火层外表面温度初始分布；3)建立包括渣层在内的内壁顶截面和侧截面的稳态导热偏微分推理方程∂∂x(cP·ρ·u·Θ)+∂∂y(cP·ρ·v·Θ)=∂∂x(λ·∂Θ∂x)+∂∂y(λ·∂Θ∂y)+S]]>边界条件表示为-λ·(Θ/n)s＝αc(Θs-Θf)+αr(Θs-Θf)式中S为源项，Θ为温度，cP为固体比定压热容，ρ为固体密度，u和v分别为烟气流速在x、y方向的分速度，λ为热导热，α为表面传热系数，n表示法线方向，下标s表示节点参数，f表示环境参数，c表示对流换热，r表示辐射换热；4)对稳态导热偏微分推理方程进行有限差分，再用超松弛迭代推理法计算包括渣层在内的内壁温度分布和各个高度的渣层厚度；5)根据固体渣层边界位置的双重限制条件Θi,j≥Θmeltqi,j≥qmelt+mcp(Θmelt-Θi,j)]]>推算反应器内壁附挂的固体渣层边界位置，其中i，j分别为x，y方向节点的序号，Θi，j为节点温度，cp为比定压热容，qi，j为节点热流密度，Θmelt为固体渣层熔化温度，qmelt为固体渣层熔化的相变潜热，m为标号为(i，j)的节点所对应的渣相质量；6)将反应器内壁不同高度上的渣层厚度与预警阈值比较判断后集成反应器内壁腐蚀损坏预先警示信息。
2.根据权利1所述的高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法，所述步骤5)中渣层边界位置推理规则为温度高于渣熔化温度且传热量超过渣相变潜热时，渣层边界沿反应器外方向变化；温度低于初凝点且传热量超过渣相变潜热时，渣层边界沿反应器外方向变化；温度低于渣初凝温度而传热量不满足凝固要求或当温度高于渣熔化温度而传热量小于渣相变潜热及渣蓄热之和时，渣边界位置不变化。
3.根据权利1所述的高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法，所述步骤6)中预警阈值包括“渣层过厚”、“渣层过薄”和“渣层变化速率过大”三种预警阈信。
全文摘要
本发明公开了一种高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法，包括以下步骤按照质量与能量守恒原理计算平均烟气温度和不同方位和高度上渣层边界相连的烟气温度；利用热电偶获取反应器内壁温度，并以此为依据，通过拉格朗日二次插值方法计算耐火层外表面温度初始分布；建立包括渣层在内的内壁顶截面和侧截面的稳态导热偏微分推理方程；根据稳态导热偏微分推理方程计算包括渣层在内的内壁温度分布和各个高度的渣层厚度；推算反应器内壁附挂的固体渣层边界位置；将反应器内壁不同高度上的渣层厚度与预警阈值比较判断后集成反应器内壁腐蚀损坏预先警示信息。本发明了提供一种准确、速度快、成本较低的高温反应器内壁腐蚀损坏预警方法。
文档编号C21B7/24GK1975310SQ20061003259
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月16日 优先权日2006年11月16日
发明者艾元方, 陈卓, 梅炽 申请人:中南大学