基于仿真模型的Shell氣化爐掛渣特性研究

尹相雷,張敬芝

(棗莊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

基于仿真模型的Shell氣化爐掛渣特性研究

尹相雷,張敬芝

(棗莊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

建立Shell氣化爐渣層動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用該模型對(duì)某電站的Shell氣化爐進(jìn)行仿真試驗(yàn)，揭示結(jié)渣特性與入口參數(shù)間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，給氧量增加后，液態(tài)渣層和固態(tài)渣層厚度均減小，而固態(tài)渣層厚度減小程度比液態(tài)渣層大，排渣過程和掛渣特性得到改善；給煤量增加后，液態(tài)渣層厚度減小，固態(tài)渣層厚度增大，排渣過程和掛渣特性惡化。

Shell氣化爐；掛渣特性；仿真

Shell氣化爐氣化效率高，碳轉(zhuǎn)化率和可燃?xì)猱a(chǎn)量高，煤種適應(yīng)性好，被國(guó)內(nèi)許多項(xiàng)目所引進(jìn)[1]。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，排渣堵塞問題頻繁出現(xiàn)，對(duì)整體工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[2]。根據(jù)Shell氣化爐掛渣特性解決排渣堵塞問題對(duì)于裝置正常運(yùn)行和推廣應(yīng)用具有重要意義。

目前對(duì)Shell氣化爐結(jié)渣特性的研究主要側(cè)重于灰渣本身的特性，包括灰渣的熔融特性、粘度、組分、流動(dòng)特性及助熔劑CaO的影響[3-4]，而入口參數(shù)對(duì)氣化爐結(jié)渣特性的影響研究得較少。本文根據(jù)液態(tài)渣層和固態(tài)渣層的質(zhì)量能量守恒方程建立氣化爐結(jié)渣模型，并協(xié)同Shell氣化爐其它模型對(duì)氣化爐運(yùn)行進(jìn)行仿真試驗(yàn)，揭示結(jié)渣特性與入口參數(shù)間的變化關(guān)系。

1 渣層數(shù)學(xué)模型

1.1 渣層結(jié)構(gòu)與建?；炯僭O(shè)

Shell氣化爐的水冷壁管內(nèi)側(cè)安裝耐火爐襯，其表面為灰渣層。渣層中靠近爐墻的部分溫度低于灰渣熔融溫度，形成固態(tài)渣層；靠近爐膛部分溫度高于灰渣熔融溫度，為液態(tài)渣層，如圖1所示。

圖1 渣層結(jié)構(gòu)

為描述渣層的動(dòng)態(tài)變化，首先建立渣層的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。渣層模型的建立基于以下假設(shè)。

a.灰分在氣化爐頂部變?yōu)橐簯B(tài)渣，進(jìn)入液態(tài)渣層[5]。

b.在氣化過程中，從煤粉中析出并結(jié)為灰渣的灰分占煤灰分的70%。

c.將灰渣的熔融溫度范圍看作一個(gè)溫度值，高于該溫度值為液態(tài)渣，低于該溫度值為固態(tài)渣。將固、液的過渡層看作固態(tài)渣層。

d.液態(tài)渣層為牛頓流體，其流動(dòng)狀態(tài)為層流。

e.灰渣的熱導(dǎo)率，密度和比熱容視為常數(shù)。

f.液態(tài)渣層中的溫度分布為線性分布。

g.渣層厚度取爐膛底部區(qū)域渣層厚度的平均值。

1.2 液態(tài)渣層數(shù)學(xué)模型

渣層模型以質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程為核心。液態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：δl為液態(tài)渣層的厚度；ρl為液態(tài)灰渣密度；min為單位時(shí)間進(jìn)入液態(tài)渣層的灰渣質(zhì)量；mex為單位時(shí)間排渣質(zhì)量；Φm為單位時(shí)間單位渣層面積進(jìn)入固態(tài)渣層的灰渣質(zhì)量；D、H分別為爐膛直徑和高度。

液態(tài)渣層能量守恒為

(2)

式中：cpl為液態(tài)灰渣定壓比熱；q1為進(jìn)入液態(tài)渣層的熱流密度；q2為離開液態(tài)渣層進(jìn)入固態(tài)渣層的熱流密度；Tg為粗煤氣平均溫度；Tl為液態(tài)渣層平均溫度；Tm為灰渣熔融溫度，即相變溫度。

液態(tài)渣層單位時(shí)間的排渣量為

(3)

(4)

式中：η為液態(tài)渣層動(dòng)力粘度。

1.3 固態(tài)渣層數(shù)學(xué)模型

固態(tài)渣層能量守恒為

q2-q3=cplΦm(Tm-Tl)

(5)

式中：q3為離開固態(tài)渣層進(jìn)入耐火爐襯的熱流密度。

固態(tài)渣層質(zhì)量守恒為

(6)

式中：δs為固態(tài)渣層的厚度；ρs為固態(tài)渣層的密度。

耐火爐襯能量守恒：

(7)

式中：q4為離開耐火爐襯進(jìn)入水冷壁的熱流密度；Tw為耐火爐襯平均溫度；cpr為耐火爐襯定壓比熱；δr為耐火爐襯的厚度；ρr為耐火爐襯的密度。

2 模型的建立

2.1 差分方程

上述式(1)、式(2)、式(6)和式(7)為微分方程，為便于計(jì)算機(jī)運(yùn)算，需將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程。以液態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程為例，其差分方程為

(8)

式中：δ′為前一時(shí)刻灰渣厚度值；DT為時(shí)間步長(zhǎng)。

2.2 算法

將上述數(shù)學(xué)模型，在一體化模型開發(fā)平臺(tái)(integrated modular modeling software，IMMS)下，采用FORTRAN語言寫成相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，制成Shell氣化爐渣層通用算法。算法包括輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)和系數(shù)，輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)分別為模型計(jì)算的已知參數(shù)和計(jì)算結(jié)果；通過輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的傳遞，模型可以和其它Shell氣化爐的化學(xué)反應(yīng)模型、能量平衡模型進(jìn)行連接。

3 仿真試驗(yàn)

運(yùn)用上述模型對(duì)山東省某整體煤氣化燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)(IGCC)電站Shell氣化爐進(jìn)行仿真。該氣化爐的空氣分離系統(tǒng)為部分整體化高壓空分系統(tǒng)，部分整體化系數(shù)為30%，氮?dú)饣刈?。?duì)合成氣進(jìn)行加濕飽和以降低NOx，濕飽和合成氣的熱值約為8.31 MJ/m3。氣化爐其它參數(shù)如表1所示。所用煤種為內(nèi)蒙滿世煤，取相變溫度Tm=1 641 K，相變焓Δhm= 0，其元素分析如表2所示。

表1 Shell氣化爐參數(shù)

表2 煤種元素分析

在IMMS平臺(tái)中將該氣化爐按設(shè)計(jì)工況滿負(fù)荷運(yùn)行，待模型穩(wěn)定后，其它參數(shù)維持不變，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分別使給氧量和給煤量增加10%，監(jiān)測(cè)氣化爐渣層厚度的動(dòng)態(tài)變化狀況。

3.1 給氧量增加10%

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，氣化系統(tǒng)給氧量增加10%，渣層厚度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖2所示。在氧量增加后，固態(tài)渣層厚度由10.65 mm變?yōu)?.20 mm，減小1.45 mm；液態(tài)渣層厚度由2.64 mm變?yōu)?.16 mm，減小0.48 mm。

固態(tài)渣層和液態(tài)渣層厚度均減小，說明氧量增加有利于改善掛渣特性?？紤]到氧量增加可促進(jìn)CO、H2等可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)速率增大，燃燒反應(yīng)釋放更多的熱量使?fàn)t內(nèi)溫度升高[6]，液態(tài)渣粘度減小，加速排渣過程，使液態(tài)渣層厚度減?。粻t內(nèi)溫度的升高促使固態(tài)渣融化進(jìn)入液態(tài)渣層，使固態(tài)渣層厚度也減小，且減小程度較液態(tài)渣層大。

圖2 給氧量增加10%渣層厚度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

3.2 給煤量增加10%

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，氣化系統(tǒng)給煤量增加10%，渣層厚度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖3可以看出，煤粉流量增加后，固態(tài)渣層厚度由10.24 mm變?yōu)?0.75 mm；液態(tài)渣層厚度由2.56 mm變?yōu)?.93 mm。

氣化爐煤粉流量增加后，煤粉顆粒周圍的氧濃度降低，氧煤比降低，可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)速率下降，爐內(nèi)溫度下降，使液態(tài)渣層表面溫度降低，不斷凝固成固態(tài)渣，從而使液態(tài)渣層厚度減小，固態(tài)渣層厚度逐漸增加。爐內(nèi)溫度的降低，使液態(tài)渣粘度增大，不利于排渣，更多的液態(tài)渣轉(zhuǎn)化為固態(tài)渣，使掛渣特性惡化。

圖3 給煤量增加10%渣層厚度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

Shell氣化爐給氧量增加后，CO、H2等可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)速率增大，使?fàn)t內(nèi)溫度升高，液態(tài)渣粘度減小，排渣過程加速，使液態(tài)渣層厚度減??；同時(shí)，固態(tài)渣融化進(jìn)入液態(tài)渣層，使固態(tài)渣層厚度減小，也使得固態(tài)渣層厚度減小程度比液態(tài)渣層大。氧量的增加和爐內(nèi)溫度的升高，改善了排渣過程和掛渣特性。

Shell氣化爐煤粉流量增加后，煤粉顆粒周圍的氧濃度降低，氧煤比降低，CO、H2等可燃?xì)怏w燃燒反應(yīng)速率降低，爐內(nèi)溫度下降，液態(tài)渣凝固成固態(tài)渣，使液態(tài)渣層厚度減小，固態(tài)渣層厚度增大。爐內(nèi)溫度的降低，使液態(tài)渣粘度增大，不利于排渣，更多的液態(tài)渣轉(zhuǎn)化為固態(tài)渣，使掛渣特性惡化。

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Research on Slag Characteristics of Shell Gasifier Based on Simulation Model

YIN Xianglei, ZHANG Jingzhi

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang,Shandong 277160，China)

Slag layer dynamic mathematical model of Shell gasifier is set up in this paper. Using the model simulation experiments of Shell gasifier in a power plant are preformed in order to uncover the relationships between slag characteristics and inlet parameters. The experiments results show that increasing oxygen decreases the thickness of both liquid slag layer and solid slag layer ,solid slag layer becomes thin more obviously than liquid slag layer. Besides, slag discharging process and slag sticking characteristics are improved. After increasing coal, liquid slag layer decreases while solid slag layer thickness increases. This situation is not conducive to discharge slag and deteriorates slag sticking .

Shell gasifier; slag characteristics; simulation

棗莊市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2016GX37)

TQ545

A

1004-7913(2017)02-0022-03

尹相雷(1986)，男，碩士，主要從事熱力系統(tǒng)建模仿真、電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方面的研究。

2016-11-25)