水冷壁氣化爐溫度監(jiān)控軟件及其應用

楊玉輝，郭曉鐳，許建良

（1.中國石化揚子石油化工有限公司，南京210048；2.華東理工大學 上海煤氣化工程技術(shù)研究中心，上海200237）

煤炭清潔高效利用是我國重要的能源戰(zhàn)略[1]，煤氣化技術(shù)是當今煤炭等含碳物質(zhì)清潔高效利用的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。 粉煤氣化術(shù)采用水冷壁作為氣化爐壁面耐火襯里，具有煤種適應性較廣，氣化爐檢修周期短，開工點火便捷等優(yōu)勢[3]。 粉煤氣化爐在運行過程中，高溫熔融的液態(tài)熔渣沉積到“冷”水冷壁上，發(fā)生熔渣固化，形成固態(tài)渣層[4]，無法安裝高溫熱電偶直接測量氣化爐爐膛溫度，所以只能通過渣形、渣口壓差等參數(shù)間接判斷氣化溫度[5-9]。 隨著現(xiàn)代模糊學習技術(shù)和人工智能的發(fā)展，也出現(xiàn)了類似神經(jīng)網(wǎng)絡等預測爐溫的方法[10-13]，但我國煤種復雜，入爐煤質(zhì)波動較大，模型尚不能及時反應煤質(zhì)變化等影響。 氣化溫度是氣化爐安全、穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵控制參數(shù)，故在此采用華東理工大學開發(fā)的SE 粉煤氣化爐爐溫測量軟件， 對日處理千噸級的氣化裝置進行爐溫預測，并考察蒸汽產(chǎn)量、煤種變化等參數(shù)對爐溫的影響，為粉煤氣化裝置運行和操作提供依據(jù)。

1 軟件測量原理

在SE 粉煤氣化爐內(nèi)，從噴嘴噴出的O2和煤粉形成射流流股，構(gòu)建同軸受限射流流場。 高溫氣流攜帶液態(tài)熔渣滴沉積到水冷壁上， 發(fā)生熔渣固化，形成固態(tài)渣層；隨著固態(tài)熔渣厚度的增長，壁面熱阻增大，渣層溫度升高，進而形成液態(tài)渣層。 在形成液態(tài)渣層后，繼續(xù)沉積的顆粒隨液態(tài)渣層經(jīng)渣口流出氣化爐。 爐內(nèi)高溫氣體經(jīng)對流換熱、高溫輻射等向壁面?zhèn)鬟f熱量。 氣體傳遞的熱量與液態(tài)渣滴沉積帶入的熱量通過水冷壁的液態(tài)渣層、 固態(tài)渣層、碳化硅SiC 層和金屬壁面?zhèn)鬟f給冷卻水； 冷卻水吸收熱量后產(chǎn)生蒸汽。

由此可見，氣化爐水冷壁上發(fā)生復雜的渣滴沉積、熔渣相變、熔渣流動、熱傳導和氣相輻射等物理過程。SE 粉煤氣化爐爐溫測量軟件是基于對氣化爐水冷壁壁面熔渣沉積與流動過程的分析，建立完整的熔渣流動相變與傳熱模型，通過選用高效可靠算法解算非線性方程組，計算出水冷壁氣化爐溫度[14]。軟件的核心在于建立熔渣流動、相變與傳熱模型。 水冷壁氣化爐襯里上的熔渣流動與傳熱過程如圖1 所示[15]。

圖1 水冷壁面熔渣流動與傳熱過程Fig.1 Schematic of slag flow and heat transfer on membrane-wall

由圖可見，爐膛內(nèi)的高溫氣體通過輻射傳熱和對流傳熱將熱量qin傳給壁面， 同時依靠熔渣沉積min在壁形成固態(tài)渣層后液態(tài)渣層。壁面吸收傳到的熱量和熔渣沉積帶入的熱量后， 基于壁面熱傳導，將熱量傳給水冷管內(nèi)的冷卻水。 冷卻水的溫升（蒸發(fā)）量與熱傳導量、熔渣沉積量、熔渣厚度等參數(shù)有關(guān)。 因此，通過測量冷卻水的溫升（或汽包蒸汽產(chǎn)量），建立壁面熔渣沉積流動、熱量傳遞模型，可以推算出氣化爐溫度Tg。

根據(jù)圖1 所示水冷壁熔渣流動與傳熱過程，將氣化爐水冷壁自上而下分為若干區(qū)域， 取某一個區(qū)域建立熔渣流動質(zhì)量、動量和能量方程，通過求解這3 個方程即可得出壁面熔渣的流動速度、厚度、氣體溫度等，最后對其取平均得到爐膛平均溫度。

1）熔渣流動質(zhì)量守恒方程 對控制區(qū)域i 內(nèi)，流入液態(tài)熔渣流量、沉積熔渣量和流出液態(tài)熔渣流量應滿足[15]：

式中：L 為水冷壁周向長度；mex，i-1，mex，i分別為流入、流出區(qū)域i 的熔渣質(zhì)量流量；δliq，i為液態(tài)熔渣厚度；vi（x）區(qū)域i 內(nèi)熔渣內(nèi)部速度分布；x 為液態(tài)熔渣內(nèi)的位置；min，i為沉積在氣化爐壁面的熔渣量，與爐型、操作負荷、煤灰含量等參數(shù)有關(guān)。

2）動量方程 對區(qū)域i 內(nèi)的液態(tài)熔渣流動時進行受力分析，并假設其流動滿足牛頓流體流動[16-17]，得到的液態(tài)熔渣速度滿足[15]：

式中：β 為壁面傾角；ηsla（x）為熔渣黏度，其與溫度的關(guān)系可以用修正的WF 方程（Weymann-Frenkel）液體動力學理論方法來表達，即

其中

3）能量方程 對區(qū)域i 內(nèi)的液態(tài)熔渣流動時進行能量守恒分析，得出

式 中：qin，i氣相向熔 渣層 傳熱；Tin，i為 沉積熔 渣 的溫度，其數(shù)值一般與氣相溫度相等；qex，i-1，qex，i為流入、流出區(qū)域i 的液態(tài)熔渣攜帶的熱量；Csla為熔渣熱容；Ai為徑向傳熱面積；qout，i為徑向傳熱量。假設，水冷壁傳熱過程相對較快，即氣化爐處于穩(wěn)態(tài)傳熱過程，則壁面液態(tài)渣層、固態(tài)渣層、碳化硅層、金屬管壁等徑向傳熱量qout，i滿足[15]：

其中

式中：ksla為液態(tài)熔渣、固態(tài)熔渣的導熱系數(shù)；kSiC，km分別為碳化硅層、金屬管的導熱系數(shù)，取kSiC=4.2 W/（m·K），km=38 W/（m·K）；To，i，Tcv，Tw，i，Tm，i分 別 為 區(qū)域i 的氣相溫度、熔渣臨界溫度、碳化硅表面溫度、金屬管表面溫度；Hste為氣泡蒸汽攜帶焓值。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱，液態(tài)渣層內(nèi)的溫度分布Ti（x）為[14-15]

其中

式中：δi為總渣層厚度。在該軟件中，假設熔渣溫度＞Tcv時為液態(tài)， 熔渣溫度＜Tcv時為固態(tài)渣層。 δi與固態(tài)渣層厚度δsol，i和液態(tài)渣層δliq，i的關(guān)系滿足[20]：

將式（1）（2）（4）進行聯(lián)立數(shù)值求解，并輔助式（8）進行相變處理，即可得到已知qout，i（蒸汽流量計算得到）時的氣相溫度、熔渣厚度和熔渣流動速度。

2 軟件功能

將上述熔渣流動、 傳熱及相變模型數(shù)值求解，并將DCS 數(shù)據(jù)傳遞的煤粉流量、灰含量以及汽包系統(tǒng)數(shù)據(jù)作為熔渣沉積與熱量傳遞數(shù)據(jù)輸入，即可得出壁面熱通量、氣化溫度、渣層厚度等數(shù)據(jù)。

所開發(fā)的軟件界面如圖2 所示，其中包括煤質(zhì)數(shù)據(jù)煤質(zhì)數(shù)據(jù)窗口、輸入數(shù)據(jù)窗口、通訊窗口、輸出數(shù)據(jù)窗口等。

圖2 SE 粉煤氣化爐爐溫監(jiān)控軟件Fig.2 Temperature monitoring software of SE pulverized coal gasifier

3 水冷壁爐溫特點及軟件應用

3.1 軟件預測準確性分析

由于水冷壁氣化爐無法安裝熱電偶，為了校驗軟件預測所得爐內(nèi)溫度的準確性，將計算得到的水冷壁SiC 層表面溫度與工業(yè)測量值進行了對比，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 SiC 表面溫度預測值與測量值Fig.3 Comparison of SiC temperature in industrial settings with predicted temperature

由圖可見，軟件預測的SiC 層表面溫度與工業(yè)測量的偏差為±10 ℃，且能很好地跟蹤出溫度波動，表明該軟件及方法能準確預測氣化爐壁面?zhèn)鳠徇^程。

3.2 蒸汽產(chǎn)量與爐溫的關(guān)系

淮南煤與神華煤配煤（質(zhì)量比為4∶6，見表1）時氣化爐溫度與蒸汽產(chǎn)量的對應關(guān)系如圖4 所示，其中配煤的相變溫度為1422 ℃。

表1 煤灰物理特性Tab.1 Physical properties of coal ash

圖4 不同蒸汽產(chǎn)量對應的爐內(nèi)氣化溫度Fig.4 Gasification temperature corresponding to different steam production

由圖可見，蒸汽產(chǎn)量可以間接反應氣化爐溫度，蒸汽產(chǎn)量為2000 kg/h 時，氣化爐溫度為1450 ℃；隨著蒸汽產(chǎn)量的增加，氣化爐溫度提高，但兩者呈非線性關(guān)系；當蒸汽產(chǎn)量達到20000 kg/h 時，氣化爐溫度高達1627 ℃。

淮南煤與神府煤配煤時不同壁面蒸汽產(chǎn)量下氣化爐熔渣平均流動黏度和熔渣厚度的變化趨勢如圖5 所示。 根據(jù)式（3），在還原性氣氛下熔渣流動黏度隨著熔渣流動溫度的增大而呈指數(shù)下降。 在此所選用的淮南煤與神華煤配煤，煤種灰含量（質(zhì)量分數(shù)）約為17%，煤灰熔融態(tài)熔渣流動黏度指數(shù)A=1.41×10-7，B=3.340×104，見表1。結(jié)合圖4 可以得出，蒸汽產(chǎn)量越大，表明爐內(nèi)溫度越高，氣化爐水冷壁表面液態(tài)熔渣流動黏度越小。

圖5 不同蒸汽產(chǎn)量下壁面排渣黏度和熔渣厚度Fig.5 Slag dischagre viscosity and slag thickness at different steam production

由圖5 可見，當水冷壁蒸汽產(chǎn)量為2000 kg/h 時，爐內(nèi)平均熔渣流動黏度為43 Pa·s，此時爐內(nèi)平均渣層厚度為140 mm。 根據(jù)工業(yè)運行經(jīng)驗，該工況下氣化爐渣口排渣處于不順暢狀態(tài)，對氣化爐的運行造成不利影響。 當壁面蒸汽產(chǎn)量達到10000 kg/h 時，對應的氣化爐溫度約為1546 ℃（高于Tcv約120 ℃），此時排渣黏度約為25 Pa·s， 爐內(nèi)平均渣層厚度為27.6 mm，固態(tài)渣層厚度約為21 mm，氣化爐渣口排渣順暢；當蒸汽產(chǎn)量為20000 kg/h 時，排渣黏度僅為15 Pa·s，固態(tài)渣層厚度為5 mm，盡管該工況下的排渣黏度較為合理，但固態(tài)渣層偏薄，溫度偏高，造成氣化爐運行經(jīng)濟性能較差。

總體來看，隨著氣化爐溫度的升高、壁面蒸汽產(chǎn)量的增加，排渣黏度、固態(tài)渣層厚度、總渣層厚度均呈指數(shù)減??；液態(tài)渣層厚度隨氣化爐溫度的增大略有減小，但與固態(tài)渣層相比，其變化程度較小。 在氣化爐內(nèi)，液態(tài)渣層主要受排渣黏度和熔渣流量雙重控制，當溫度高于一定值后，熔渣黏度隨溫度變化很小，此時渣層厚度主要受沉積量影響，因此液態(tài)渣層一直存在。 對于固態(tài)渣層，其厚度主要受氣化爐溫度控制，當氣化爐溫度升高，渣層溫度升高，固態(tài)渣層厚度減??； 當氣化爐溫度升高到1660 ℃時，對應的蒸汽產(chǎn)量約為25000 kg/h，當渣層整體溫度高于固化溫度（Tcv），水冷壁表面不存在固態(tài)渣層。

不同蒸汽產(chǎn)量下氣化爐SiC 層的表面溫度分布如圖6 所示。 由圖可見，碳化硅表面溫度與蒸汽產(chǎn)量呈線性增長； 當水冷壁蒸汽產(chǎn)量為20000 kg/h時，SiC 表面溫度約為1185 ℃； 若按碳化硅安全許可溫度1600 ℃計算， 此時蒸汽產(chǎn)量約為29000 kg/h，對應的氣化溫度為1680 ℃。

3.3 不同煤種下爐溫預測特性

圖6 不同蒸汽產(chǎn)量下SiC 層表面溫度Fig.6 Surface temperature of SiC layer at different steam production

煤種及其變化是影響氣化爐操作中需要考慮的最重要變量，裝置的所有操作參數(shù)都需要根據(jù)煤質(zhì)的變化而做調(diào)整，故在此考察3 種原料煤下氣化爐操作變化情況。 其中，淮南煤與神華煤配煤（配煤1，質(zhì)量比為4∶6）、淮南煤與中天煤配煤（配煤2，質(zhì)量比為1∶9） 和神華煤這3 種原料煤的煤灰性質(zhì)見表1。

對于3 種入爐原料煤，通過蒸汽流量預測氣化爐溫度的變化規(guī)律如圖7 所示。

圖7 煤質(zhì)對氣化溫度預測值的影響Fig.7 Influence of coal property on the predicted value of gasification temperature

由圖可見，在相同蒸汽產(chǎn)量下，不同煤質(zhì)的爐內(nèi)操作溫度變化很大： 以優(yōu)質(zhì)神華煤為原料時，蒸汽流量為3000 kg/h 時，爐內(nèi)溫度約為1245 ℃；相同蒸汽產(chǎn)量下，配煤1 的操作溫度約為1467 ℃，配煤2 的操作溫度為1417 ℃。

煤質(zhì)對排渣特性預測的影響如圖8 所示。 由圖可見，通過蒸汽流量來判斷氣化爐排渣情況需要考慮煤質(zhì)特性。 在蒸汽流量為3000 kg/h 狀態(tài)下，神華煤的排渣黏度為11 Pa·s， 固態(tài)渣層厚度為53 mm；同樣工況下，配煤1 的排渣黏度為40 Pa·s，固態(tài)渣層厚度高達90 mm； 配煤2 的排渣黏度為32 Pa·s，固態(tài)渣層厚度高達75 mm。

根據(jù)氣化爐操作經(jīng)驗，一般要求排渣黏度控制在25 Pa·s 以內(nèi)。因此，以低灰熔點神華煤為原料，氣化溫度1245 ℃即可滿足操作要求，此時渣口排渣順暢；以配煤1 為原料時，要使排渣黏度小于25 Pa·s，要求氣化爐操作溫度大于1545 ℃，壁面蒸汽產(chǎn)量大于10000 kg/h；以配煤2 為原料時，應使氣化爐操作溫度大于1460 ℃，壁面蒸汽產(chǎn)量大于7000 kg/h。

圖8 煤質(zhì)對排渣特性預測的影響Fig.8 Influence of coal property on slag discharge characteristics

4 結(jié)語

采用華東理工大學開發(fā)的SE 粉煤氣化爐爐溫操作指導軟件，能夠通過蒸汽產(chǎn)量間接計算得到氣化爐操作溫度，并獲得氣化爐排渣黏度、熔渣厚度等相關(guān)熔渣流動數(shù)據(jù)， 為生產(chǎn)運行提供有效的指導。 通過工業(yè)運行和軟件計算，在同一操作煤種下，水冷壁面蒸汽產(chǎn)量增大， 表明氣化爐操作溫度增高，二者呈非線性關(guān)系；蒸汽產(chǎn)量越大，爐內(nèi)溫度越高，氣化爐水冷壁表面液態(tài)熔渣流動黏度、固態(tài)熔渣厚度和總渣層厚度按指數(shù)越小，而液態(tài)渣層厚度變化幅度相對較小；根據(jù)水冷壁蒸汽產(chǎn)量來判斷氣化爐溫度需要結(jié)合煤種特性的影響，同樣操作負荷和蒸汽產(chǎn)量下， 可以得到不同原料煤的操作溫度，以及以某一排渣黏度為操作點時的氣化爐蒸汽產(chǎn)量，并由此分析煤種特性的影響。