基于渣層法的改進(jìn)型shell氣化爐動(dòng)態(tài)建模與仿真研究

唐凱鋒， 張會(huì)生， 翁史烈

（上海交通大學(xué) 葉輪機(jī)械研究所，上海200240）

氣化爐作為IGCC聯(lián)合循環(huán)的關(guān)鍵部件，其工作情況對(duì)IGCC電站的安全運(yùn)行與工作特性有很大影響，而進(jìn)行氣化爐試驗(yàn)需要耗費(fèi)較大的資源，并且存在很大的安全隱患.此外，隨著人類對(duì)可持續(xù)發(fā)展的重視，煤、生物質(zhì)以及廢棄物的氣化將是未來(lái)新型可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ).因此，氣化爐的建模是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究工作［1］.

在以往傳統(tǒng)的shell氣化爐仿真過(guò)程中，研究人員大多使用集總渣層法進(jìn)行氣化爐仿真，該方法主要致力于對(duì)氣化爐內(nèi)部的渣層流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，主要?jiǎng)討B(tài)特性和熱慣性都表現(xiàn)在渣層模型中，而對(duì)氣化爐內(nèi)部的氣化反應(yīng)過(guò)程采用集總參數(shù)法處理，忽略了氣化爐內(nèi)部的煤氣化反應(yīng)過(guò)程及組分和溫度的分布特性，所以其對(duì)氣化爐內(nèi)部反應(yīng)的模擬能力較弱，只能得出一個(gè)集總的輸出參數(shù)，這種模型不能反映反應(yīng)器和部件的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的影響，也不能反映由于停留時(shí)間有限氣化爐出口產(chǎn)物實(shí)際上達(dá)不到化學(xué)平衡的情況［2－3］.為克服上述缺陷，筆者在常規(guī)集總渣層法的基礎(chǔ)上，對(duì)shell氣化爐模型進(jìn)行改進(jìn)，提出一種全新的小室渣層法，將氣化爐內(nèi)部沿軸向分為若干個(gè)小室，對(duì)每個(gè)小室內(nèi)部的氣化反應(yīng)情況進(jìn)行模擬，得到更加準(zhǔn)確的氣化爐模型，為IGCC系統(tǒng)仿真提供參考.

1 改進(jìn)后的小室渣層法

由于集總渣層法模型中沒(méi)有體現(xiàn)溫度與氣體組分在軸向上的分布，因此筆者通過(guò)小室渣層法實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目的.小室渣層法是將氣化爐沿軸向分為若干個(gè)小室，每個(gè)小室看做一個(gè)單獨(dú)的反應(yīng)器建立其各自的化學(xué)平衡模型、能量平衡模型.然后再將已經(jīng)建立的小室模型與爐壁的渣層結(jié)合起來(lái)，這樣的模型既能體現(xiàn)出渣層變化對(duì)氣化爐反應(yīng)的影響，也能得出氣化爐內(nèi)部的溫度和組分分布.小室渣層法中渣層模型的處理方法與集總渣層法中的處理方法一樣，主要差異在于小室內(nèi)的組分平衡模型和能量平衡模型.

小室模型的主要假設(shè)如下：（1）氣化爐內(nèi)的流動(dòng)為均勻平推流，不考慮徑向溫度、濃度等參數(shù)的差異和物質(zhì)交換；（2）氣化爐的預(yù)熱、水分蒸發(fā)以及揮發(fā)分釋放過(guò)程在進(jìn)入爐后的瞬間完成；（3）水煤漿在完成水分蒸發(fā)和揮發(fā)分釋放后，煤顆粒不結(jié)團(tuán)，彼此可獨(dú)立存在；（4）縮核不縮碳假定，煤顆粒在氣化爐內(nèi)的全部反應(yīng)過(guò)程中，灰殼通過(guò)縫隙擴(kuò)散進(jìn)入煤顆粒，與碳核發(fā)生反應(yīng)；（5）固體顆粒形態(tài)近似為球形；（6）煤氣的主要成分是 CO2、CO、H2O、H2、CH4、H2S和N2.

圖1為小室渣層法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.

1.1 渣層模型

與集總渣層法的渣層模型一樣，小室渣層法的渣層模型可以分為能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，具體微分方程組［4］如下：

液態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程：

液態(tài)渣層能量守恒方程：

圖1 小室渣層法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the cell－slag method

固態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程：

固態(tài)渣層能量守恒方程：

耐火爐襯能量守恒方程：

式中：D為氣化爐直徑；H 為氣化爐高度；ρf為液態(tài)渣的密度；ρs為固態(tài)渣的密度；ρrl為耐火爐襯的密度為固態(tài)渣層的平均溫度為液態(tài)渣層的平均溫度；Tw為爐壁溫度；Tg為爐內(nèi)平均溫度；Tm為渣層的融化臨界溫度；δs，δf，δrl分別表示固態(tài)渣層、液態(tài)渣層和耐火爐襯的厚度；cp，s為固態(tài)渣層的比定壓熱容.

渣層分為液態(tài)和固態(tài)2層.氣化爐向渣層提供了熱流密度q1和進(jìn)入壁面渣層的灰渣量min，固態(tài)渣層單位面積的溶解量用Φm表示.圖2為模型中氣化爐渣層模型的質(zhì)量與能量平衡示意圖.

1.2 小室組分平衡模型

與集總參數(shù)法中的組分平衡采用的分子守恒法不同，小室法的組分平衡是利用煤氣化過(guò)程中各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率隨溫度和壓力的變化來(lái)計(jì)算每種組分含量的［5］.分子守恒法只是通過(guò)一組簡(jiǎn)單的多元一次方程來(lái)計(jì)算組分隨溫度的變化，所以其反應(yīng)過(guò)程是瞬態(tài)的，不能準(zhǔn)確模擬爐內(nèi)反應(yīng)特性，不如小室法中的化學(xué)反應(yīng)速率方法精確和真實(shí).以任意i小室為例，組分模型可表示為圖3所示［6］.

圖2 渣層模型的質(zhì)量與能量平衡Fig.2 Mass and energy balance of the slag model

圖3 小室i中的速率模型Fig.3 Rate model in cell i

式中：i為小室編號(hào)；j為第j種氣體成分；Mg，i為第i小室所有氣體成分的物質(zhì)的量；Yj，i為第i小室中第j種氣體成分的摩爾分?jǐn)?shù)；Wj，i為加入i小室的氣體成分j的體積流率；Gj，i－1為由i－1小室流入i小室的氣體的體積流率；Gj，i為流出i小室的氣體的體積流率；Rj，i為i小室的氣體成分j通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)生成或者消耗的凈流率.

小室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分為同相反應(yīng)和異相反應(yīng)，其中同相反應(yīng)速率利用式（7）計(jì)算［4］：

式中：計(jì)算常數(shù)CA、CB、E、ko通過(guò)查表得到；ki的單位為kmol／（m3·s）.

而異相反應(yīng)速率利用式（8）計(jì)算［7］：

式中：常數(shù)kdiff、kdash、ks通過(guò)查表得到.

1.3 小室能量平衡模型

集總渣層法與小室渣層法的能量平衡計(jì)算方法相似，都是利用化學(xué)反應(yīng)熱和煙氣總焓的能量守恒來(lái)計(jì)算爐內(nèi)溫度的，不同之處在于集總渣層法只對(duì)氣化爐進(jìn)行一次溫度計(jì)算，仿真結(jié)果中氣化爐內(nèi)各處溫度一致，而小室渣層法在每個(gè)小室中都要對(duì)溫度進(jìn)行計(jì)算，可以得到溫度沿軸向的分布情況.

Shell氣化爐模型中能量平衡的算法涉及到化學(xué)反應(yīng)放熱，而且化學(xué)反應(yīng)是有速率的，因此模型的能量平衡方程中溫度是狀態(tài)變量，以i小室為例，能量平衡方程如下［7］：

式中：cp，s為固體的 比 定 壓 熱 容；cp，g，j為 第j 種 氣 體的比定壓熱容；Ti為小室i內(nèi)的平均溫度；QCH，i為第i小室內(nèi)燃料燃燒放出的熱流量；QS，i為第i小室的散熱量.

2 結(jié)果及分析

由于已經(jīng)對(duì)集總渣層法模型進(jìn)行過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，證明此模型穩(wěn)態(tài)結(jié)果和動(dòng)態(tài)結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相符，因此將集總渣層法作為參考比較兩模型的優(yōu)劣.

2.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)果分析

采用文獻(xiàn)［5］提供的氣化爐的內(nèi)部參數(shù)，按照文獻(xiàn)［1］提供的Buggenum電站使用EI煤的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出兩模型的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果并與文獻(xiàn)中結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果示于表1.

表1 氣化爐出口氣體摩爾分?jǐn)?shù)穩(wěn)態(tài)結(jié)果比較Tab.1 Comparison of steady－state mol fraction of various gas components %

由表1可知，2種方法的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果基本與文獻(xiàn)中結(jié)果一致，差別較大的僅是集總渣層法中的CO2和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)，小室渣層法的仿真結(jié)果更接近真實(shí)情況.

本文的小室模型共分了10個(gè)小室，因此可以得出氣體組分沿氣化爐軸向的分布情況.圖4為10個(gè)小室中氣體組分的分布情況，結(jié)果與文獻(xiàn)［7］中的數(shù)值基本吻合.

圖4 小室渣層法模型仿真所得氣體組分分布的穩(wěn)態(tài)結(jié)果Fig.4 Steady－state distribution of various gas components by cell－slag model

2.2 動(dòng)態(tài)結(jié)果分析

圖5 當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，小室渣層法和集總渣層法的CO摩爾分?jǐn)?shù)的變化Fig.5 The change of CO molar fraction by cell－slag and lumped slag layer model with an oxygen step increase by 1%

圖6 當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，小室渣層法和集總渣層法的H2摩爾分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 The change of H2molar fraction by cell－slag and lumped slag layer model with an oxygen step increase by 1%

圖5和圖6分別給出了當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，集總渣層法和小室渣層法的CO和H2摩爾分?jǐn)?shù)的變化.由圖5和圖6可以看出，2種方法氣化爐出口氣體組分的變化趨勢(shì)是一致的，且階躍量基本相等，此結(jié)果與文獻(xiàn)［6］中的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果相吻合.因此，可以得出集總渣層法與小室渣層法對(duì)氣體組分的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果基本一致，證明了小室渣層法完全可以運(yùn)用于對(duì)shell爐的仿真中.

由于進(jìn)氧量增加，爐內(nèi)溫度迅速提高，導(dǎo)致一氧化碳的氧化反應(yīng)速率加快，因此二氧化碳含量迅速增加，同時(shí)也導(dǎo)致水蒸氣含量增加，而一氧化碳和氫氣含量都減少.

因?yàn)樵鼘拥膽T性作用，增加的熱量無(wú)法迅速傳出去，從而導(dǎo)致合成氣的出口溫度迅速提高，隨著傳出熱量的增加，合成氣溫度逐漸降低直到穩(wěn)定.傳給渣層表面的熱量增加，使渣層表面溫度升高，導(dǎo)致渣排出量暫時(shí)增加，液態(tài)、固態(tài)渣層的厚度減小直到排出量恢復(fù)原始值.圖7給出了當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，集總渣層法和小室渣層法液態(tài)渣層厚度的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果.由圖7可知，2種模型的液態(tài)渣層動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的趨勢(shì)基本一致，可見兩模型的渣層部分性質(zhì)相似，說(shuō)明小室渣層法對(duì)渣層的模擬符合實(shí)際情況.

圖7 當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，集總渣層法和小室渣層法液態(tài)渣層厚度動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果Fig.7 The change of molten slag thickness by cell and lumped model with an oxygen step increase by 1%

圖8 當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，集總渣層法和小室渣層法氣化爐出口溫度動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果Fig.8 The change of outlet temperature by cell and lumped model with an oxygen step increase by 1%

圖8給出了當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，集總渣層法和小室渣層法氣化爐出口溫度動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果.由圖8可以看出，集總渣層法比小室渣層法的溫度變化更大，文獻(xiàn)［6］中溫度的變化ΔT＝20K，因此小室渣層法與真實(shí)情況更加接近，而根據(jù)前文提到的氣化爐內(nèi)溫度應(yīng)該先迅速升高再慢慢降低，可知小室渣層法更加接近實(shí)際情況.

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)各項(xiàng)性能的比較可以得出小室渣層法完全能夠運(yùn)用到shell氣化爐的仿真中.

（2）小室渣層法的組分變化不是瞬態(tài)的，由小室渣層法能得出各組分的變化情況.

（3）小室渣層法能模擬出組分和溫度在軸向的分布情況，有利于對(duì)氣化爐性質(zhì)的研究.

（4）由小室渣層法仿真得到的溫度及渣層的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果更吻合.

（5）小室渣層法模型完全能應(yīng)用于氣化爐仿真計(jì)算，根據(jù)小室渣層法的特性，可以將其應(yīng)用于煤粉爐結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算以及IGCC冷煤氣效率的優(yōu)化計(jì)算等研究中，為煤粉爐的仿真建模提供更多參考.

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