基于渣層法的改進型shell氣化爐動態建模與仿真研究

唐凱鋒， 張會生， 翁史烈

（上海交通大學 葉輪機械研究所，上海200240）

氣化爐作為IGCC聯合循環的關鍵部件，其工作情況對IGCC電站的安全運行與工作特性有很大影響，而進行氣化爐試驗需要耗費較大的資源，并且存在很大的安全隱患.此外，隨著人類對可持續發展的重視，煤、生物質以及廢棄物的氣化將是未來新型可持續發展能源系統的核心和基礎.因此，氣化爐的建模是一項重要的基礎研究工作［1］.

在以往傳統的shell氣化爐仿真過程中，研究人員大多使用集總渣層法進行氣化爐仿真，該方法主要致力于對氣化爐內部的渣層流動情況進行模擬，主要動態特性和熱慣性都表現在渣層模型中，而對氣化爐內部的氣化反應過程采用集總參數法處理，忽略了氣化爐內部的煤氣化反應過程及組分和溫度的分布特性，所以其對氣化爐內部反應的模擬能力較弱，只能得出一個集總的輸出參數，這種模型不能反映反應器和部件的結構、形狀和尺寸的影響，也不能反映由于停留時間有限氣化爐出口產物實際上達不到化學平衡的情況［2－3］.為克服上述缺陷，筆者在常規集總渣層法的基礎上，對shell氣化爐模型進行改進，提出一種全新的小室渣層法，將氣化爐內部沿軸向分為若干個小室，對每個小室內部的氣化反應情況進行模擬，得到更加準確的氣化爐模型，為IGCC系統仿真提供參考.

1 改進后的小室渣層法

由于集總渣層法模型中沒有體現溫度與氣體組分在軸向上的分布，因此筆者通過小室渣層法實現了這個目的.小室渣層法是將氣化爐沿軸向分為若干個小室，每個小室看做一個單獨的反應器建立其各自的化學平衡模型、能量平衡模型.然后再將已經建立的小室模型與爐壁的渣層結合起來，這樣的模型既能體現出渣層變化對氣化爐反應的影響，也能得出氣化爐內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的組分平衡模型和能量平衡模型.

小室模型的主要假設如下：（1）氣化爐內的流動為均勻平推流，不考慮徑向溫度、濃度等參數的差異和物質交換；（2）氣化爐的預熱、水分蒸發以及揮發分釋放過程在進入爐后的瞬間完成；（3）水煤漿在完成水分蒸發和揮發分釋放后，煤顆粒不結團，彼此可獨立存在；（4）縮核不縮碳假定，煤顆粒在氣化爐內的全部反應過程中，灰殼通過縫隙擴散進入煤顆粒，與碳核發生反應；（5）固體顆粒形態近似為球形；（6）煤氣的主要成分是 CO2、CO、H2O、H2、CH4、H2S和N2.

圖1為小室渣層法結構簡圖.

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量守恒方程，具體微分方程組［4］如下：

液態渣層質量守恒方程：

液態渣層能量守恒方程：

圖1 小室渣層法結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of the cell－slag method

固態渣層質量守恒方程：

固態渣層能量守恒方程：

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為液態渣的密度；ρs為固態渣的密度；ρrl為耐火爐襯的密度為固態渣層的平均溫度為液態渣層的平均溫度；Tw為爐壁溫度；Tg為爐內平均溫度；Tm為渣層的融化臨界溫度；δs，δf，δrl分別表示固態渣層、液態渣層和耐火爐襯的厚度；cp，s為固態渣層的比定壓熱容.

渣層分為液態和固態2層.氣化爐向渣層提供了熱流密度q1和進入壁面渣層的灰渣量min，固態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量與能量平衡示意圖.

1.2 小室組分平衡模型

與集總參數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程中各個反應的反應速率隨溫度和壓力的變化來計算每種組分含量的［5］.分子守恒法只是通過一組簡單的多元一次方程來計算組分隨溫度的變化，所以其反應過程是瞬態的，不能準確模擬爐內反應特性，不如小室法中的化學反應速率方法精確和真實.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；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的量；Yj，i為第i小室中第j種氣體成分的摩爾分數；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通過各種化學反應生成或者消耗的凈流率.

小室內的化學反應過程分為同相反應和異相反應，其中同相反應速率利用式（7）計算［4］：

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

而異相反應速率利用式（8）計算［7］：

式中：常數kdiff、kdash、ks通過查表得到.

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算方法相似，都是利用化學反應熱和煙氣總焓的能量守恒來計算爐內溫度的，不同之處在于集總渣層法只對氣化爐進行一次溫度計算，仿真結果中氣化爐內各處溫度一致，而小室渣層法在每個小室中都要對溫度進行計算，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反應放熱，而且化學反應是有速率的，因此模型的能量平衡方程中溫度是狀態變量，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內的平均溫度；QCH，i為第i小室內燃料燃燒放出的熱流量；QS，i為第i小室的散熱量.

2 結果及分析

由于已經對集總渣層法模型進行過對比試驗，證明此模型穩態結果和動態結果與文獻數據相符，因此將集總渣層法作為參考比較兩模型的優劣.

2.1 穩態結果分析

采用文獻［5］提供的氣化爐的內部參數，按照文獻［1］提供的Buggenum電站使用EI煤的數據進行計算，得出兩模型的穩態仿真結果并與文獻中結果進行比較，結果示于表1.

表1 氣化爐出口氣體摩爾分數穩態結果比較Tab.1 Comparison of steady－state mol fraction of various gas components %

由表1可知，2種方法的穩態仿真結果基本與文獻中結果一致，差別較大的僅是集總渣層法中的CO2和H2O的摩爾分數，小室渣層法的仿真結果更接近真實情況.

本文的小室模型共分了10個小室，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個小室中氣體組分的分布情況，結果與文獻［7］中的數值基本吻合.

圖4 小室渣層法模型仿真所得氣體組分分布的穩態結果Fig.4 Steady－state distribution of various gas components by cell－slag model

2.2 動態結果分析

圖5 當進氧量階躍增加1%時，小室渣層法和集總渣層法的CO摩爾分數的變化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 當進氧量階躍增加1%時，小室渣層法和集總渣層法的H2摩爾分數的變化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分別給出了當進氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法的CO和H2摩爾分數的變化.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是一致的，且階躍量基本相等，此結果與文獻［6］中的動態仿真結果相吻合.因此，可以得出集總渣層法與小室渣層法對氣體組分的動態仿真結果基本一致，證明了小室渣層法完全可以運用于對shell爐的仿真中.

由于進氧量增加，爐內溫度迅速提高，導致一氧化碳的氧化反應速率加快，因此二氧化碳含量迅速增加，同時也導致水蒸氣含量增加，而一氧化碳和氫氣含量都減少.

因為渣層的慣性作用，增加的熱量無法迅速傳出去，從而導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定.傳給渣層表面的熱量增加，使渣層表面溫度升高，導致渣排出量暫時增加，液態、固態渣層的厚度減小直到排出量恢復原始值.圖7給出了當進氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法液態渣層厚度的動態仿真結果.由圖7可知，2種模型的液態渣層動態仿真結果的趨勢基本一致，可見兩模型的渣層部分性質相似，說明小室渣層法對渣層的模擬符合實際情況.

圖7 當進氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法液態渣層厚度動態仿真結果Fig.7 The change of molten slag thickness by cell and lumped model with an oxygen step increase by 1%

圖8 當進氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法氣化爐出口溫度動態仿真結果Fig.8 The change of outlet temperature by cell and lumped model with an oxygen step increase by 1%

圖8給出了當進氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法氣化爐出口溫度動態仿真結果.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［6］中溫度的變化ΔT＝20K，因此小室渣層法與真實情況更加接近，而根據前文提到的氣化爐內溫度應該先迅速升高再慢慢降低，可知小室渣層法更加接近實際情況.

3 結 論

（1）根據各項性能的比較可以得出小室渣層法完全能夠運用到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，有利于對氣化爐性質的研究.

（4）由小室渣層法仿真得到的溫度及渣層的變化趨勢與試驗結果更吻合.

（5）小室渣層法模型完全能應用于氣化爐仿真計算，根據小室渣層法的特性，可以將其應用于煤粉爐結構、形狀、尺寸的設計計算以及IGCC冷煤氣效率的優化計算等研究中，為煤粉爐的仿真建模提供更多參考.

［1］焦樹建.整體煤氣化燃氣－蒸汽聯合循環［M］.北京：中國電力出版社，1996.

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