基于仿真模型的Shell氣化爐掛渣特性研究

尹相雷,張敬芝

(棗莊學院機電工程學院，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

(棗莊學院機電工程學院，山東 棗莊 277160)

建立Shell氣化爐渣層動態數學模型，運用該模型對某電站的Shell氣化爐進行仿真試驗，揭示結渣特性與入口參數間的關系。試驗結果表明，給氧量增加后，液態渣層和固態渣層厚度均減小，而固態渣層厚度減小程度比液態渣層大，排渣過程和掛渣特性得到改善；給煤量增加后，液態渣層厚度減小，固態渣層厚度增大，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，碳轉化率和可燃氣產量高，煤種適應性好，被國內許多項目所引進[1]。然而，在實際運行中，排渣堵塞問題頻繁出現，對整體工程長期安全運行產生不利影響[2]。根據Shell氣化爐掛渣特性解決排渣堵塞問題對于裝置正常運行和推廣應用具有重要意義。

目前對Shell氣化爐結渣特性的研究主要側重于灰渣本身的特性，包括灰渣的熔融特性、粘度、組分、流動特性及助熔劑CaO的影響[3-4]，而入口參數對氣化爐結渣特性的影響研究得較少。本文根據液態渣層和固態渣層的質量能量守恒方程建立氣化爐結渣模型，并協同Shell氣化爐其它模型對氣化爐運行進行仿真試驗，揭示結渣特性與入口參數間的變化關系。

1 渣層數學模型

1.1 渣層結構與建模基本假設

Shell氣化爐的水冷壁管內側安裝耐火爐襯，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，形成固態渣層；靠近爐膛部分溫度高于灰渣熔融溫度，為液態渣層，如圖1所示。

圖1 渣層結構

為描述渣層的動態變化，首先建立渣層的動態數學模型。渣層模型的建立基于以下假設。

a.灰分在氣化爐頂部變為液態渣，進入液態渣層[5]。

b.在氣化過程中，從煤粉中析出并結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溫度值，高于該溫度值為液態渣，低于該溫度值為固態渣。將固、液的過渡層看作固態渣層。

d.液態渣層為牛頓流體，其流動狀態為層流。

e.灰渣的熱導率，密度和比熱容視為常數。

f.液態渣層中的溫度分布為線性分布。

g.渣層厚度取爐膛底部區域渣層厚度的平均值。

1.2 液態渣層數學模型

渣層模型以質量守恒方程和能量守恒方程為核心。液態渣層質量守恒方程為

(1)

式中：δl為液態渣層的厚度；ρl為液態灰渣密度；min為單位時間進入液態渣層的灰渣質量；mex為單位時間排渣質量；Φm為單位時間單位渣層面積進入固態渣層的灰渣質量；D、H分別為爐膛直徑和高度。

液態渣層能量守恒為

(2)

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

液態渣層單位時間的排渣量為

(3)

(4)

式中：η為液態渣層動力粘度。

1.3 固態渣層數學模型

固態渣層能量守恒為

q2-q3=cplΦm(Tm-Tl)

(5)

式中：q3為離開固態渣層進入耐火爐襯的熱流密度。

固態渣層質量守恒為

(6)

式中：δs為固態渣層的厚度；ρs為固態渣層的密度。

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，為便于計算機運算，需將微分方程轉化為差分方程。以液態渣層質量守恒方程為例，其差分方程為

(8)

式中：δ′為前一時刻灰渣厚度值；DT為時間步長。

2.2 算法

將上述數學模型，在一體化模型開發平臺(integrated modular modeling software，IMMS)下，采用FORTRAN語言寫成相應的計算機程序，制成Shell氣化爐渣層通用算法。算法包括輸入參數、輸出參數和系數，輸入參數和輸出參數分別為模型計算的已知參數和計算結果；通過輸入參數和輸出參數的傳遞，模型可以和其它Shell氣化爐的化學反應模型、能量平衡模型進行連接。

3 仿真試驗

運用上述模型對山東省某整體煤氣化燃氣—蒸汽聯合循環(IGCC)電站Shell氣化爐進行仿真。該氣化爐的空氣分離系統為部分整體化高壓空分系統，部分整體化系數為30%，氮氣回注。對合成氣進行加濕飽和以降低NOx，濕飽和合成氣的熱值約為8.31 MJ/m3。氣化爐其它參數如表1所示。所用煤種為內蒙滿世煤，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

表2 煤種元素分析

在IMMS平臺中將該氣化爐按設計工況滿負荷運行，待模型穩定后，其它參數維持不變，進行仿真試驗，分別使給氧量和給煤量增加10%，監測氣化爐渣層厚度的動態變化狀況。

3.1 給氧量增加10%

系統運行穩定后，氣化系統給氧量增加10%，渣層厚度的動態響應曲線如圖2所示。在氧量增加后，固態渣層厚度由10.65 mm變為9.20 mm，減小1.45 mm；液態渣層厚度由2.64 mm變為2.16 mm，減小0.48 mm。

固態渣層和液態渣層厚度均減小，說明氧量增加有利于改善掛渣特性?？紤]到氧量增加可促進CO、H2等可燃氣體的燃燒反應速率增大，燃燒反應釋放更多的熱量使爐內溫度升高[6]，液態渣粘度減小，加速排渣過程，使液態渣層厚度減??；爐內溫度的升高促使固態渣融化進入液態渣層，使固態渣層厚度也減小，且減小程度較液態渣層大。

圖2 給氧量增加10%渣層厚度動態響應曲線

3.2 給煤量增加10%

系統運行穩定后，氣化系統給煤量增加10%，渣層厚度的動態響應曲線如圖3所示。由圖3可以看出，煤粉流量增加后，固態渣層厚度由10.24 mm變為10.75 mm；液態渣層厚度由2.56 mm變為1.93 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，可燃氣體燃燒反應速率下降，爐內溫度下降，使液態渣層表面溫度降低，不斷凝固成固態渣，從而使液態渣層厚度減小，固態渣層厚度逐漸增加。爐內溫度的降低，使液態渣粘度增大，不利于排渣，更多的液態渣轉化為固態渣，使掛渣特性惡化。

圖3 給煤量增加10%渣層厚度動態響應曲線

4 結束語

Shell氣化爐給氧量增加后，CO、H2等可燃氣體的燃燒反應速率增大，使爐內溫度升高，液態渣粘度減小，排渣過程加速，使液態渣層厚度減??；同時，固態渣融化進入液態渣層，使固態渣層厚度減小，也使得固態渣層厚度減小程度比液態渣層大。氧量的增加和爐內溫度的升高，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等可燃氣體燃燒反應速率降低，爐內溫度下降，液態渣凝固成固態渣，使液態渣層厚度減小，固態渣層厚度增大。爐內溫度的降低，使液態渣粘度增大，不利于排渣，更多的液態渣轉化為固態渣，使掛渣特性惡化。

[1] 陳曉波, 馬 濤, 高繼錄，等. IGCC多聯產系統工藝路線選擇研究[J]. 東北電力技術, 2014, 35(8): 22-25.

[2] 程更新. Shell 粉煤氣化爐堵渣問題探討[J]. 大氮肥, 2013, 36(2): 85-89.

[3] 宋文佳, 唐黎華, 朱學棟, 等. Shell氣化爐中灰渣的熔融特性與流動特性[J]. 化工學報, 2009, 94(7): 1 781-1 786.

[4] Folkedahl B C, Schobert H H. Effect of atmosphere on viscosity of selected bituminous and low-rank coal ash slags[J]. Energy & Fuels, 2005, 19(1):208-215.

[5] 應玉華, 江青茵, 曹志凱, 等. Shell氣化爐掛渣模型及其操作性分析[J]. 廈門大學學報(自然科學版), 2006, 55(1): 22-19.

[6] 陳曉利, 高繼錄, 樊 偉, 等. 基于兩段式水煤漿氣化的氣化參數對氣化性能的影響[J]. 東北電力技術, 2014, 35(4): 42-45.

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

棗莊市科技發展計劃項目(2016GX37)

TQ545

A

1004-7913(2017)02-0022-03

尹相雷(1986)，男，碩士，主要從事熱力系統建模仿真、電站設備狀態監測與故障診斷方面的研究。

2016-11-25)