带有流动渣层的气化炉动态建模与仿真

第32卷第1期动力工程学报Vol. 32 No. 12012年1月.Journal of Chinese Society of Power EngineeringJan.2012文章编号:1674-7607(2012)01-0078-06中图分类号:TK229.8文献标识码:A学科分类号:470.30带有流动渣层的气化炉动态建模与仿真孙博，刘永文，苏明(上海交通大学 动力机械与工程教育部重点实验室， 上海200030)摘要: 为了解气化炉变工况运行的动态特性,基于气化炉气化过程的简化和假设,考虑了附在水冷壁面上固态渣层及熔融态渣层的影响，在Matlab/Simulink仿真平台上建立了气化炉的一维动态仿真模型,对3种煤进行了动态仿真研究,得到了动态过程气化炉中气化温度、底部出口渣质量流量、熔融/固态渣层厚度及煤气组分等气化参数的变化规律.结果表明:氧量对气化参数的影响远大于水蒸气的影响;当气化参数相同时,3种煤呈现相似的变化规律;渣层对气化炉的动态过程具有较长时间的慣性影响.关键词:气化炉;煤气化;动态仿真;渣层厚度; IGCCDynamic Modeling and Simulation of a Shell Gasifierwith Time Varying Slag FlowSUN Bo，LIU Yong wen，SU Ming(MOEs Key Lab of Power Machinery and Engineering，Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030, China)Abstract: To study the dynamic characteristics of a shell gasifier under varying working conditions, a onedimensional simulation model was established on the Matlab/ Simulink platform, with which dynamic sim-ulation was performed to 3 categories of coal, on the basis of simplifying the gasification process and con-sidering the influence of the solid and fluidized slag layer on water wall, so as to obtain the variation law offollowing gasification parameters, such as the gasification temperature, the mass flow rate of slag at bot-tom outlet, the thickness of solid and fluidized slag layer and the syngas component, etc. Results showthat oxygen content plays a far more important role than water vapor in influencing the gasification param-eters. With same gasification parameters, variation law of above 3 categories of coal exhibits similar trendsof dynamic behaviors. The inertial effect of slag flow on dynamic gasifier performance stands for a relative-ly long time.Key words: gasifier; coal gasification; dynamic simulation; thickness of slag layer; IGCC为解决燃煤电厂带来的环境问题,各国学者对Cycle, IGCC)是能源动力界关注的热点,也是当今煤炭的洁净高效发电技术进行了研究,整体煤气化世界各国研究开发的重点中.蒸汽联合循环(Integrated Gasification CombinedIGCC是复杂的多部件系统,其概念为:煤在气中国煤化工收稿日期:2011-04-29修订日期:2011-07-20YHCNMH G基金項目:国家自然科学基金资助项目(59976022)作者筒介:孙博(1982 ),女,回族河南商丘人,博士研究生,研究方向为:IGCC循环动态仿真电话(TeL. )1371576900;0E-mail: bonniesuncn@ gmail. com.第1期孙博,等:带有流动渣层的气化炉动态建模与仿真79●化炉中气化为中热值煤气或低热值煤气,通过净化、脱硫,再提供给燃气蒸汽联合循环做功,从而达到以煤代油(或天然气),即在高供电效率的燃气-蒸汽G|联合循环中燃用固体燃料的目的.由此可见,气化炉是IGCC区别于其他联合循环的核心部件,其动态性能决定着系统的动态特性.目前,国内外对气化炉建模的研究工作还大多数集中在以评价气化方案、气化参数及炉内参数分布为目的的稳态特性分析[24],而以系统设计、运行和控制为目的的动态模C-燃烧区;G-气化区;R-回流区;q-炉内气体到渣层的传热量.型研究工作还较少.图1气化炉内流动模型笔者在简化气化炉气化过程的基础上,考虑了Fig. 1 Conceptual model for flow in gasifier附在水冷壁面上固态及熔融态渣层动态行为的影成稳定流动的液态渣层,沿壁面向下流动,最后从炉响,在Matlab/Simulink仿真平台，上建立了气化炉底排渣口流出气化炉.熔渣在炉内璧形成液态熔渣的一维动态仿真模型,并针对仿真结果进行了分析.层不仅是气流床气化炉特有的排渣方式,更能防止1气化炉分区及建模简化炉壁遭受炉内高温和氧化(或还原)气氛的侵蚀,是保障气化炉安全可靠运行的重要条件.渣层的流动、以Demkolec IGCC煤气化工艺中采用的Shell传热和相变过程受到炉膛内部高温气体的流动及传气化炉为建模原型,粒度90%小于0.1 mm的煤粉热、灰渣颗粒的沉积和壁面冷却等诸多因素的影响.和来自空气分离装置的纯度为95%的氧气经4个因此,气化炉的动态建模必须考虑渣层的动态行为.对称布置的燃烧器喷嘴喷入气化炉内,与来自废热在建立数学模型时,采用了以下简化和假设:锅炉的过热蒸汽混合燃烧、气化;煤粒在气化炉中的(1)气相平衡.喷人炉膛的煤粉中,水分在高温逗留时间在5 s以内4,气化反应条件为约1 500.下瞬间蒸发,煤粉迅速析出挥发分,气相化学反应贯C、2.8MPa.在高温缺氧的条件下,煤开始析出挥穿整个气化炉的3个区域.发分,生成碳氢化合物、煤焦油和酚类物质.这些物(2)转化率.在燃烧区,碳转化率为70%[回,在质在高温条件下会发生热解,同时,挥发分还会与氧气化区和回流区,碳转化率达到99. 5%;其他元素气反应生成CO、H2、CO2、水蒸气及少量碳氢化合成分则在析出挥发分的过程中完全进入气相,所有物(如CH等).析出挥发分的固定碳将与氧气、水的氮均转化为惰性气体N2,假设所有硫均不可逆地蒸气和氢气继续反应生成CO、CO2和CH,而且这转化为H2S和COs,转化为二者的硫成分比为9:些气体之间还会彼此发生反应,最终生成合成气.1.忽略微量成分(例如CH、HCl、HF、NH3和在流动特性方面,煤粉射流经4个喷嘴在气化HCN)在元素平衡上的影响.炉中心线处撞击,并形成2股垂直的射流,分别向上(3)化学反应平衡常数.采用Chen等[7]提出的和向下扩展.在向上扩展的射流中,部分气流很快到煤气化化学反应平衡常数K。的经验公式,进行以达气流出口,并离开气化炉,剩余的气流连同向下扩co.cO、H, 和H,0为主的气化煤气成分的分析展的射流则沿炉壁形成回流区域,这是气流与水冷计算.壁发生换热的主要区域.因此,考虑Shell气化炉内K. = p(CO,)e(H2) _的流体流动过程可将炉内分为射流区.撞击区、撞击p(CO)p(H,0)=扩展流区、回流区和管流区5个区域,撞击后产生的? 234)(1)上升流和下降流回流方式相似,因此可将5个区域exp(- 3.6893+ 1.8T,)进而简化为燃烧区、气化区和回流区[5]，如图1式中:Tg为气化温度,K.所示.(4)准稳态模型.化学反应模型的响应速度与渣气化炉启动后,灰分开始在水冷壁壁面上堆积层模型相比极竹。立中业化当斤带型处理为准稳结渣,随着固态渣层不断增厚,逐渐增加的热阻使得态模型,即认中国煤化工步的计算中都.渣层表面温度不断升高，直至超过固态渣的熔融温已经达到了,CNMH化温度影响.度,从而在固态渣层表面形成了熔融态的渣层.在运(5)考虑动态模型的运算速度,将渣层模型简化行过程中，部分熔融态灰渣颗粒与渣层表面相碰形为-维模型,与高度无关.熔融态灰渣颗粒仅从回流80●动力工程学报第32卷区上部进人渣层壁流,回流区为理想混合流区域,煤组分.气温度与高度无关.2.2渣层模型控制方程(6)对于指定煤种,其熔融范围采用煤灰渣的黏图2给出了固态渣层、液态渣层、水冷壁和气化度临界温度T。划分.煤气之间的传热传质过程.基于质量守恒、能量守恒(7)固态渣和熔融态灰渣的密度、导热系数及比和动量守恒方程,分别以固态渣层和液态渣层为控热容为常数. .制体进行传热传质分析.(8)渣层厚度的变化只受传热影响,忽略渣的沉气侧液态固态壁侧渣层积及成分变化的影响.↓m2控制方程及建模方法8 δ。.2.1化学反应控制方程中根据物料平衡,可由人炉煤的质量流量计算生成物中N2、H2S.COS、CO.CO2.H2和H2O的摩尔巴|>流量.根据能量守恒,气体焓和固体焓均采用生成焓计算,即输入系统的焓与输出系统的焓相等,具体表g-单位面积气侧至液态渣层的传热量;qn-单位面积液态渣层至达式由盖斯定律和基尔霍夫定律可得:固态渣层的传热量;q。- -单位面积周态渣层至璧侧的传热量;m单inmfE:m+2mSmCndT= :n,PE,5s+位面积渣的熔融量;T-渣层表面温度;T。-渣的临界温度;T.- 壁-J 298温;a-液态渣层厚度;8_-固态 渣层厚度;mia-进入渣层的渣 流量; .mo-离开渣层的渣流量:x一液态渣层各点距离气渣接触面距离.m"。.T+Q。(2)图2固态渣层和液态渣层传热传质示意图式中:m;、m,为反应物的质量流量,kg/s;下标i、jFig.2 Heat and mass transfer between solid and fluidized slag layer表示第i和第j组分;n、n;分别为反应物和生成物2.2.1液态渣层控制 方程的摩尔流量, mol/s; OH°.298、OH9,298分别为反应物(1)质量守恒和生成物的标准生成焓,kJ/mol;cp..cp.;分别为反渣层厚度的变化由进入控制体的渣(包括从气应物和生成物的比定压热容,kJ/(kg. K);Q。为单化煤气进人液态渣层的渣流率及液态渣层和固态渣位时间内系统的散热损失,kJ/s;T.为人炉燃料的层之间的质量交换)及流出控制体的渣(底部排出的温度,K.渣流量)得到:假定煤完全燃烧的产物仅为CO2、H2O和d&;_min二 meydt一(中m+'TDH )SO2 ,由盖斯定律,煤的生成热可采用如下表达式:OHl298 =Q2- [327. 86w(Cx) +1418. 79w(H.) +式中:p为液态渣的密度;D为气化炉内径;H为气92. 84w(Sx) + 158.67rw(M.)](3)化段高度.式中:Qe为煤收到基高位发热量,kJ/kg;w(Ca)、w(2)动量守恒(H2)、w(S2)和 w(M.)分别为收到基C.H和S元根据第1节的假设,液态渣层内的流动可看作牛顿流体,忽略加速度项，则根据纳维斯托克斯方素及水分的质量分数.系统散热损失按燃烧区和气化区到回流区的辐程并结合黏性系数μ表达式可简化得到:射传热及回流区到渣层表面的对流传热计算:do__ eB(6)dQ。=Q.nd+ Q.,cov =A,ae,[T- TI+ A,a(Tg- T) (4)式中:v=v(x),为距离液态渣层表面x m处渣的流式中:Q.nd和Qcw分别为气侧至渣层的辐射传热速;μ=μ(x),为液态渣的黏性系数，可近似表量和对流传热量; T;为渣层表面温度;A。为气侧与示为[8]渣层之间的传热面积;a为对流传热系数;σ为斯特中国煤化工o)(7)藩-玻尔兹曼常数;渣层表面黑度e。可取常数0.83.MYHCNMHGa=- In(0)将式(3)、式(4)代人式(2),并联合物料平衡方程,可迭代计算气化温度，并计算相应的气化煤气式中:μ(O) 为x∞0处液态渣的黏性系数,可由式第1期孙博,等:带有流动渣层的气化炉动态建模与仿真,81●(8)得到0;w(S)为灰渣主要成分中硅元素的质量单位面积固态渣层的能量交换主要来自:固态分数.渣由于吸热转变为熔融态渣(或熔融态渣由于放热In μ(O) = 4. 468u(S)2 + 1.265<(10*/Ti)-7.44而转变为固态渣)所携带的热量;液态渣层和固态渣(8)层之间交换的能量91;固态渣层与水冷壁之间交换边界条件为:的能量q..,du(9)p.8.Cp.. :T..+ph, da.q1一q.一中hm (14)dt(v=0， x= δ式中:τ为气侧与渣层之间的摩擦力,相比液态渣层式中: Cp..为固态渣的比定压热容; h,为固态渣层和固体渣层之间的摩擦力,这里可忽略,认为t=0.的平均灰渣比焓;T,为固态渣层的平均温度;左侧结合边界条件,并对式(6)积分可得:第2项为渣层厚度变化带来的能量变化.将式(14)代人式(13)中,可得m. -。rDprv(x)dx=l8..x工-Tm-xs-Tr__p.8.c..dT.rDoigdi88。” dtμ(0)[<(当一部)+字一封]co)dt、p0o0.(T.- Tm)(3)能量守恒单位面积液态渣层的能量交换主要来自:合成式中:λ为渣的导热系数;T。为壁温.(15)气和液态渣层之间交换的热量q。;到达液态渣层的熔融态渣携带的热量;离开液态渣层的渣携带的热采用Matlab/Simulink平台求解式(5).式量;液态渣层和固态渣层之间交换的热量qn. 其中，(11)、式(12)、式(13)和式(15),并根据化学反应模单位面积上合成气和液态渣层之间交换的热量由两型及能量守恒方程(2)对气化温度进行迭代计算.渣部分组成，即由于温差产生的对流传热qo和由于.层模型的输入变量包括:人炉煤粉的质量流量m.辐射产生的辐射传热Qns.人炉蒸汽的质量流量m,人炉氧气的质量流量m。，膜式水冷壁壁温T. ,人炉煤种的高位发热量Q2 ;输pi8rCp.中+ph。d8=qe一q+出变量包括:液态渣层表面温度To,底部灰渣质量minhin一moxhe"+pmhm (11)流量mo，液态渣层厚度8,固态渣层厚度8,出口πDH煤气主要组分(CO、H2和CO2)的体积分数.连接化式中:Cp.1为液态渣的比定压热容;h为液态灰渣比学反应模型和渣层模型的关键变量为:进入水冷壁，焓,hu、hea、hm和万分别表示从顶部进入、底部离渣层的灰渣质量流量ma、气化温度T,以及单位面开、处于临界熔融温度的灰渣比焓以及液态渣层平积上合成气和液态渣层之间交换的热量q。.均灰渣比焓;T:为液态渣层的平均温度;左侧第2 3 气化炉动态 仿真研究项为渣层厚度变化带来的能量变化.根据第1节假设，比热容为常数,将式(11)代人对气化炉的动态仿真研究参考Demkolec式(5)可得:IGCC示范工程的Shell气化炉相关参数: DemkolecIGCC电站出力为250 MW,气化炉设计高度为16.8g.-q+c.[ (T,- T)+%(Tm- T7m、内径4.63 m,气化压力2.7 MPa,垂直管膜式水.d=2pCp.0r冷壁产生4.0MPa的中压蒸汽.以在Demkolec.IGCC示范工程中使用过的3种燃料(哥伦比亚煤2.2.2固 态渣层控制方程EI Cerrejon、德雷顿煤Drayton和石油焦petroleum(1)质量守恒coke)为例，围绕3种燃料的元素分析及其相应的运对于固态渣层,渣层厚度8。的变化基于单位面行初参数(011展开动态仿真试验.积渣的熔融量中设计工况下在?种燃的λ中国煤化工氧/煤质量比ρ.=-中l8。(13)(mo/m.)分:0HCN MHG95阶跃上升+1%，人炉. Jm.(以EI Cerre-式中:p.为固态渣的密度.jon煤为例)从0.068 8阶跃上升+ 20%的情况下，(2)能量守恒考察这些变化对气化炉气化参数的影响.图3给出动学报第32卷了气化参数m.x、8r8T。和煤气组分(CO、H2及度、渣层厚度和底部渣流量等参数呈现了与mo/m。CO2)对mo/me和m./m.阶跃变化的响应.发生阶跃突变时相反的变化趋势，见图3(a)~由图3可知,当mo/m。发生十1%的阶跃变化图3(d).时,各气化参数的变化趋势按照图示规律分为两个在煤气成分方面,增大mo/m。促进了燃烧反.阶段:第1阶段,氧气质量增加促进燃烧反应,系统应,系统温度升高,气化进程加快,一氧化碳和氢气温度升高,热量传递到液态渣层使得更多固态渣转燃烧生成更多二氧化碳和水蒸气;而另一方面,化学化为熔融态渣;由于熔融态渣的黏性系数与温度成反应平衡常数也受到气化温度的影响.根据式(2),反比,随着渣层温度的升高，黏性系数臧小,意味着在第2阶段,化学反应平衡则会因气化温度降低而熔融态渣的流速升高,在黏性和流速二者的作用下，向二氧化碳和氢气的生成量减少、-氧化碳生成量出口灰渣的质量流量也随之增加;越来越多的热量增加的方向移动.因此,在第1阶段,煤气中CO2的从煤气侧进人渣层侧,气化温度经过最初的升高阶体积分数会由于燃烧反应的加强而快速增大,H2的段达到峰值后逐渐降低,进人第2阶段,最后在高于体积分数则由于燃烧反应的消耗而快速减小;在第初温的新点处达到稳定;而底部出口灰渣的质量流2阶段,在化学反应平衡推移的影响下,CO2的体积量也会随着温度的变化而逐渐降低,最后稳定在初分数继续增大,而H2的体积分数则由减小转为增始值,而固态和熔融态渣层也会发生相应变化,见图大,CO的体积分数呈现了与CO2体积分数相反的3(a)~图3(d).当m./m。发生+20%的阶跃变化变化特征.时,增加的水蒸气会增强气化反应,吸收热量的同时当m,/m.增大时,增加水蒸气强化了气化反.使得系统温度降低.以EI Cerrejon 煤为例，气化温应,系统温度降低，导致水煤气反应平衡向CO2和+1%mo/mc一EI Cerrejon煤.... Drayton煤.... Petr. Coke煤1860+1% m/meEI Cerrejon煤这+20% ms/meDrayton煤- EI Crrejon煤Petr. Coke煤年1800 |. EI Cerrejon煤05 0001000015 000500010 000111/s(a)气化温度(b)底部出口灰渣质量流量+1% mo/meEI Cerejon煤+20% m:/me- EI Crrcjon煤+1% m./me0.6Draylon煤+20% m./me一- EI Cerrejon煤宣0.3-t1(c)熔融态渣层厚度(d)固态渣层厚度+1% mo/me一EI Cerrejon煤i +20% mg/me 一- EI Cerrejon煤Drayton煤..i3 t+1% mo/me - - EI Cerrejon煤Petr Coke煤62-+20%m./me一- EI Cerrejon煤+1% mo/me- EI Cerrejon煤8 6135000 10 000015 000605+20%m/mc二= ELCemejon中国煤化工一10000I5 000000 10 000t/sI/sTYHCNMH."s.(e)煤气中CO2的体积分数(f)煤气中CO的体积分数计il2 的体积分数图3气化炉模型 的动态响应特性Fig. 3 Simulated dynamic response of gasifier第1期孙博,等:带有流动渣层的 气化炉动态建模与仿真●83.Hz的体积分数增大.CO的体积分数减小的方向移的研究一建 模部分[J].动力工程, 2001,21(2):动.因此,在第1阶段,煤气中CO的体积分数会快1161-1168.速减小,H2和CO:的体积分数则快速增大;在第2LI Zheng, WANG Tianjiao, HAN Zhiming, et al.Study on mathematical model of texaco gasifier -mod-阶段,在气化温度开始回升的影响下,CO2和H2体eling[J]. Journal of Power Engineering, 2001， 21积分数的变化趋势由增大转为减小,CO的体积分(2):1161-1168.数则呈现了与CO2体积分数相反的变化特性.[3] 王辅臣,龚欣,代正华,等. Shell粉煤气化炉的分析与从m./m.阶跃变化+ 20%和m./m。阶跃变化模拟[J].华东理工大学学报:自然科学版, 2003,29+1%分别对气化参数的影响比较可知,氧量对系统(2) :202-205.温度的影响较大,而m./m.对系统温度及气化参数WANG Fuchen, GONG Xin, DAI Zhenghua, et al.的影响远弱于m。/m.;另一方面,水蒸气在气化炉的Process analysis and simulation of Shell pulverized输人中仅占有很小的比例.因此,在进行变工况调节coal gasifier[J]. Journal of East China University of时,可以不考虑以人炉水蒸气质量作为测量基准,且Science and Technology: Natural Science, 2003，29实际工程中,人炉氧气质量比人炉煤的质量易于测量,可以选用氧气质量作为测量基准,以控制mo/m。[4]吴学成,王勤辉，骆仲泱,等. 气化参数影响气流床煤为目的对煤量进行调节以实现负荷控制,对水蒸气气化的模型研究(I)一模型预测及分析[J]. 浙江大学学报:工学版,2004,38(11):1483- 1489.的调节可实现对气化温度的微调.而从图3中施加WU Xuecheng, WANG Qinhui, LUO Zhongyang, et了相同阶跃变化的3种煤的参数对比来看，当气化al. Modelling on effects of operation parameters on参数相同时,3种煤呈现了相似的变化规律,但由于entrained flow coal gasification( II ): model prediction煤的成分、灰渣的黏性系数及熔融温度不同,则表现nd analysis[J]. Journal of Zhejiang University: Engi-为不同的渣层厚度以及不同时间长度的惯性环节.neering Science, 2004， 38(11):1483-1489.同时,相似的动态特性也说明:对于燃用不同煤种的[5] SCHOEN P. Dynamic modeling and control of inte-IGCC系统,可以采用相似的控制策略,并针对不同grated coal gasification combined cycle units [D].煤种的成分、灰渣的物性特征确定相应参数.Delft: Faculty of Mechanical Engineering and MarineTechnology, Delft University of Technology, 1993.4结论[6] SMOOT L D，BROWN B w. Controlling mecha-nisms in gasification of pulverized coal [J]. Fuel,(1)氧量对气化参数的影响远大于水蒸气对气1987, 66(9):1249-1256.化参数的影响,因此氧量可作为变工况调节的测量[7] CHENC, KAMIYA H, HORIO M, etal. On the基准.scalingup of a two-stage air blown entrained flow(2)对应于相同的气化参数,3种煤呈现了相似coal gasifier[J]. The Canadian Journal of Chemical的变化规律,因此可采用相同的控制策略,并根据具.Engineering,2009，77<4) :745-751.体煤的成分及灰渣物性确定相应参数.[8] BIRDR B, STEWART W E，LIGHTFOOT E N.(3)该- -维模型可以得到气化参数在人炉参数Transport phenomena[M]. 2nd ed. New York: JohnWiley & Sons, 2001.发生变化时的动态响应,且动态变化需要较长的时间才能达到稳定,因此在进行IGCC系统控制研究[9] SEGGIANI M. Modelling and simulation of time var-ying slag flow in a Prenflo entrained-flow gasifier[J]. ,时,必须考虑气化炉的动态特性.Fuel, 1998, 77(14) :1611-1621.参考文献:[10] EURLINGSJ T G M, PLOEG J E G. Process per-formance of the SCGP at Buggenum IGCC[C]//Gasi-[1]段立强,林汝谋，金红光,等.整体煤气化联合循环fication Technologies Conference. San Francisco, Cali-(IGCC)[J].燃气轮机技术,2000,13(1):9-17.fornia:[s. n],1999.DUAN Liqiang，, LIN Rumou, JIN Hongguang, et[11] BORREGO A G, ALVAREZ D, MENENDEZ R.al. Development of the technology of integrated gasi-; ceal 2n char structurefication combined cycle( IGCC)[J]. Gas Turbine Tech-and c中国煤化工，197, 11(3):nology, 2000, 13(1):9-17.702-708:MYHCNM HG[2]李政 ,王天骄,韩志明，等. Texaco 煤气化炉数学模型