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

第32卷第12期動(dòng)力工程學(xué)報Vol, 32 No. 122012 年12月Journal of Chinese Society of Power EngineeringDee. 2012文章編號:1674-7607<2012)12-0979-05中圖分類(lèi)號:TQ546文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:480.80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)葉輪機械研究所，上海200240)摘要:由于普通集總渣層法模型無(wú)法反映氣化爐中各參數的分布特性,將水煤漿氣化爐仿真中運用的小室建模方法與集總渣層法模型相結合,形成一種新的小室渣層法氣化爐模型,并使用該模型對shell氣化爐進(jìn)行仿真.將模型仿真得到的穩態(tài)與動(dòng)態(tài)結果與已有文獻數據及原有集總渣層法的仿真結果進(jìn)行了對比和分析.結果表明:小室渣層法的仿真結果與文獻數據相吻合,具有良好的可行性,且在參數分布變化仿真方面的性能優(yōu)于傳統的集總渣層法模型.關(guān)鍵詞: shell 氣化爐;小室渣層法;集總渣層法;動(dòng)態(tài)建模;仿真An Improved Dynamic Model and Simulation of Shell GasifiersBased on Slag Layer MethodTANG Kai-feng，ZHANG Huisheng，WENG Shi-lie(Institute of Turbomachinery, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)Abstract: To solve the problem that conventional model of gasifier based on lumped slag layer method can'treflect the distributed- parameter characteristics in the gasifier, a new cell-slag model was built to cover theshortage of conventional model, which takes the advantage of both the lumped slag layer method and thecell method for simulation of coal slurry gasifiers. Using the new model, numerical simulation was madeon a shell gasifier, of which the results obtained at both steady and dynamic state were analyzed and com-pared with corresponding literature data and the simulation results based on original lumped slag layermethod. Results show that the simulation results by the cell-slag method agree well with correspondingliterature data, proving the new method to be feasible and superior to conventional model in simulation ofdistributed- parameter characteristics.Key words: shell gasifier; cll-slag method; lumped slag layer method; dynamic modeling; simulation氣化爐作為1GCC聯(lián)合循環(huán)的關(guān)鍵部件,其工新型可持續發(fā)展能源系統的核心和基礎.因此，氣作情況對IGCC電站的安全運行與工作特性有很大化爐的建模是一項重要的基礎研究工作[1。影響,而進(jìn)行氣化爐試驗需要耗費較大的資源,并且在以往傳統的shell氣化爐仿真過(guò)程中,研究人存在很大的安全隱患.此外，隨著(zhù)人類(lèi)對可持續發(fā)員大多使用集總渣層法進(jìn)行氣化爐仿真,該方法主展的重視，煤、生物質(zhì)以及廢棄物的氣化將是未來(lái)要致力于對中國煤化工青況進(jìn)行模擬，收稿日期:2012-04-19修訂日期:2012-05-22MHCNM HG作者簡(jiǎn)介:唐凱鋒(1988-),男,湖南寧鄉人,碩士研究生,主要從事I6CC系統建模與仿真研究.張會(huì )生(聯(lián)系人),男,教授,電話(huà)(Tel. );13818875114;E-mail:zhslm@ sjtu. edu. cn..動(dòng)力工程學(xué)報第32卷主要動(dòng)態(tài)特性和熱慣性都表現在渣層模型中,而對氣化爐出口A(yíng)氣化爐內部的氣化反應過(guò)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(guò)程及組分和溫度氣化爐H周態(tài)渣層]的分布特性,所以其對氣化爐內部反應的模擬能力內部小窒f液態(tài)渣層較弱,只能得出一個(gè)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(shí)間有限氣化爐出口產(chǎn)物實(shí)際上達不到化學(xué)平衡的情況[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(jìn)氣化爐入口▲行改進(jìn),提出一種全新的小室渣層法,將氣化爐內部圖1小室渣層法結構簡(jiǎn)圖沿軸向分為若千個(gè)小室,對每個(gè)小室內部的氣化反Fig. 1 Schematic diagram of the ell-slag method應情況進(jìn)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.dT= 2X1改進(jìn)后的小室渣層 法由于集總渣層法模型中沒(méi)有體現溫度與氣體組q1-qz+[z. DH(T。-到+中(Tm- 1]pCp.1δ1分在軸向上的分布,因此筆者通過(guò)小室渣層法實(shí)現(2)了這個(gè)目的.小室渣層法是將氣化爐沿軸向分為若固態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程:干個(gè)小室,每個(gè)小室看做一-個(gè)單獨的反應器建立其1 dT.各自的化學(xué)平衡模型.能量平衡模型.然后再將已經(jīng)中m =-.92-93- 2 dt Pso.Cp.n(3)建立的小室模型與爐壁的渣層結合起來(lái),這樣的模cp.(T.- Tm)型既能體現出渣層變化對氣化爐反應的影響,也能固態(tài)渣層能量守恒方程: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-d8,- dIDsδCp.樣,主要差異在于小室內的組分平衡模型和能量平dp:.Ce,.(T,- Tm)]衡模型.耐火爐襯能量守恒方程:小室模型的主要假設如下:(1)氣化爐內的流動(dòng)dT.__ 2為均勻平推流,不考慮徑向溫度、濃度等參數的差異和物質(zhì)交換;(2)氣化爐的預熱、水分蒸發(fā)以及揮發(fā)式中:D為氣化爐直徑;H為氣化爐高度;ρ為液態(tài)分釋放過(guò)程在進(jìn)人爐后的瞬間完成;(3)水煤漿在完渣的密度;p.為固態(tài)渣的密度;px為耐火爐襯的密成水分蒸發(fā)和揮發(fā)分釋放后,煤顆粒不結團,彼此可度;T,為固態(tài)渣層的平均溫度;T;為液態(tài)渣層的平獨立存在;(4)縮核不縮碳假定,煤顆粒在氣化爐內均溫度;Tw為爐壁溫度;Tg為爐內平均溫度;Tm為的全部反應過(guò)程中,灰殼通過(guò)縫隙擴散進(jìn)人煤顆粒，渣層的融化臨界溫度;δ。,δ，δ,分別表示固態(tài)渣層、與碳核發(fā)生反應;(5)固體顆粒形態(tài)近似為球形;(6)液態(tài)渣層和耐火爐襯的厚度;cp.為固態(tài)渣層的比定煤氣的主要成分是CO2、CO、H2O、H2、CH. H2S壓熱容.和N2.渣層分為液態(tài)和固態(tài)2層.氣化爐向渣層提供圖1為小室渣層法結構簡(jiǎn)圖.了熱流密度q和進(jìn)入壁面渣層的灰渣量mm,固態(tài)1.1 渣層模型渣層單位面積的溶解量用中表示.圖2為模型中與集總渣層法的渣層模型一樣,小室渣層法的氣化爐渣層模型的質(zhì)量與能量平衡示意圖.渣層模型可以分為能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，1.2小室組分 平衡模型與集的臺斷葉中的的公四衡采用的分子守恒法具體微分方程組[41]如下:不同,小中國煤化工體I二來(lái)氣化過(guò)程中各個(gè)液態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程: .反應的反H. CNM HG變化來(lái)計算每種組d8;_1西tm:n一m。(1)d= :Pm+3.14DH分含量的51.分子守恒法只是通過(guò)一組簡(jiǎn)單的多元液態(tài)渣層能量守恒方程:一次方程來(lái)計算組分隨溫度的變化,所以其反應過(guò)..第12期唐凱鋒,等: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●981●相似,都是利用化學(xué)反應熱和煙氣總焓的能量守恒來(lái)計算爐內溫度的,不同之處在于集總渣層法只對氣化爐進(jìn)行一次溫度計算,仿真結果中氣化爐內各處溫度-致,而小室渣層法在每個(gè)小室中都要對溫Ta度進(jìn)行計算,可以得到溫度沿軸向的分布情況.只__Shell氣化爐模型中能量平衡的算法涉及到化學(xué)反應放熱,而且化學(xué)反應是有速率的，因此模型的CV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[以: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(M.,cp.+ 2M.scp.,)=)d程是瞬態(tài)的,不能準確模擬爐內反應特性,不如小室W.r-lCp.T-.- W.cp..T.+法中的化學(xué)反應速率方法精確和真實(shí).以任意i小TH M.1Y1.c.;-室為例,組分模型可表示為圖3所示0。GjunT, 2M.Yi.jCp.n, + Qcn.,-Qs. (9)4.式中:cp..為固體的比定壓熱容;cp.,為第j種氣體的比定壓熱容;T;為小室i內的平均溫度;QcH.,為圖3小室i中的速率模型第i小室內燃料燃燒放出的熱流量;Q.,為第i小室Fig.3 Rate model in cell i的散熱量.dMyYyu-=-,-+W..+R..-G.. (6)2結果及分析由于已經(jīng)對集總渣層法模型進(jìn)行過(guò)對比試驗，式中:i為小室編號;j為第j種氣體成分;M.為第i證明此模型穩態(tài)結果和動(dòng)態(tài)結果與文獻數據相符，小室所有氣體成分的物質(zhì)的量;Y為第i小室中第因此將集總渣層法作為參考比較兩模型的優(yōu)劣.j種氣體成分的摩爾分數;W..為加入i小室的氣體2.1穩態(tài)結果分析成分j的體積流率;G,.-為由i-1小室流入i小室采用文獻[5]提供的氣化爐的內部參數，按照.的氣體的體積流率;G..為流出i小室的氣體的體積文獻[1]提供的Buggenum電站使用EI煤的數據進(jìn)流率;R;為i小室的氣體成分j通過(guò)各種化學(xué)反應行計算,得出兩模型的穩態(tài)仿真結果并與文獻中結生成或者消耗的凈流率.果進(jìn)行比較,結果示于表1.小室內的化學(xué)反應過(guò)程分為同相反應和異相反表1氣化爐出口氣體摩爾分數穩態(tài)結果比較應,其中同相反應速率利用式(7)計算[4:Tab. 1 Comparison of steady-state mol fraction ofvarious gas components%k,=koexp(-示)CnCg .(7)氣化爐出口氣集 總渣層法小室渣層法文獻結果式中:計算常數C、Cp、E、k.通過(guò)查表得到;k;的單體摩爾分數仿真結果位為kmol/(m°●s).x(CO)65. 365. 063.1而異相反應速率利用式(8)計算[7]:x(H2)29.429. 530.01x(CO2)0. 250.930. 80x( H2O)0. 421.271. 50[+￥+一(立-1)」(P;- P; )(8)由表1i中國煤化工結果基本與式中:常數keaf、kdauh、k。通過(guò)查表得到.文獻中結果-:YHCN M H G渣層法中的1.3 小室能量平衡模型CO2和H2O的摩爾分數,小室渣層法的仿真結果更集總渣層法與小室渣層法的能量平衡計算方法接近真實(shí)情況.982●動(dòng)力工程學(xué)報第32卷本文的小室模型共分了10個(gè)小室,因此可以得出口氣體組分的變化趨勢是-致的，且階躍量基本出氣體組分沿氣化爐軸向的分布情況.圖4為10個(gè)相等,此結果與文獻[6]中的動(dòng)態(tài)仿真結果相吻合.小室中氣體組分的分布情況,結果與文獻[7]中的數因此,可以得出集總渣層法與小室渣層法對氣體組值基本吻合.分的動(dòng)態(tài)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.. 800-由于進(jìn)氧量增加,爐內溫度迅速提高,導致一氧互1600-化碳的氧化反應速率加快,因此二氧化碳含量迅速身1400+H2容1 200-增加,同時(shí)也導致水蒸氣含量增加,而一氧化碳和氫t H2O基|000800-氣含量都減少.600F因為渣層的慣性作用,增加的熱量無(wú)法迅速傳出去,從而導致合成氣的出口溫度迅速提高，隨著(zhù)傳出200-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,導致渣排小室編號4小室渣層法模型仿真所得氣體組分分布的穩態(tài)結果出量暫時(shí)增加，液態(tài)、固態(tài)渣層的厚度減小直到排出Fig.4 Steady-state distribution of various gas量恢復原始值.圖7給出了當進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí)，components by cell-slag model集總渣層法和小室渣層法液態(tài)渣層厚度的動(dòng)態(tài)仿真結果.由圖7可知,2種模型的液態(tài)渣層動(dòng)態(tài)仿真結2.2動(dòng)態(tài)結果分 析圖5和圖6分別給出了當進(jìn)氧量階躍增加1%果的趨勢基本一致,可見(jiàn)兩模型的渣層部分性質(zhì)相時(shí),集總渣層法和小室渣層法的CO和H2摩爾分似,說(shuō)明小室渣層法對渣層的模擬符合實(shí)際情況.0.004 3p數的變化.由圖5和圖6可以看出,2種方法氣化爐0.004 2-+小室渣層法0.654 0-小室渣層法0.00+集總渣層法0.653 50.004歌0.008燜0.0030.003 I0.652 (0.003 s0.003 4-0.651 s|0 1000 2000 3000 4000 5000030 40 5011圖7當進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí),集總渣層法和圖5當進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí),小室渣層法和.小室渣層法液態(tài)渣層厚度動(dòng)態(tài)仿真結果集總渣層法的CO摩爾分數的變化Fig.7 The change of molten slag thickness by cell and lumpedFig.5 The change of co molar fraction by cell- slag and lumpedmodel with an oxygen step increase by 1%slag layer model with an oxygen step increase by 1%圖8給出了當進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí),集總渣0.2945pD.294 of1 7700.2931765I1 760單0.292 s1 7551750工0.291 s17450.291 (0.2901 73520 305040t1中國煤化工圖6當進(jìn)氧量階躍增加1%時(shí),小室渣層法和YHCNMHG總渣層法和集總渣層法的H2摩爾分數的變化小室渣層法氣化爐出口溫度動(dòng)態(tài)仿真結果Fig.6 The change of H2 molar fraction by cll-slag and lumpedFig.8 The change of outlet tenperature by cell and lumped.第12期唐凱鋒,等: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983●層法和小室渣層法氣化爐出口溫度動(dòng)態(tài)仿真結果.工程,2007, 27(5) :810-814. .由圖8可以看出,集總渣層法比小室渣層法的溫度GAO Jjian, NI Weidou,LI Zheng,et al. Option of IGCC變化更大，文獻[6]中溫度的變化ST=20 K,因此system's key components and their influence on thepower plants overall performance: (1) the gasifier[J].小室渣層法與真實(shí)情況更加接近,而根據前文提到Journal of Power Engineering, 2007 ,27(5) :810-814.的氣化爐內溫度應該先迅速升高再慢慢降低,可知[3]劉耀鑫,昊少華 ,李振中,等.兩段式水煤漿氣化爐氣化小室渣層法更加接近實(shí)際情況.參數對IGCC系統性能的影響[J].動(dòng)力工程學(xué)報，2012 ,32(3):249-254.3結論LIU Yaoxin, WU Shaohua, LI Zhenzhong, et al. Influ-(1)根據各項性能的比較可以得出小室渣層法ence of gasification parameters in a two-stage coal slur-ry gasifier on performance of the IGCC system[J].完全能夠運用到shell氣化爐的仿真中.Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012，(2)小室渣層法的組分變化不是瞬態(tài)的，由小32(3) :249-254. .室渣層法能得出各組分的變化情況.[4] SCHOEN P. Dynamic modeling and control of integrat-(3)小室渣層法能模擬出組分和溫度在軸向的ed coal gasification combined cycle unites[D]. Nether分布情況,有利于對氣化爐性質(zhì)的研究.lands:Delft University of Technology,1993.(4)由小室渣層法仿真得到的溫度及渣層的變[5] SUN Bo, LIU Yongwen, CHEN Xi, et al. Dynamic :化趨勢與試驗結果更吻合.modeling and simulation of shell gasifier in IGCC[J].Fuel Processing Technology ,2011 ,92(8) :1418-1425.(5)小室渣層法模型完全能應用于氣化爐仿真[6] 李政,王天驕,韓志明,等. Texaco煤氣化爐數學(xué)模型計算，根據小室渣層法的特性,可以將其應用于煤粉的研究-一建模 部分[J].動(dòng)力工程，2001,21 (2):爐結構、形狀、尺寸的設計計算以及IGCC冷煤氣效1161-1165.率的優(yōu)化計算等研究中,為煤粉爐的仿真建模提供LI Zheng, WANG Tianjiao, HAN Zhiming,et al. Re-更多參考.search of mathematical modeI of Texaco gasifier : mod-eling[J]. Journal of Power Engineering. 2001,21(2):參考文獻:[1] 焦樹(shù)建.整體煤氣化燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京:中[7] WEN C Y,CHAUNG T Z. Entrainment coal gasifica-tion modeling [J]. Industrial and Engineering Chemis-國電力出版社,1996.[2] 高健,倪維斗,李政，等. IGCC系統關(guān)鍵部件的選擇及try ,Process Design and Development, 1979, 18(4) :684-其對電廠(chǎng)整體性能的影響--- -(1)氣化爐篇[J]. 動(dòng)力694.(上接第970頁(yè))[12] Zolt' an Donk' o. Particle simulation methods for stud-An evaluation method of dielectric barrier dischargeies of low- pressure plasma sources [J ]. Plasmareactors for NO, removal and characteristics analysisSources Sci Technol, 2011, 20(2):. 024001 doi; 10.of gas flow rate[J]. Proceedings of the CSEE,2010,301088/0963 -0252/20/2/024001. .(11):27-30.[13] HAGELAAR GJ M，PITCHFORD L C. Solving the[15] 徐學(xué)基,諸定昌.氣體放電物理[M].上海:復旦大學(xué)Boltzmann eequation to obtain electron transport coef-出版社,1996.ficients and rate coefficients for fluid models[J]. Plas-[16] TAKAKI K. HATANAKA Y, ARIMA K, etal. In-ma Sources Sci Technol, 2005, 14(4):722-733.fluence of electrode configuration on ozone synthesis[14]高旭東，孫保民,肖海平，等.介質(zhì)阻擋放電脫除NO,and microdischarge property in dielectric barrier dis-反應器的評價(jià)方法及運行流量特性分析[J].中國電charge reactor[J]. Vacum, 2009 ,83(1):128-132.機工程學(xué)報,2010.30(11):27-30.[17] 張芝濤.大氣壓窄間隙DBD等離子體源與應用基礎GAO Xudong, SUN Baomin, XIAO Haiping,et al.研究[D]中國煤化工YHCNM HG