基于渣层法的改进型shell气化炉动态建模与仿真研究

第32卷第12期动力工程学报Vol, 32 No. 122012 年12月Journal of Chinese Society of Power EngineeringDee. 2012文章编号:1674-7607<2012)12-0979-05中图分类号:TQ546文献标识码:A学科分类号:480.80基于渣层法的改进型shell气化炉动态建模与仿真研究唐凯锋，张会生， 翁史烈(.上海交通大学叶轮机械研究所，上海200240)摘要:由于普通集总渣层法模型无法反映气化炉中各参数的分布特性,将水煤浆气化炉仿真中运用的小室建模方法与集总渣层法模型相结合,形成一种新的小室渣层法气化炉模型,并使用该模型对shell气化炉进行仿真.将模型仿真得到的稳态与动态结果与已有文献数据及原有集总渣层法的仿真结果进行了对比和分析.结果表明:小室渣层法的仿真结果与文献数据相吻合,具有良好的可行性,且在参数分布变化仿真方面的性能优于传统的集总渣层法模型.关键词: shell 气化炉;小室渣层法;集总渣层法;动态建模;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气化炉作为1GCC联合循环的关键部件,其工新型可持续发展能源系统的核心和基础.因此，气作情况对IGCC电站的安全运行与工作特性有很大化炉的建模是一项重要的基础研究工作[1。影响,而进行气化炉试验需要耗费较大的资源,并且在以往传统的shell气化炉仿真过程中,研究人存在很大的安全隐患.此外，随着人类对可持续发员大多使用集总渣层法进行气化炉仿真,该方法主展的重视，煤、生物质以及废弃物的气化将是未来要致力于对中国煤化工青况进行模拟，收稿日期:2012-04-19修订日期:2012-05-22MHCNM HG作者简介:唐凯锋(1988-),男,湖南宁乡人,硕士研究生,主要从事I6CC系统建模与仿真研究.张会生(联系人),男,教授,电话(Tel. );13818875114;E-mail:zhslm@ sjtu. edu. cn..动力工程学报第32卷主要动态特性和热惯性都表现在渣层模型中,而对气化炉出口A气化炉内部的气化反应过程采用集总参数法处理，忽略了气化炉内部的煤气化反应过程及组分和温度气化炉H周态渣层]的分布特性,所以其对气化炉内部反应的模拟能力内部小窒f液态渣层较弱,只能得出一个集总的输出参数,这种模型不能反映反应器和部件的结构、形状和尺寸的影响，也不能反映由于停留时间有限气化炉出口产物实际上达不到化学平衡的情况[3].为克服上述缺陷,笔者在常规集总渣层法的基础上,对shell气化炉模型进气化炉入口▲行改进,提出一种全新的小室渣层法,将气化炉内部图1小室渣层法结构简图沿轴向分为若千个小室,对每个小室内部的气化反Fig. 1 Schematic diagram of the ell-slag method应情况进行模拟,得到更加准确的气化炉模型,为IGCC系统仿真提供参考.dT= 2X1改进后的小室渣层 法由于集总渣层法模型中没有体现温度与气体组q1-qz+[z. DH(T。-到+中(Tm- 1]pCp.1δ1分在轴向上的分布,因此笔者通过小室渣层法实现(2)了这个目的.小室渣层法是将气化炉沿轴向分为若固态渣层质量守恒方程:干个小室,每个小室看做一-个单独的反应器建立其1 dT.各自的化学平衡模型.能量平衡模型.然后再将已经中m =-.92-93- 2 dt Pso.Cp.n(3)建立的小室模型与炉壁的渣层结合起来,这样的模cp.(T.- Tm)型既能体现出渣层变化对气化炉反应的影响,也能固态渣层能量守恒方程:得出气化炉内部的温度和组分分布.小室渣层法中渣层模型的处理方法与集总渣层法中的处理方法-d8,- dIDsδCp.样,主要差异在于小室内的组分平衡模型和能量平dp:.Ce,.(T,- Tm)]衡模型.耐火炉衬能量守恒方程:小室模型的主要假设如下:(1)气化炉内的流动dT.__ 2为均匀平推流,不考虑径向温度、浓度等参数的差异和物质交换;(2)气化炉的预热、水分蒸发以及挥发式中:D为气化炉直径;H为气化炉高度;ρ为液态分释放过程在进人炉后的瞬间完成;(3)水煤浆在完渣的密度;p.为固态渣的密度;px为耐火炉衬的密成水分蒸发和挥发分释放后,煤颗粒不结团,彼此可度;T,为固态渣层的平均温度;T;为液态渣层的平独立存在;(4)缩核不缩碳假定,煤颗粒在气化炉内均温度;Tw为炉壁温度;Tg为炉内平均温度;Tm为的全部反应过程中,灰壳通过缝隙扩散进人煤颗粒，渣层的融化临界温度;δ。,δ，δ,分别表示固态渣层、与碳核发生反应;(5)固体颗粒形态近似为球形;(6)液态渣层和耐火炉衬的厚度;cp.为固态渣层的比定煤气的主要成分是CO2、CO、H2O、H2、CH. H2S压热容.和N2.渣层分为液态和固态2层.气化炉向渣层提供图1为小室渣层法结构简图.了热流密度q和进入壁面渣层的灰渣量mm,固态1.1 渣层模型渣层单位面积的溶解量用中表示.图2为模型中与集总渣层法的渣层模型一样,小室渣层法的气化炉渣层模型的质量与能量平衡示意图.渣层模型可以分为能量守恒方程和动量守恒方程，1.2小室组分 平衡模型与集的台断叶中的的公四衡采用的分子守恒法具体微分方程组[41]如下:不同,小中国煤化工体I二来气化过程中各个液态渣层质量守恒方程: .反应的反H. CNM HG变化来计算每种组d8;_1西tm:n一m。(1)d= :Pm+3.14DH分含量的51.分子守恒法只是通过一组简单的多元液态渣层能量守恒方程:一次方程来计算组分随温度的变化,所以其反应过..第12期唐凯锋,等:基于渣层法的改进型shell 气化炉动态建模与仿真研究●981●相似,都是利用化学反应热和烟气总焓的能量守恒来计算炉内温度的,不同之处在于集总渣层法只对气化炉进行一次温度计算,仿真结果中气化炉内各处温度-致,而小室渣层法在每个小室中都要对温Ta度进行计算,可以得到温度沿轴向的分布情况.只__Shell气化炉模型中能量平衡的算法涉及到化学反应放热,而且化学反应是有速率的，因此模型的CV能量平衡方程中温度是状态变量,以i小室为例，能量平衡方程如下[以:图2 渣层模型的质量与能量平衡Fig.2 Mass and energy balance of the slag model(M.,cp.+ 2M.scp.,)=)d程是瞬态的,不能准确模拟炉内反应特性,不如小室W.r-lCp.T-.- W.cp..T.+法中的化学反应速率方法精确和真实.以任意i小TH M.1Y1.c.;-室为例,组分模型可表示为图3所示0。GjunT, 2M.Yi.jCp.n, + Qcn.,-Qs. (9)4.式中:cp..为固体的比定压热容;cp.,为第j种气体的比定压热容;T;为小室i内的平均温度;QcH.,为图3小室i中的速率模型第i小室内燃料燃烧放出的热流量;Q.,为第i小室Fig.3 Rate model in cell i的散热量.dMyYyu-=-,-+W..+R..-G.. (6)2结果及分析由于已经对集总渣层法模型进行过对比试验，式中:i为小室编号;j为第j种气体成分;M.为第i证明此模型稳态结果和动态结果与文献数据相符，小室所有气体成分的物质的量;Y为第i小室中第因此将集总渣层法作为参考比较两模型的优劣.j种气体成分的摩尔分数;W..为加入i小室的气体2.1稳态结果分析成分j的体积流率;G,.-为由i-1小室流入i小室采用文献[5]提供的气化炉的内部参数，按照.的气体的体积流率;G..为流出i小室的气体的体积文献[1]提供的Buggenum电站使用EI煤的数据进流率;R;为i小室的气体成分j通过各种化学反应行计算,得出两模型的稳态仿真结果并与文献中结生成或者消耗的净流率.果进行比较,结果示于表1.小室内的化学反应过程分为同相反应和异相反表1气化炉出口气体摩尔分数稳态结果比较应,其中同相反应速率利用式(7)计算[4:Tab. 1 Comparison of steady-state mol fraction ofvarious gas components%k,=koexp(-示)CnCg .(7)气化炉出口气集 总渣层法小室渣层法文献结果式中:计算常数C、Cp、E、k.通过查表得到;k;的单体摩尔分数仿真结果位为kmol/(m°●s).x(CO)65. 365. 063.1而异相反应速率利用式(8)计算[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中国煤化工结果基本与式中:常数keaf、kdauh、k。通过查表得到.文献中结果-:YHCN M H G渣层法中的1.3 小室能量平衡模型CO2和H2O的摩尔分数,小室渣层法的仿真结果更集总渣层法与小室渣层法的能量平衡计算方法接近真实情况.982●动力工程学报第32卷本文的小室模型共分了10个小室,因此可以得出口气体组分的变化趋势是-致的，且阶跃量基本出气体组分沿气化炉轴向的分布情况.图4为10个相等,此结果与文献[6]中的动态仿真结果相吻合.小室中气体组分的分布情况,结果与文献[7]中的数因此,可以得出集总渣层法与小室渣层法对气体组值基本吻合.分的动态仿真结果基本一致,证明了小室渣层法完全可以运用于对shell炉的仿真中.. 800-由于进氧量增加,炉内温度迅速提高,导致一氧互1600-化碳的氧化反应速率加快,因此二氧化碳含量迅速身1400+H2容1 200-增加,同时也导致水蒸气含量增加,而一氧化碳和氢t H2O基|000800-气含量都减少.600F因为渣层的惯性作用,增加的热量无法迅速传出去,从而导致合成气的出口温度迅速提高，随着传出200-热量的增加,合成气温度逐渐降低直到稳定.传给渣层表面的热量增加，使渣层表面温度升高,导致渣排小室编号4小室渣层法模型仿真所得气体组分分布的稳态结果出量暂时增加，液态、固态渣层的厚度减小直到排出Fig.4 Steady-state distribution of various gas量恢复原始值.图7给出了当进氧量阶跃增加1%时，components by cell-slag model集总渣层法和小室渣层法液态渣层厚度的动态仿真结果.由图7可知,2种模型的液态渣层动态仿真结2.2动态结果分 析图5和图6分别给出了当进氧量阶跃增加1%果的趋势基本一致,可见两模型的渣层部分性质相时,集总渣层法和小室渣层法的CO和H2摩尔分似,说明小室渣层法对渣层的模拟符合实际情况.0.004 3p数的变化.由图5和图6可以看出,2种方法气化炉0.004 2-+小室渣层法0.654 0-小室渣层法0.00+集总渣层法0.653 50.004歌0.008焖0.0030.003 I0.652 (0.003 s0.003 4-0.651 s|0 1000 2000 3000 4000 5000030 40 5011图7当进氧量阶跃增加1%时,集总渣层法和图5当进氧量阶跃增加1%时,小室渣层法和.小室渣层法液态渣层厚度动态仿真结果集总渣层法的CO摩尔分数的变化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%图8给出了当进氧量阶跃增加1%时,集总渣0.2945pD.294 of1 7700.2931765I1 760单0.292 s1 7551750工0.291 s17450.291 (0.2901 73520 305040t1中国煤化工图6当进氧量阶跃增加1%时,小室渣层法和YHCNMHG总渣层法和集总渣层法的H2摩尔分数的变化小室渣层法气化炉出口温度动态仿真结果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期唐凯锋,等:基于渣层法的改进型shell 气化炉动态建模与仿真研究983●层法和小室渣层法气化炉出口温度动态仿真结果.工程,2007, 27(5) :810-814. .由图8可以看出,集总渣层法比小室渣层法的温度GAO Jjian, NI Weidou,LI Zheng,et al. Option of IGCC变化更大，文献[6]中温度的变化ST=20 K,因此system's key components and their influence on thepower plants overall performance: (1) the gasifier[J].小室渣层法与真实情况更加接近,而根据前文提到Journal of Power Engineering, 2007 ,27(5) :810-814.的气化炉内温度应该先迅速升高再慢慢降低,可知[3]刘耀鑫,昊少华 ,李振中,等.两段式水煤浆气化炉气化小室渣层法更加接近实际情况.参数对IGCC系统性能的影响[J].动力工程学报，2012 ,32(3):249-254.3结论LIU Yaoxin, WU Shaohua, LI Zhenzhong, et al. Influ-(1)根据各项性能的比较可以得出小室渣层法ence of gasification parameters in a two-stage coal slur-ry gasifier on performance of the IGCC system[J].完全能够运用到shell气化炉的仿真中.Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012，(2)小室渣层法的组分变化不是瞬态的，由小32(3) :249-254. .室渣层法能得出各组分的变化情况.[4] SCHOEN P. Dynamic modeling and control of integrat-(3)小室渣层法能模拟出组分和温度在轴向的ed coal gasification combined cycle unites[D]. Nether分布情况,有利于对气化炉性质的研究.lands:Delft University of Technology,1993.(4)由小室渣层法仿真得到的温度及渣层的变[5] SUN Bo, LIU Yongwen, CHEN Xi, et al. Dynamic :化趋势与试验结果更吻合.modeling and simulation of shell gasifier in IGCC[J].Fuel Processing Technology ,2011 ,92(8) :1418-1425.(5)小室渣层法模型完全能应用于气化炉仿真[6] 李政,王天骄,韩志明,等. Texaco煤气化炉数学模型计算，根据小室渣层法的特性,可以将其应用于煤粉的研究-一建模 部分[J].动力工程，2001,21 (2):炉结构、形状、尺寸的设计计算以及IGCC冷煤气效1161-1165.率的优化计算等研究中,为煤粉炉的仿真建模提供LI Zheng, WANG Tianjiao, HAN Zhiming,et al. Re-更多参考.search of mathematical modeI of Texaco gasifier : mod-eling[J]. Journal of Power Engineering. 2001,21(2):参考文献:[1] 焦树建.整体煤气化燃气蒸汽联合循环[M].北京:中[7] WEN C Y,CHAUNG T Z. Entrainment coal gasifica-tion modeling [J]. Industrial and Engineering Chemis-国电力出版社,1996.[2] 高健,倪维斗,李政，等. IGCC系统关键部件的选择及try ,Process Design and Development, 1979, 18(4) :684-其对电厂整体性能的影响--- -(1)气化炉篇[J]. 动力694.(上接第970页)[12] Zolt' an Donk' o. Particle simulation methods for stud-An evaluation method of dielectric barrier dischargeies of low- pressure plasma sources [J ]. 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