唐凱鋒， 張會生， 翁史烈

（上海交通大學(xué) 葉輪機械研究所，上海200240）

氣化爐作為IGCC聯(lián)合循環(huán)的關(guān)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(jìn)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(xù)發(fā)展的重視，煤、生物質(zhì)以及廢棄物的氣化將是未來新型可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ).因此，氣化爐的建模是一項重要的基礎(chǔ)研究工作［1］.

在以往傳統(tǒng)的shell氣化爐仿真過程中，研究人員大多使用集總渣層法進(jìn)行氣化爐仿真，該方法主要致力于對氣化爐內(nèi)部的渣層流動情況進(jìn)行模擬，主要動態(tài)特性和熱慣性都表現(xiàn)在渣層模型中，而對氣化爐內(nèi)部的氣化反應(yīng)過程采用集總參數(shù)法處理，忽略了氣化爐內(nèi)部的煤氣化反應(yīng)過程及組分和溫度的分布特性，所以其對氣化爐內(nèi)部反應(yīng)的模擬能力較弱，只能得出一個集總的輸出參數(shù)，這種模型不能反映反應(yīng)器和部件的結(jié)構(gòu)、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(chǎn)物實際上達(dá)不到化學(xué)平衡的情況［2－3］.為克服上述缺陷，筆者在常規(guī)集總渣層法的基礎(chǔ)上，對shell氣化爐模型進(jìn)行改進(jìn)，提出一種全新的小室渣層法，將氣化爐內(nèi)部沿軸向分為若干個小室，對每個小室內(nèi)部的氣化反應(yīng)情況進(jìn)行模擬，得到更加準(zhǔn)確的氣化爐模型，為IGCC系統(tǒng)仿真提供參考.

1 改進(jìn)后的小室渣層法

由于集總渣層法模型中沒有體現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)器建立其各自的化學(xué)平衡模型、能量平衡模型.然后再將已經(jīng)建立的小室模型與爐壁的渣層結(jié)合起來，這樣的模型既能體現(xiàn)出渣層變化對氣化爐反應(yīng)的影響，也能得出氣化爐內(nèi)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(nèi)的組分平衡模型和能量平衡模型.

小室模型的主要假設(shè)如下：（1）氣化爐內(nèi)的流動為均勻平推流，不考慮徑向溫度、濃度等參數(shù)的差異和物質(zhì)交換；（2）氣化爐的預(yù)熱、水分蒸發(fā)以及揮發(fā)分釋放過程在進(jìn)入爐后的瞬間完成；（3）水煤漿在完成水分蒸發(fā)和揮發(fā)分釋放后，煤顆粒不結(jié)團(tuán)，彼此可獨立存在；（4）縮核不縮碳假定，煤顆粒在氣化爐內(nèi)的全部反應(yīng)過程中，灰殼通過縫隙擴散進(jìn)入煤顆粒，與碳核發(fā)生反應(yīng)；（5）固體顆粒形態(tài)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(jié)構(gòu)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(tài)渣層質(zhì)量守恒方程：

液態(tài)渣層能量守恒方程：

圖1 小室渣層法結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the cell－slag method

固態(tài)渣層質(zhì)量守恒方程：

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

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

1.2 小室組分平衡模型

與集總參數(shù)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(yīng)的反應(yīng)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(yīng)過程是瞬態(tài)的，不能準(zhǔn)確模擬爐內(nèi)反應(yīng)特性，不如小室法中的化學(xué)反應(yīng)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(zhì)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(zhì)的量；Yj，i為第i小室中第j種氣體成分的摩爾分?jǐn)?shù)；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(xué)反應(yīng)生成或者消耗的凈流率.

小室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程分為同相反應(yīng)和異相反應(yīng)，其中同相反應(yīng)速率利用式（7）計算［4］：

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

而異相反應(yīng)速率利用式（8）計算［7］：

式中：常數(shù)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(xué)反應(yīng)熱和煙氣總焓的能量守恒來計算爐內(nèi)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(jié)果中氣化爐內(nèi)各處溫度一致，而小室渣層法在每個小室中都要對溫度進(jìn)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(xué)反應(yīng)放熱，而且化學(xué)反應(yīng)是有速率的，因此模型的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［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(nèi)的平均溫度；QCH，i為第i小室內(nèi)燃料燃燒放出的熱流量；QS，i為第i小室的散熱量.

2 結(jié)果及分析

由于已經(jīng)對集總渣層法模型進(jìn)行過對比試驗，證明此模型穩(wěn)態(tài)結(jié)果和動態(tài)結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相符，因此將集總渣層法作為參考比較兩模型的優(yōu)劣.

2.1 穩(wěn)態(tài)結(jié)果分析

采用文獻(xiàn)［5］提供的氣化爐的內(nèi)部參數(shù)，按照文獻(xiàn)［1］提供的Buggenum電站使用EI煤的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出兩模型的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果并與文獻(xiàn)中結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果示于表1.

表1 氣化爐出口氣體摩爾分?jǐn)?shù)穩(wěn)態(tài)結(jié)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(wěn)態(tài)仿真結(jié)果基本與文獻(xiàn)中結(jié)果一致，差別較大的僅是集總渣層法中的CO2和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)，小室渣層法的仿真結(jié)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(jié)果與文獻(xiàn)［7］中的數(shù)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(wěn)態(tài)結(jié)果Fig.4 Steady－state distribution of various gas components by cell－slag model

2.2 動態(tài)結(jié)果分析

圖5 當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時，小室渣層法和集總渣層法的CO摩爾分?jǐn)?shù)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(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時，小室渣層法和集總渣層法的H2摩爾分?jǐn)?shù)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(dāng)進(jìn)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?jǐn)?shù)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(jié)果與文獻(xiàn)［6］中的動態(tài)仿真結(jié)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(tài)仿真結(jié)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(jìn)氧量增加，爐內(nèi)溫度迅速提高，導(dǎo)致一氧化碳的氧化反應(yīng)速率加快，因此二氧化碳含量迅速增加，同時也導(dǎo)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(dǎo)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(wěn)定.傳給渣層表面的熱量增加，使渣層表面溫度升高，導(dǎo)致渣排出量暫時增加，液態(tài)、固態(tài)渣層的厚度減小直到排出量恢復(fù)原始值.圖7給出了當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法液態(tài)渣層厚度的動態(tài)仿真結(jié)果.由圖7可知，2種模型的液態(tài)渣層動態(tài)仿真結(jié)果的趨勢基本一致，可見兩模型的渣層部分性質(zhì)相似，說明小室渣層法對渣層的模擬符合實際情況.

圖7 當(dāng)進(jìn)氧量階躍增加1%時，集總渣層法和小室渣層法液態(tài)渣層厚度動態(tài)仿真結(jié)果Fig.7 The change of molten slag thickness by cell and lumped model with an oxygen step increase by 1%

圖8 當(dāng)進(jìn)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(tài)仿真結(jié)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(dāng)進(jìn)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(tài)仿真結(jié)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(xiàn)［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(jù)前文提到的氣化爐內(nèi)溫度應(yīng)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(jié) 論

（1）根據(jù)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(tài)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(zhì)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(jié)果更吻合.

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

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