Shell氣化爐掛渣模型及其操作性分析

應玉華，江青茵，曹志凱，師　佳，周　華*，梁寶劍，牛玉奇

( 1．廈門大學化學化工學院，福建廈門361005; 2．河南龍宇煤化工有限公司，河南永城476600)

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Shell氣化爐掛渣模型及其操作性分析

應玉華1，江青茵1，曹志凱1，師佳1，周華1*，梁寶劍2，牛玉奇2

( 1．廈門大學化學化工學院，福建廈門361005; 2．河南龍宇煤化工有限公司，河南永城476600)

摘要:參考黏性流體貼壁流動模型，結合河南能源化工集團下屬某公司Shell氣化爐工藝流程和運行數據，建立了Shell氣化爐掛渣模型．該模型采用Levenberg－Marquardt優化算法求解，通過模擬分析4組不同煤灰組分和5組爐膛溫度的操作情況，揭示Shell氣化爐采用不同煤質進料時排渣口溫度與煤灰熔點之間關系的數量規律．結果顯示，為得到適宜的掛渣厚度，操作普通煤質時需維持排渣口溫度與煤灰熔點溫度之差在140 K及以上;而操作高黏煤質時有必要將排渣口溫度與煤灰熔點溫度之差維持在160 K及以上．

關鍵詞:氣化;灰熔點;掛渣;操作;分析

隨著我國煤氣化的迅猛發展，近幾年國內相繼引進Shell粉煤氣化技術( SCGP)設備20余套，各裝置的運行實踐表明，SCGP相對較廣的煤種適應性、高的碳轉化率以及單爐運行周期長等先進性特點已得到體現［1－4］．但許多裝置也出現反應器頻繁堵渣等問題［5－8］，Shell氣化爐若排渣不暢將嚴重制約裝置的長周期穩定運行．為解決此類問題，一些學者從氣化爐爐膛溫度和灰渣特性出發做了大量深入研究工作．李政等［9］、王輔臣［10］、李超［11］研究了爐膛動力學混合燃燒等機理; Seggiani等［12－13］將氣化爐由上到下分成若干小室，根據黏性流體貼壁流動特性，建立氣化爐爐膛內部掛渣分布模型．模擬結果表明，Shell氣化爐渣層由上到下先增厚再減薄再增厚，最厚渣層位于下渣口附近．李政等［14］將Shell氣化爐膛分成三區，即燃燒區、回流區和氣化區，分別建立各區及爐壁渣層質量、能量和動量平衡模型．通過穩態和動態模擬，得到一些重要參數的變化趨勢與已有文獻相符，并總結出有意義的結論．宋文佳等［15］從煤灰熔融特性角度，研究了灰渣黏度對Shell爐內掛渣情況的影響．總體來看，影響Shell氣化爐掛渣的因素主要有2個，即爐膛內部溫度分布和煤灰灰渣組成．但是針對一定的煤質Shell氣化爐適宜的操作范圍如何，一定操作溫度下的Shell氣化爐能適應煤質變化的程度有多大，目前都未有報道．為此本文根據能量守恒、質量守恒原理，結合Shell氣化爐工藝流程和煤灰灰渣組成及灰熔點數據，建立用于實際生產的Shell氣化爐渣層預測模型．并利用工業過程的一些分析數據對該過程進行模擬分析并驗證，以確定Shell氣化爐適宜的操作參數及煤質的適應性．研究結果將對Shell氣化爐操作參數的選擇、煤種的適應性考評提供參考．

1基本模型公式

1. 1煤灰灰渣性質

在渣層模型中用到煤灰灰渣的黏度模型，黏度模型取決于溫度和煤灰灰渣組成．本文將工廠分析的煤灰灰熔點數據作為固態渣層與液態渣層之間的相變溫度Tf．煤灰的黏度(η)采用均相黏度模型［16］，此模型與煤灰硅比率S和煤灰溫度T有關，其形式如下:

式中wSiO2、wFe2O3、wCaO、wMgO分別為煤灰中對應組分的質量分數，T的單位為K．

1. 2渣層模型

為簡化渣層模型，根據文獻［12－13］可對Shell氣化爐作以下基本假設: 1)渣的密度、熱導率和比熱均視為常數; 2)液態渣層中的流動為層流; 3) Tf以下的固態渣層是不流動的; 4)渣層的溫度分布是線性的; 5)氣體與渣層之間的剪切力忽略不計．圖1為爐壁掛渣情況及渣層內外熱量傳遞示意圖，針對該對象利用液態渣層平衡時小室液態渣層流入流出渣的能量守恒和質量守恒定律可建立渣層的數學模型．

圖1渣層結構圖Fig．1 The schematic diagram of the slag layer

平衡時液態渣層處于穩定狀態，液態渣層流入和流出的渣質量守恒，渣層厚度為定值，且液態渣層的流入流出的能量守恒，其瞬時微分方程為:

其中Ai表示劃分渣層小室的面積，Ti表示總渣層的平均溫度，c表示渣的熱容，ρ表示渣層密度．同樣根據文獻［17］可得液態渣層厚度模型如下:

其中β為煤灰渣貼壁流動方向與其重力方向之間的夾角，αi為中間變量，η( 0)i為液態渣層表面煤灰灰渣黏度，η(δl)i為固態渣層與液態渣層交界點溫度為Tf時的煤灰灰渣黏度，g為重力加速度，Di為每個小室的直徑．

高溫煙氣向爐內壁傳遞的能量包括對流和輻射兩部分［18］，可根據下式進行計算:

其中εs為灰渣吸收系數，αs為對流熱傳遞系數，σ為波爾茲曼常數．

排渣引起的能量變化［12］:

每個小室總渣層平均溫度Ti的計算式如下:

假設渣層內部溫度分布線性，Ti近似為總渣層厚度1/2處的溫度;均勻材質耐火材料的平均溫度Tr，i同樣可近似等于耐火材料總厚度1/2處的溫度，因此固態渣層向耐火材料的傳熱量可用這兩溫度因此，點傳熱方程表示為:

其中λr為耐火材料的導熱系數，λi為爐渣的導熱系數，δr為耐火材料總厚度．

類似地，耐火材料向金屬壁的傳熱量計算模型如下:

其中λm為金屬壁的導熱系數，δm為金屬壁的厚度．

忽略渣層內部熱量積累，即qm，i= qout，i，綜合公式( 7)～( 9)可得固態渣層和耐火材料之間的溫度Tw，i計算公式如下:

固態渣層和總渣層的關系［18］:

1. 3模型驗證

根據實際操作經驗，氣化爐爐膛反應溫度越高，向外傳遞的熱量越多，由爐膛傳向中壓蒸汽包一段的蒸汽量mgas越大，據此可對所得到的模型進行驗證．本文利用圖2所示氣化爐為對象進行研究．為闡述方便，將渣層傳遞熱量原理簡化，熱量通過液態渣層、固態渣層、耐火材料、金屬壁傳向冷卻水．在渣層厚度模擬結果和小室傳熱面積等數據的基礎上，計算出總蒸汽產量，對比總蒸汽產量模擬值與實際測量值的變化趨勢即可驗證渣層模型的合理性．

圖2 Shell氣化爐換熱系統流程圖Fig．2 The heat exchange system of the Shell gasifier

每個小室通過液態渣層、固態渣層、耐火材料、金屬壁傳向水冷壁的熱傳遞模型:

其中ql－w，i為每個小室爐膛向水冷壁傳遞的熱量，Tlt為爐膛溫度，Twater為水冷壁中冷卻水的溫度，ξ為傳熱效率，ΔHvap，water為水的蒸發焓．

2氣化爐掛渣仿真結果及操作性分析

氣化爐反應器的結構尺寸如圖3所示，在文獻［16］溫度模擬結果的基礎上結合Shell氣化爐的結構尺寸將其由上到下分成不均等的14個小室，假定每個小室內爐膛氣相溫度相同，將每個小室分別應用以上模型，可計算出不同小室相應的液態渣層厚度和固態渣層厚度．然后假定氣化爐爐膛溫度分布固定的情況下，考察煤灰組分變化對爐膛各小室渣層分布的影響．進而針對單一煤質進料時，分析爐膛溫度變化對各小室爐壁掛渣厚度的影響．最后根據以上分析結果確定Shell氣化爐的操作特性．

圖3 Shell氣化爐結構圖Fig．3 The structure of the Shell gasifier with different cells inside

2. 1模型參數

對氣化裝置實際進料煤質的分析數據進行總結，煤灰中氧化物含量的典型數據列于表1．為考察單一煤質對反應器操作溫度的適應范圍，在文獻［16］模擬爐膛的溫度分布基礎上結合實際煤質的特性構造另外5組爐膛溫度分布，具體方式為逐漸累加50 K，具體數據如表2．根據圖3中氣化爐的尺寸及生產中氣化爐總排渣量數據可得出各小室面積和每個小室的排渣量(見表3)．

表1煤灰的組成和熔融溫度Tab．1 Nominal composition of coal ash and the melting temperature

表2 5組Shell氣化爐溫度Tab．2　 Five groups' temperature in the Shell gasifier K

表3 Shell氣化爐小室相關參數Tab．3　 The cell parameters in the Shell gasifier

2. 2模型仿真結果

為驗證模型的適應性，首先對日處理煤量約為2 000 t的Shell氣化爐進行仿真，排渣總量約19．7 t/h．

根據表1和表2中的數據分布，選取比較有代表性的數據進行模擬，為此以第3組(見表1)煤灰和第5組(見表2)爐膛溫度數據為基礎對爐壁的渣層厚度進行模擬，模擬結果如圖4所示．

由圖4分析可發現爐壁上δl，slag隨著氣化爐爐膛由上到下逐漸增厚，而δs，slag變化趨勢與小室Tg變化趨勢相反．在燒嘴附近即第9小室，Tg驟升而引起大量熱量傳遞給渣層，在高溫的作用下固態渣大量轉化為液態渣，從而導致固態渣層減?。疅煸偻虏糠钟捎跍囟冉档?，液態渣層流動性減弱，傳遞給固態渣層的能量也隨之減少，呈現出固態渣層逐漸增厚的變化趨勢．由模型的模擬結果分析可得出所建立的模型能較好地反映Shell氣化爐掛渣過程的一般規律，為此可在所建立模型的基礎上對Shell氣化爐的可操作性進行分析．

圖4第3組(見表1)煤灰在T5爐膛溫度(見表2)下渣層厚度的模擬結果Fig．4 The simulated slag－thickness for Group #3 ( see Tab．1) with T5 ( see Tab．2)

2. 3溫度操作范圍分析

Shell氣化爐爐壁渣層厚度直接影響其運行周期，為此可在其渣層模型的基礎上對其操作過程進行分析．而Shell氣化爐爐壁掛渣與煤質的灰渣組成及爐膛操作溫度具有密切關系，故首先針對典型煤質適應爐膛操作的溫度范圍進行分析．硅含量大小是影響Shell氣化反應器合成氣冷卻器積灰的重要因素［19］，為此選定4組煤灰組分即表1中的#1，#5，#7和#12煤灰為研究對象進行氣化爐的可操作性分析．為確定符合實際過程的爐膛溫度，爐膛溫度分布以文獻［16］數據為基礎進行整體升高或者降低進行考慮，然后將爐膛溫度與煤灰數據輸入渣層模型，在MATLAB上利用Levenberg－Marquardt優化算法進行求解分析．

本文所研究的Shell爐反應器排渣口直徑為950 mm，根據工廠實際操作經驗，為確保爐膛材質的使用壽命及運行過程的平穩操作，要求排渣口處爐壁總渣層的厚度應處于6～15 cm，其余部位(燒嘴附近除外)應處于1．2～2 cm．低于下限易引起爐壁使用壽命短，而高于上限將導致排渣不暢甚至上層爐壁垮渣的可能，引起停運．首先以#1煤灰組成數據為例進行分析，通過模型求解得出適宜該煤質的爐膛操作溫度范圍(表4)，超出該溫度范圍的操作都可能使得爐膛渣層厚度不合適而出現排渣不暢、爐壁燒穿或者垮渣等現象．再將#1煤質的適宜操作溫度范圍以5 K為梯度差分為9個梯度，此情況下爐壁掛渣情況的模擬結果列在圖5中，由圖5可知隨著爐膛溫度整體升高，該煤質操作時其渣層總厚度逐漸降低，這是由于溫度升高導致固態渣向液態渣轉化，溫度升高的同時有利于液渣的流動，為此爐壁的總渣層厚度隨著爐膛溫度的升高而將變?。矣蓤D5和表4中#1組數據分析知，渣層最厚時排渣口的溫度為1 675 K，而#1煤灰的灰熔點為1 549 K，可得二者之差為126 K，為了安全生產建議留有余量，使出排渣口的臨界溫度點應比煤灰灰熔點高130 K．

圖5第1組(見表1)煤灰在不同溫度下的渣層厚度Fig．5 The simulated slag thickness for Group #1 ( see Tab．1) under different temperatures

同理，對其他3組煤灰數據進行分析，可得出#5，# 7，#12煤灰適宜的排渣口溫度與煤灰灰熔點之差范圍分別為131～236，142～277，152～317 K(詳細數據見表4)．

由以上的分析結果可知:為了有利于排渣，對灰熔點低、黏度小的煤質，排渣口爐壁的溫度與煤灰灰熔點之差保持在140 K以上;對灰熔點高、黏度大的煤質，排渣口爐壁的溫度與煤灰灰熔點之差應保持在157 K以上，160 K更安全．

2. 4煤灰組分操作適應性分析

為確?；み^程平穩生產，往往將反應過程控制在某一穩態工作點附近．Shell氣化反應器一般也是將其反應溫度控制在一些合適的工作點附近，但是實際過程的煤質變化難以避免，煤質變化的幅度對于操作溫度確定的氣化爐是否適應此類問題還未見相關研究，為此利用表2中的5組溫度來分析其適應煤種的情況，進而確定一般內在規律．不同爐壁溫度適應煤質的掛渣情況如圖6所示．

表4表1中第1、5、7、12組煤灰適應的爐膛操作溫度分布Tab．4 The adaptive operational temperatures in the Shell gasfier for Groups1，5，7，12 ( see Tab．1)　 K

當爐膛溫度按照T1溫度分布時，選取灰熔點低的2種煤質，即#2和#3煤灰數據進行操作分析得到的結果如圖6( a)所示，位于第14小室(排渣口)爐壁渣層厚度超過20 cm．即表1中的煤質在此操作溫度時不太適宜，由于T1溫度分布數據偏低導致其渣層厚度過厚，將可能使得排渣口渣層厚度過厚而引起堵渣．若爐膛溫度分布整體升高如T2溫度分布時，操作適應的煤質為#2和#3，此外表1中其他煤質均將導致排渣口渣層厚度過厚，其分析結果如圖6( b)所示．若爐膛溫度操作溫度繼續提高如T3，則其適應的煤質將有# 2，#3和#4，其分析結果如圖6( c)所示．同樣T4溫度分布數據可適應的煤種有#1～#5，其分析結果如圖6( d)所示．實際上#9煤質的灰熔點較#1和#5煤質的灰熔點低，但是在該溫度下操作并不合適，其原因為#9煤質中SiO2的含量偏高，因此使得同樣溫度下熔融煤灰黏度增大，將導致爐壁渣層厚度過厚而不適于安全生產．圖6( e)所示為T5溫度分布，適應的煤質有#1～#5 和#9，由圖可發現#9煤質雖然灰熔點較低，但由于其SiO2含量太大，導致爐壁渣層厚度反而超過灰熔點高的#5煤質，此結果也與圖6( d)的分析相符．隨著爐膛溫度分布的升高其適應的煤質也越多，但是并不代表爐膛操作溫度越高越好．若爐膛溫度繼續升高，#2和# 3煤質將不適應．這是因為由于爐膛溫度分布過高，而#2和#3煤質的灰熔點偏低，在高的操作溫度下灰渣流動性較好且容易形成液渣態，最后導致爐壁渣層變薄而影響Shell氣化爐“以渣抗渣”的優勢．由以上分析可知，排渣口掛渣不超過15 cm可以安全排渣．當煤灰中SiO2的含量增大時，同樣溫度下熔融煤灰黏度增大，煤灰灰熔點與排渣口溫度之差需要適當提高．

2. 5模型驗證分析

為了驗證掛渣模型，根據1．3節的驗證原理，選取一段工業生產數據代入掛渣模型，計算出蒸汽產量的模擬值，通過蒸汽量的測量值與模擬值來比對，從而驗證模型的有效性．驗證結果如圖7，由圖可知模擬計算結果的變化趨勢與實際測量值基本一致，平均誤差為23．1%．

3結論

本文將氣化爐壁掛渣模型與實際工廠煤灰數據相結合進行求解，模型的求解結果與實際狀況相符．模擬結果表明液態渣層隨氣化爐爐膛由上到下逐漸增厚，固態渣層變化趨勢與小室液態渣層表面溫度變化趨勢相反．而在燒嘴附近，溫度驟升，大量熱量傳遞給渣層，液態渣層流動性增強，固態渣大量轉化為液態渣，固態渣層減?。疅焱?，溫度降低，液態渣層流動性減弱，傳向固態渣層的能量減少，固態渣層增厚．

圖6爐膛溫度固定時煤質對掛渣的影響Fig．6 The influence of coal ash on the slag thickness at fixed temperature

圖7掛渣模型驗證Fig．7 Validation of the slag layer model

由于實際過程中Shell氣化爐排渣口渣厚度不超過15 cm時較安全，排渣順暢．故操作普通煤質時保證排渣口溫度與煤灰熔點溫度之差保持在140 K時較合適．操作灰渣黏度高的煤質時要保證排渣口溫度與煤灰熔點溫度之差保持在160 K較安全．經模型模擬計算得到反應器產生的蒸汽總量與實測蒸汽總量對比發現模擬結果與測量值趨勢一致，平均誤差為23．1%．

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A Slag Layer Model for Shell Gasfier and Its Analysis of Operability

YING Yuhua1，JIANG Qingyin1，CAO Zhikai1，SHI Jia1，ZHOU Hua1*，LIANG Baojian2，NIU Yuqi2

( 1．College of Chemistry and Chemical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China; 2．Henan Longyu Coal Chemical Engineering Company Ltd，Yongcheng 476600，China)

Abstract:Based on the established adherent wall model for viscous flow，a slaglayer model for the Shell gasifier is established with respect to the industrial plant in Henan Coal Chemistry Group．The model is solved using the Levenberg－Marquardt optimization algorithm with the running data of the plant．Through the simulation and analysis of the compositions of four groups of coalash and five groups of furnace temperatures，the relation between the slag outlet temperature and ash melting point can be obtained for different coals．These results suggest that the slag outlet temperature should be at least 140 K higher than the ash melting temperature to keep appropriate slag thickness for common coals．However，for the coal with high melting point，the slag outlet temperature should be at least 160 K higher than the ash melting point．

Key words:gasification; ash fusion point; adheringslag; operation; analysis．

*通信作者:cezhouh@ xmu．edu．cn

基金項目:國家自然科學基金( 21576228)

收稿日期:2015－03－09錄用日期: 2015－06－12

doi:10．6043/j．issn．0438－0479．2016．01．006

中圖分類號:TQ 028．8

文獻標志碼:A

文章編號:0438－0479( 2016) 01－0022－08

引文格式: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)，2016，55( 1) : 22－29．

Citation: YING Y H，JIANG Q Y，CHAO Z K，et al．A slag layer model for shell gasfier and its application to the analysis of operability ［J］．Journal of Xiamen University( Natural Science)，2016，55( 1) : 22－29．( in Chinese)