CN107025316B - 一种监测水冷壁气化炉温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测水冷壁气化炉温度的方法。本发明提供的监测水冷壁气化炉温度的方法通过对水冷壁气化炉壁面熔渣流动与传热过程分析，建立了质量守恒方程、动量方程、能量守恒方程等传质、传热方程，并获得一套基于蒸汽产量、SiC表面温度来预测气化炉内温度的方法，为气化操作提供指导。

Description

一种监测水冷壁气化炉温度的方法

技术领域

本发明涉及一种监测水冷壁气化炉温度的方法。

背景技术

煤气化技术是当今煤炭等含碳物质清洁高效利用的关键技术之一，是将一次能源转化为洁净二次能源和化学产品的主要途径，该技术主要运用于合成氨、合成甲醇、炼厂制氢、高炉还原炼铁化工冶金行业和联合循环发电装置中。根据气化炉床层内的气固两相流动特征可以分为3类，即以Lurgi技术为代表的固定床气化技术、以HTW技术为代表的流化床气化技术和以Texaco、Shell和GSP为代表气流床气化技术。按气化温度可以分为高温气化、中温气化和低温气化。气流床气化炉气化温度与压力高、负荷大，煤种适应范围广，是目前煤气化技术发展的主流。国外已工业化的煤气化气流床煤气化技术主要有以水煤浆为原料的GE(Texaco)气化技术、Global E-Gas气化技术，以干粉煤为原料的Shell气化技术、Prenflo气化技术、GSP气化技术等。

粉煤气化术的特点是采用水冷壁作为气化炉壁面耐火衬里，与水煤浆耐火砖衬里的气化技术相比，具有煤种适用性较广、气化炉检修周期短、开工点火便捷等优势。

在气流床气化工艺中，气化炉操作温度是指导气化炉安全、稳定、长周期运行的关键参数；然而，粉煤气化炉采用列管或盘管式水冷壁衬里，无法利用高温热电偶测量炉膛内气化温度，因此工程上急需开发一种监控或测量气化炉温度的方法。

发明内容

本发明旨在解决的技术问题在于克服现有技术中工程上缺乏一种监测水冷壁气化炉温度的方法的缺陷，而提供了一种监测水冷壁气化炉温度的方法。本发明提供的水冷壁气化炉温度监测方法通过对水冷壁气化炉壁面熔渣流动与传热过程分析，建立基于蒸汽产量、SiC表面温度来预测气化炉内温度的方法，为气化操作提供指导。

本发明是采用下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种监测水冷壁气化炉温度的方法，其包括如下步骤：水冷壁气化炉中发生的传热过程由内至外依次在液态熔渣层、固态熔渣层、SiC层、金属管壁和冷却水层之间进行；

(1)假设进入气化炉的煤反应后产生的熔渣70％(质量百分比)均沉积在气化炉壁面，且分布均匀，则对壁面熔渣流动传热过程建立质量守恒方程(1)：

方程(1)中，δ_l是指液态熔渣层的厚度，单位为m，为本发明要求解的第一个变量；m_in为沉积在气化炉壁面的熔渣量，单位为kg，其值为m_in＝入炉煤量×灰含量×70％；L为气化炉直筒段当量周长，单位为m，利用公式L＝π(D-δ_s-x)计算得到，其中D为气化室内径，由于(δ_s-x)相对于D而言很小，数量级仅为其10^-3，因此L的计算公式可以简化为L＝πD来处理；v(x)为液态渣层内的速度分布函数，可以通过动量方程(2)求出：

方程(2)中，η_s(x)为液态渣层内的粘度分布函数，是煤熔渣的基础物性数据，需要通过分析测试得出，其数值与液态渣层内的温度分布有关，可以通过熔渣的粘温特性曲线和渣层内的温度分布求出；

(2)建立能量守恒方程：

方程(3)中，δ_s是固态熔渣层的厚度，单位为m，为本发明要求解的第二个变量，k_l,k_s,k_sic,k_m分别为液态熔渣、固态熔渣、碳化硅层的导热系数；Tg,Tcv,Tw,Tm,Tcol分别为气化炉温度、熔渣临界温度、碳化硅表面温度、金属管表面温度和冷却水温度，单位均为K，其中熔渣临界温度是对η_s(x)进行测试得出的，碳化硅表面温度、金属管表面温度是通过方程(3)进行组合求解得出的，冷却水温度是测量得出的；q_out和Q为气化炉水冷壁热损失和冷却水蒸发吸收热量，该数值可以根据方程(4)进行计算；

其中H_vap为操作状态下的水的蒸发热，H_vap为基本物性参数，可以查表得出；C_p为水的恒压比热容，T₂₀₁和F₂₀₁为进入水冷壁的冷却水温度和流量，T₁₀₁和F₁₀₁为出汽包的蒸汽温度和流量；

联解方程(1)～(4)即可根据汽包蒸汽产量和温度、水冷壁入口流量和温度、煤灰含量及流量、气化炉结构参数求出气化炉温度T_g。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的监测水冷壁气化炉温度的方法通过对水冷壁气化炉壁面熔渣流动与传热过程分析，建立基于蒸汽产量、SiC表面温度来预测气化炉内温度的方法，为气化操作提供指导。

附图说明

图1为实施例1中水冷壁气化炉与壁面冷却水循环系统的结构示意图；

图2为实施例1中水冷壁气化炉衬里上的熔渣流动与传热原理图；

图3为实施例1的计算原理的流程图；

图4为实施例2中SiC表面温度的模拟数据与测量数据对比图；

图5为实施例2中气化炉内温度的趋势图；

图1中，1-气化炉，2-汽包，3-循环水泵，4-脱盐水管道，FT101-出汽包的蒸汽流量F₁₀₁，TI101-出汽包的蒸汽温度T₁₀₁，FT201-进入水冷壁的冷却水流量F₂₀₁，TI201-进入水冷壁的冷却水温度T₂₀₁；PI101-汽包操作的压力和蒸汽的压力；

图2中，101-冷却水层，102-金属管壁，103-SiC层，104-固态熔渣层，105-液态熔渣层；且设定炉身的径向方向为x，炉身的轴线方向为y。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例中水冷壁气化炉与壁面冷却水循环系统的结构示意图如图1所示。冷却水循环系统与气化炉1的水冷壁连接，具体结构为：从水冷壁引出一管线，依次与一汽包2和一循环水泵3连接，再由循环水泵3将循环水回流导入水冷壁中，汽包2上还设有一脱盐水管道4，其作用是补充因蒸发而消耗的冷却水量。图1中还设有两个热电偶、两个流量计和一个压力表，两个热电偶分别设置在汽包2的蒸汽出口处、循环水泵3与水冷壁之间的连接管道上，两个流量计分别设置在汽包2的蒸汽出口处、循环水泵3与水冷壁之间的连接管道上，压力表设置在汽包2上。即FT101表示出汽包2的蒸汽流量F₁₀₁，TI101表示出汽包2的蒸汽温度T₁₀₁，FT201表示进入水冷壁的冷却水流量F₂₀₁，TI201表示进入水冷壁的冷却水温度T₂₀₁；PI101表示汽包2操作的压力和蒸汽的压力，该数据不需要控制，工业运行一般是在4.0-6.0MPa，计算过程中，需要用于查找H_vap和C_p。

从图2中可以看出，整个传热过程是在冷却水层101、金属管壁102、SiC层103、固态熔渣层104和液态熔渣层105之间进行的。炉膛内的高温气体通过辐射传热和对流传热将热量(q_in)传给壁面，同时依靠熔渣沉积(m_in)在壁面形成固态熔渣层104和液态熔渣层105。壁面吸收传到的热量和熔渣沉积带入的热量后，基于壁面热传导，将热量传给水冷管内的冷却水。冷却水的温升(蒸发)量与热传导量、熔渣沉积量、熔渣厚度等参数有关。因此通过测量冷却水的温升(或汽包蒸汽产量)，建立壁面熔渣沉积流动、热量传递模型，可以推算出气化炉温度T_g。

本实施例中监测水冷壁气化炉温度的方法，其包括如下步骤：

(1)假设进入气化炉的煤反应后产生的熔渣70％均沉积在气化炉壁面，且分布均匀，则对壁面熔渣流动传热过程建立质量守恒方程(1)：

方程(1)中，δ_l是指液态熔渣层的厚度，单位为m，为本发明要求解的第一个变量；m_in为沉积在气化炉壁面的熔渣量，单位为kg，其值为m_in＝入炉煤量×灰含量×70％；L为气化炉直筒段当量周长，单位为m，利用公式L＝πD计算得到，其中D为气化室内径；v(x)为液态渣层内的速度分布方程，可以通过动量方程(2)求出：

方程(2)中，η_s(x)为液态渣层内的粘度分布函数，是煤熔渣的基础物性数据，需要通过分析测试得出，其数值与液态渣层内的温度分布有关，可以通过熔渣的粘温特性曲线和渣层内的温度分布求出；

(2)建立能量守恒方程

方程(3)中，δ_s是固态熔渣层的厚度，单位为m，为本发明要求解的第二个变量，k_l,k_s,k_sic,k_m分别为液态熔渣、固态熔渣、碳化硅层的导热系数，导热系数的单位W/(m·K)；Tg,Tcv,Tw,Tm,Tcol分别为气化炉温度、熔渣临界温度、碳化硅表面温度、金属管表面温度和冷却水温度，单位均为K，其中熔渣临界温度是对η_s(x)进行测试得出的；碳化硅表面温度、金属管表面温度是通过方程(3)进行组合求解得出的，冷却水温度是测量得出的；q_out和Q为气化炉水冷壁热损失和冷却水蒸发吸收热量，单位为J，该数值可以根据方程(4)进行计算；

其中H_vap为操作状态下的水的蒸发热(J/kg)，为基本物性参数，可以查表得出；C_p为水的恒压比热容(J/(kg·K))，T₂₀₁和F₂₀₁为进入水冷壁的冷却水温度(K)和流量(kg/s)，T₁₀₁和F₁₀₁为出汽包的蒸汽温度(K)和流量(kg/s)；

联解方程(1)～(4)即可根据汽包蒸汽产量和温度、水冷壁入口流量和温度、煤灰含量及流量、气化炉结构参数求出气化炉温度T_g。

通过上面分析可以看出，气化炉蒸汽产量(即气化炉壁面热损失)与气化炉温度和壁面熔渣厚度有关；壁面熔渣厚度一方面与熔渣沉积量有关，另一方面与熔渣层内的温度分布有关。本发明的机理在于：分别对熔渣流动与传热过程建立流动方程和热平衡两个方程，采用迭代法即可求解出气化炉温度和熔渣厚度。详细的计算原理图如图3所示。

实施例2

利用实施例1的方法模拟计算一个日处理1000吨级煤的单喷嘴粉煤气化炉的炉内温度。以粉煤为原料进行气化：气化压力4.0MPa，耐火衬里为膜式水冷壁。气化炉用煤量t为1000吨/天，沉积率为70％，气化室直径D为2200mm(即气化室炉内径)，气化室高度H为6000mm，水冷壁内水温T_w为493K。

气化使用的煤的煤质分析数据如表1～表4所示。

表1工业分析表

参数	数值
		水分Mad	0.0％(wt)
固定碳Mad	52.50％(wt)
		挥发分Vad	31.45％(wt)
灰分Aad	16.05％(wt)

表2元素分析表

参数	数值
		干燥基碳Cd	67.71％(wt)
干燥基氢Hd	4.43％(wt)
		干燥基氧Od	10.22％(wt)
干燥基氮Nd	0.98％(wt)
		干燥基全硫St,d	0.61％(wt)

表3热值、灰熔点及熔渣物性

表4熔渣粘度与温度数据

图4给出了模拟计算的SiC表面温度变化趋势，与测量值吻合良好；图5给出了按照本发明方法预测的气化炉炉膛温度的变化趋势，这为实际的气化操作提供了非常好的指导作用。

Claims (1)

1.一种监测水冷壁气化炉温度的方法，水冷壁气化炉中发生的传热过程由内至外依次在液态熔渣层、固态熔渣层、SiC层、金属管壁和冷却水层之间进行，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)假设进入气化炉的煤反应后产生的熔渣70％均沉积在气化炉壁面，且分布均匀，则对壁面熔渣流动传热过程建立质量守恒方程(1)：

方程(1)中，δ_l是指液态熔渣层的厚度，单位为m；m_in为沉积在气化炉壁面的熔渣量，单位为kg，其值为m_in＝入炉煤量×灰含量×70％；L为气化炉直筒段当量周长，单位为m，利用公式L＝πD计算得到，其中D为气化室内径；v(x)为液态渣层内的速度分布函数，通过动量方程(2)求出：

方程(2)中，η_s(x)为液态渣层内的粘度分布函数；

(2)建立能量守恒方程：

方程(3)中，δ_s是固态熔渣层的厚度，单位为m；k_l,k_s,k_sic,k_m分别为液态熔渣、固态熔渣、碳化硅层的导热系数，单位为W/(m·K)；Tg,Tcv,Tw,Tm,Tcol分别为气化炉温度、熔渣临界温度、碳化硅表面温度、金属管表面温度和冷却水温度，单位均为K，其中熔渣临界温度是对η_s(x)测试得出的，碳化硅表面温度、金属管表面温度是通过方程(3)进行组合求解得出的，冷却水温度是测量得出的；q_out和Q为气化炉水冷壁热损失和冷却水蒸发吸收热量，单位为J，根据方程(4)进行计算：

其中H_vap为操作状态下的水的蒸发热，单位为J/kg；C_p为水的恒压比热容，单位为J/(kg·K)，T₂₀₁和F₂₀₁为进入水冷壁的冷却水温度和流量，T₁₀₁和F₁₀₁为出汽包的蒸汽温度和流量，温度单位为K，流量单位为kg/s；

联解方程(1)～(4)，即可根据汽包蒸汽产量和温度、水冷壁入口流量和温度、煤灰含量及流量、气化炉结构参数求出气化炉温度T_g。

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