CN109726493A - 一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法 - Google Patents

Abstract

一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，所建立的模型基于气化炉内流体下行流动的特性，将反应器分解为以平推流或全混流来描述其流动状况的理想反应器的串联组合，利用反应过程的动力学模型建立理想反应器的机理模型，通过在线求解数学模型得到气化炉内气体组分浓度的实时数据，分为三个部分：运行数据采集部分、数学模型部分和在线计算部分，其中运行数据采集部分包括采集原料渣油元素分析及工业分析、渣油及气化剂进料量与进料温度、气化炉结构参数的实时数据；数学模型部分包括根据反应器模型中气固相质量、能量和动量衡算建立气化炉的动态数学模型；在线计算部分通过接收采集数据、编程计算、输出炉内气体组分分布信息。

Description

一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法

技术领域

本发明属于气化炉运行参数监测领域，尤其是涉及根据工业现场采集的运行数据通过已建立好的动态模型进行在线求解炉内重要参数的一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法。

背景技术

世界范围内的原油资源正在逐步趋于重质化，预计2020年后，重质原油储量约占全球原油可采储量的50％左右，炼油企业正面临着原料重质化和劣质化、产品轻质化和清洁化、炼制过程清洁化和低碳化的压力，尽快提升渣油转化加工水平，提升渣油转化效率，再次成为炼油企业关注的重点。渣油部分氧化法生产合成气作为一项重要的石油化工技术，在世界的许多炼油厂，特别是加工高硫原油的炼油厂，已经把渣油气化成干净的合成气作为产生电力、氢气和化工产品的重要路线，并将该过程集成为渣油气化的IGCC工艺实现。

现有的Shell渣油气化工艺流程如图1所示，渣油经泵加压和预热器预热后与氧气、蒸汽混合物由顶部喷嘴进入，经喷嘴处雾化后进入气化炉内，在1300℃、6.0MPa左右的工况下发生部分氧化反应，生成以CO和H₂为主要成分的合成气，副反应物生成量较少。生成的合成气由炉底送出，进入废热锅炉下部的分配室，而后沿一组变径的螺旋管盘旋上升并换热，再返回下部穿出废热壳壁汇合后进入省煤器中冷却，然后进入激冷器中洗去炭黑，经分离器后再到碳黑洗涤塔进一步除碳黑，此时出碳黑洗涤塔的合成气经干燥后送去色谱检测其组分摩尔分数。

Shell渣油气化炉内合成气组分含量是气化系统最重要的运行指标之一，及时、准确地获得合成气组分浓度的信息能够指导现场运行，目前对于气化炉内气体组分含量无法直接测量，通常是出炉后的粗合成气经洗涤后再送去色谱分析，其测量滞后影响了生产过程及合成气质量，基于上述情况，为了使操作人员及时掌握炉内反应状况，调整控制参数，使气化炉在良好的工况下运行，在现有的生产条件下以较低成本获得壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度的实时数据成为本发明需要解决的技术问题。

近年来，软测量技术在流程工业中获得了大量成功的应用，解决了许多不可测关键控制指标的监测问题，德士古合成气的组分气体的软测量方法(专利申请号：CN201110051898.1)，该方法分别通过三个BP神经网络的软测量模型获得碳洗塔出口德士古合成气中的一氧化碳、氢气和二氧化碳含量的软测量值。多喷嘴对置式水煤浆气化炉炉膛温度的软测量方法(专利申请号：CN201110001570.9)，该方法选取若干个可测的过程状态辅助变量作为软测量模型输入变量，同时采集实际工业装置操作数据，进行数据预处理，基于BP人工神经网络实现炉膛温度软测量。

因此，针对壳牌(shell)渣油气化炉炉膛内气体组分浓度采用软测量技术是完全可行的。

发明内容

本发明的目的在于为操作人员提供炉内气体组分浓度的实时数据和确定炉内反应状况，提供一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法。

本发明包括以下步骤：

步骤1：根据气化炉内发生的化学反应对气化炉进行分区，包括热解区和气化区；

在步骤1中，所述热解区和气化区进行建模时，根据炉内的流体流动形式，热解区的流场中存在返混，热解区建模用全混流反应器模型进行模拟，气化区上部分存在返混，剩余部分无返混，气化区建模用多个全混流反应器串联组合平推流反应器模型进行模拟。

步骤2：根据模型计算精度及计算速度的要求确定气化区全混流反应器个数，确定气化区建模时存在返混段采用的全混流反应器个数，同时确定平推流段采用正交配置法求解时的内配置点数；

步骤3：采集实际工业装置气化炉的操作数据及原料渣油组成作为模型输入变量；

在步骤3中，所述操作数据包括渣油进料量、氧气进料量、蒸汽进料量、渣油进料温度、氧气进料温度、蒸汽进料温度、气化炉高度及气化炉直径；所述原料渣油组成包括元素分析数据(w％)和工业分析数据(w％)，所述元素分析数据(w％)包括C、H、O、N、S；所述工业分析数据(w％)包括水分、灰分。

步骤4：根据进料参数对气化炉热解区作元素平衡分析及能量衡算，以获得进入气化区物料的初始组成及温度；

在步骤4中，所述根据进料参数对气化炉热解区作元素平衡分析及能量衡算，以获得进入气化区物料的初始组成及温度的计算过程可按下述表达式表示：

(N_i,T_o)＝f(m_feeding,x,x_k,T_feeding,x)

(C_g,i,0,C_p,j,0,T_o,u_o,ρN₀,d_p,0,ε_g,0,ε_p,0,P)＝f(N_i,T₀,ρ_residue,d_p,A_gasifier,P)

式中，N_i代表渣油裂解后炉内各组分物质的量，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气和氧气8种物质，T₀代表热解反应后进入气化区前各组分的初始温度，m_feeding,x代表进入气化炉的x组分的质量流量，其中，x包括渣油、氧气、蒸汽三种物质，x_k代表渣油中各元素的质量分数，其中，k包括C、H、O、N、S 5种元素，T_feeding,x代表进入气化炉的x组分的温度，C_g,i,0代表热解反应后进入气化区前的气相组分i的初始摩尔浓度，C_p,j,0代表热解反应后进入气化区前的固相组分j的初始质量浓度，其中，j包括炭黑和灰分两种物质，u₀代表热解反应后进入气化区前各组分的初始速度，ρN₀代表热解反应后进入气化区前的初始炭黑颗粒数量密度，d_p,0代表热解反应后进入气化区前的初始炭黑颗粒直径，ε_g,0代表热解反应后进入气化区前的初始气相体积分数，ε_p,0代表热解反应后进入气化区前的初始固相体积分数，P代表气化炉的操作压力，ρ_residue代表进入气化炉的渣油的密度，d_p代表进入气化炉的渣油雾化后的平均滴径，A_gasifier代表气化炉的横截面积。

步骤5：根据气化区发生的化学反应及相关反应的动力学方程计算均相反应及非均相反应速率：

式中，代表均相反应m的反应速率，k_m代表均相反应m的反应速率常数，C_A、C_B代表均相反应物浓度，x、y代表反应级数，代表非均相反应m的反应速率，K_diff,m代表非均相反应m中气体扩散到炭黑表面的速率常数，K_s,m代表非均相反应m中炭黑表面的化学反应速率常数，K_dash,m代表非均相反应m中气体通过灰层扩散到未反应核表面的速率常数，Y代表非均相反应m中未反应核的直径与初始炭黑直径的比值，P_i-P_i ^*代表非均相反应m中的气体组分有效分压力。

步骤6：计算气化区内的反应源项，包括质量和能量源项；

在步骤6中，所述计算气化区内的反应源项的过程可按下述表达式表示：

式中，代表气相组分i的非均相反应质量源项，x_C代表渣油裂解生成的炭黑在渣油中的质量分数，M_C代表炭黑的摩尔质量，υ_i,m代表组分i在化学反应m中的化学计量系数，代表非均相反应m的反应速率，代表炭黑的非均相反应质量源项，代表灰分的非均相反应质量源项，x_ash代表渣油中灰分的质量分数，代表所有固相组分的非均相反应能量源项，ΔH_m代表化学反应m的反应焓，代表气相组分i的均相反应质量源项，代表均相反应m的反应速率，代表所有气相组分的均相反应能量源项。

步骤7：计算气化炉的热损失，即为气化炉壁面与空气的自然对流传热；

在步骤7中，所述计算气化炉的热损失的表达式可为：

Q_loss＝πd_gasifierl·h·(t_w-t_Air)

Nu＝0.1(Gr·Pr)^1/3

式中，Q_loss代表气化炉的热损失，d_gasifier代表气化炉的直径，l代表传热周长，h代表对流传热系数，t_w代表壁面温度，t_Air代表空气温度，Nu代表努塞尔数，λ代表空气的热导率，Gr代表格拉晓夫数，Pr代表普朗特数，g代表重力加速度，β代表空气的体积膨胀系数，Δt代表空气与壁面间的温度差，ν代表空气的粘度，t_m代表定性温度。

步骤8：分别对全混流段和平推流段作质量、能量和动量衡算，其中平推流段进口物料为全混流段出口物料，并计算反应段内气固相流速与固体颗粒浓度；

在步骤8中，所述对全混流段和平推流段作质量、能量和动量衡算可包括：

全混流段气固两相质量衡算：

全混流段气固两相能量衡算：

全混流段气相流速：

全混流段固相平均速度：

全混流段固体颗粒浓度：

平推流段气固两相质量衡算：

平推流段气固两相能量衡算：

平推流段气固两相动量衡算：

平推流段固体颗粒浓度：

式中，t代表时间，ε_g,1代表全混流段内气相体积分数，C_g,i,1代表全混流段内气相组分i的摩尔浓度，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气和氧气8种物质，L₁代表全混流段的长度，u_g,0代表进入全混流段的初始气相流速，ε_g,0代表进入全混流段的初始气相体积分数，C_g,i,0代表进入全混流段的气相组分i的初始摩尔浓度，u_g,1代表全混流段内的气相流速，C_p,j,1代表全混流段内固相组分j的质量浓度，其中j包括炭黑和灰分两种物质，u_p,0代表进入全混流段的初始固相流速，C_p,j,0代表进入全混流段的固相组分j的初始质量浓度，u_p,1代表全混流段内的固相流速，Cp_g,i,1代表全混流段内气相组分i的比热容，Cp_p,j,1代表全混流段内固相组分j的比热容，Cp_g,i,0代表进入全混流段的气相组分i的比热容，Cp_p,j,0代表进入全混流段的固相组分j的比热容，T_o代表进入全混流段的各组分初始温度，T₁代表全混流段内各组分温度，M_i代表全混流段内气相组分i的摩尔质量，μ代表全混流段内气相组分粘度，ρ_p,1代表全混流段内固相密度，d_p,1代表全混流段内炭黑颗粒直径，ρ_g,1代表全混流段内气相密度，g代表重力加速度，ρ_N,1代表全混流段固体颗粒数量密度，ρ_N,0代表进入全混流段的初始固体颗粒数量密度，ε_g代表平推流段内气相体积分数，C_g,i代表平推流段内气相组分i的摩尔浓度，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气7种物质，u_g代表平推流段内的气相流速，z代表平推流段的长度，C_p,j代表平推流段内固相组分j的质量浓度，其中，j包括炭黑和灰分两种物质，u_p代表平推流段内的固相流速，Cp_g,i代表平推流段内气相组分i的比热容，Cp_p,j代表平推流段内固相组分j的比热容，T代表平推流段内各组分温度，ρ_g代表平推流段内气相密度，ρ_p代表平推流段内固相密度，F_g,w代表平推流段内气壁摩擦阻力，F_g,p代表平推流段内气固摩擦阻力，ρ_N代表平推流段固体颗粒数量密度；其余反应源项和气化炉热损失Q_loss的含义已在步骤6和步骤7介绍过。

步骤9：求解微分方程，输出当前时刻气化炉内气体组分浓度的计算结果，再重复步骤3～步骤8计算下一时刻气化炉内的气体组分浓度分布。

本发明所建立的模型基于气化炉内流体下行流动的特性，将反应器分解为以平推流或全混流来描述其流动状况的理想反应器的串联组合，利用反应过程的动力学模型建立理想反应器的机理模型，通过在线求解数学模型得到气化炉内气体组分浓度的实时数据，从而提供一种壳牌(shell)渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，

本发明分为三个部分：运行数据采集部分、数学模型部分和在线计算部分，其中运行数据采集部分包括采集原料渣油元素分析及工业分析、渣油及气化剂进料量与进料温度、气化炉结构参数的实时数据；数学模型部分包括根据反应器模型中气固相质量、能量和动量衡算建立气化炉的动态数学模型；在线计算部分通过接收采集数据、编程计算、输出炉内气体组分分布信息。

所述运行数据采集部分中，原料渣油元素分析及工业分析由工厂相关人员提供；渣油及气化剂进料量与进料温度通过装置的测量仪表获取；气化炉结构参数由气化炉设计图纸获得。

本发明能够及时准确地提供壳牌(shell)渣油气化炉炉膛内气体组分浓度分布，克服工业过程测量滞后的问题，从而指导气化过程的优化运行操作，具有很好的可行性，可推广运用于目前shell渣油气化炉炉膛内气体组分浓度的软测量。

附图说明

图1为现有某工厂采用的Shell渣油气化工艺流程图。

图2为本发明的Shell渣油气化炉的反应器模型分区图。

图3为本发明的壳牌渣油气化炉内气体组分浓度随气化炉高度的变化图。

图4为本发明的气化炉出口合成气组分浓度模拟值与工业值的比较图。

图5为本发明的气化炉稳态进料下模型计算时间图。

图6为本发明的气化炉进料氧油比波动状态下模型计算时间图。

具体实施方式

本发明在实际应用时通过接收采集数据、编程计算、输出炉内气体组分浓度信息来及时准确的为操作人员提供炉内气体组分的实时数据和确定炉内反应状况，以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例选取某石化企业的气化装置，气化炉高度为18.3m，直径为2.452m，操作压力在6MPa左右，气化温度约为1250～1350℃，副产物较少，合成气中有效气产量(CO+H₂)可达90％左右。现有某石化企业Shell渣油气化工艺流程图如图1所示，渣油经泵加压和预热器预热后与氧气、蒸汽混合物由顶部喷嘴进入，经喷嘴处雾化后进入气化炉内，在1300℃、6.0MPa左右的工况下发生部分氧化反应，生成以CO和H₂为主要成分的合成气，生成的合成气由炉底送出，进入废热锅炉下部的分配室，而后沿一组变径的螺旋管盘旋上升并换热，再返回下部穿出废热壳壁汇合后进入省煤器冷却，然后进入激冷器中洗去炭黑，经分离器后到碳黑洗涤塔进一步除碳黑，此时出碳黑洗涤塔的合成气经干燥后送去色谱检测其组分摩尔分数。

运行数据采集部分包括原料渣油成分分析数据、渣油及气化剂进料量与进料温度数据、气化炉结构参数数据，原料渣油组成如表1，操作参数及气化炉结构参数表2所示。

表1

表2

本发明实施例的具体步骤如下：

步骤1：根据气化炉内发生的化学反应对气化炉进行分区，分为热解区与气化区，热解区视为一个全混流反应器，气化区简化为理想的全混流反应器和一段理想的平推流反应器组合而成，在对热解区和气化区进行建模时，根据炉内的流体流动形式，热解区的流场中存在返混，热解区建模用全混流反应器模型进行模拟，同样，气化区上部分存在返混，剩余部分无返混，气化区建模用多个全混流反应器串联组合平推流反应器模型进行模拟，图2为本发明的Shell渣油气化炉的反应器模型分区图。

步骤2：根据模型计算精度及计算速度的要求确定气化区为1个理想的全混流反应器，气化区建模时存在返混段采用单个全混流反应器模型进行模拟，同时理想的平推流反应器平推流反应器模型采用3个内配置点的正交配置法求解。

步骤3：采集实际工业装置气化炉的操作数据及原料渣油组成作为模型输入变量，所述操作数据包括渣油进料量、氧气进料量、蒸汽进料量、渣油进料温度、氧气进料温度、蒸汽进料温度、气化炉高度及气化炉直径，所述原料渣油组成包括元素分析数据(w％)和工业分析数据(w％)，所述元素分析数据(w％)包括C、H、O、N、S；所述工业分析数据(w％)包括水分、灰分。

步骤4：根据进料参数对气化炉热解区作元素平衡分析及能量衡算，以获得进入气化区物料的初始组成及温度，其计算过程按下述表达式描述：

(N_i,T_o)＝f(m_feeding,x,x_k,T_feeding,x)

(C_g,i,0,C_p,j,0,T_o,u_o,ρN₀,d_p,0,ε_g,0,ε_p,0,P)＝f(N_i,T₀,ρ_residue,d_p,A_gasifier,P)

式中，N_i代表渣油裂解后炉内各组分物质的量，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气和氧气8种物质，T₀代表热解反应后进入气化区前各组分的初始温度，m_feeding,x代表进入气化炉的x组分的质量流量，其中，x包括渣油、氧气、蒸汽三种物质，x_k代表渣油中各元素的质量分数，其中，k包括C、H、O、N、S 5种元素，T_feeding,x代表进入气化炉的x组分的温度，C_g,i,0代表热解反应后进入气化区前的气相组分i的初始摩尔浓度，C_p,j,0代表热解反应后进入气化区前的固相组分j的初始质量浓度，其中，j包括炭黑和灰分两种物质，u₀代表热解反应后进入气化区前各组分的初始速度，ρN₀代表热解反应后进入气化区前的初始炭黑颗粒数量密度，d_p,0代表热解反应后进入气化区前的初始炭黑颗粒直径，ε_g,0代表热解反应后进入气化区前的初始气相体积分数，ε_p,0代表热解反应后进入气化区前的初始固相体积分数，P代表气化炉的操作压力，ρ_residue代表进入气化炉的渣油的密度，d_p代表进入气化炉的渣油雾化后的平均滴径，A_gasifier代表气化炉的横截面积。

步骤5：根据气化区发生的化学反应及相关反应的动力学方程计算均相反应及非均相反应速率：

式中，代表均相反应m的反应速率，k_m代表均相反应m的反应速率常数，C_A、C_B代表均相反应物浓度，x、y代表反应级数，代表非均相反应m的反应速率，K_diff,m代表非均相反应m中气体扩散到炭黑表面的速率常数，K_s,m代表非均相反应m中炭黑表面的化学反应速率常数，K_dash,m代表非均相反应m中气体通过灰层扩散到未反应核表面的速率常数，Y代表非均相反应m中未反应核的直径与初始炭黑直径的比值，P_i-P_i ^*代表非均相反应m中的气体组分有效分压力。

步骤6：计算气化区内的反应源项，包括质量和能量源项，其计算过程按下述表达式描述：

式中，代表气相组分i的非均相反应质量源项，x_C代表渣油裂解生成的炭黑在渣油中的质量分数，M_C代表炭黑的摩尔质量，υ_i,m代表组分i在化学反应m中的化学计量系数，代表非均相反应m的反应速率，代表炭黑的非均相反应质量源项，代表灰分的非均相反应质量源项，x_ash代表渣油中灰分的质量分数，代表所有固相组分的非均相反应能量源项，ΔH_m代表化学反应m的反应焓，代表气相组分i的均相反应质量源项，代表均相反应m的反应速率，代表所有气相组分的均相反应能量源项。

步骤7：计算气化炉的热损失，即为气化炉壁面与空气的自然对流传热，计算热损失的表达式如下：

Q_loss＝πd_gasifierl·h·(t_w-t_Air)

Nu＝0.1(Gr·Pr)^1/3

式中，Q_loss代表气化炉的热损失，d_gasifier代表气化炉的直径，l代表传热周长，h代表对流传热系数，t_w代表壁面温度，t_Air代表空气温度，Nu代表努塞尔数，λ代表空气的热导率，Gr代表格拉晓夫数，Pr代表普朗特数，g代表重力加速度，β代表空气的体积膨胀系数，Δt代表空气与壁面间的温度差，ν代表空气的粘度，t_m代表定性温度。

步骤8：分别对全混流段和平推流段作质量、能量和动量衡算，其中平推流段进口物料为全混流段出口物料，并计算反应段内气固相流速与固体颗粒浓度：

全混流段气固两相质量衡算：

全混流段气固两相能量衡算：

全混流段气相流速：

全混流段固相平均速度：

全混流段固体颗粒浓度：

平推流段气固两相质量衡算：

平推流段气固两相能量衡算：

平推流段气固两相动量衡算：

平推流段固体颗粒浓度：

式中，t代表时间，ε_g,1代表全混流段内气相体积分数，C_g,i,1代表全混流段内气相组分i的摩尔浓度，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气和氧气8种物质，L₁代表全混流段的长度，u_g,0代表进入全混流段的初始气相流速，ε_g,0代表进入全混流段的初始气相体积分数，C_g,i,0代表进入全混流段的气相组分i的初始摩尔浓度，u_g,1代表全混流段内的气相流速，C_p,j,1代表全混流段内固相组分j的质量浓度，其中，j包括炭黑和灰分两种物质，u_p,0代表进入全混流段的初始固相流速，C_p,j,0代表进入全混流段的固相组分j的初始质量浓度，u_p,1代表全混流段内的固相流速，Cp_g,i,1代表全混流段内气相组分i的比热容，Cp_p,j,1代表全混流段内固相组分j的比热容，Cp_g,i,0代表进入全混流段的气相组分i的比热容，Cp_p,j,0代表进入全混流段的固相组分j的比热容，T_o代表进入全混流段的各组分初始温度，T₁代表全混流段内各组分温度，M_i代表全混流段内气相组分i的摩尔质量，μ代表全混流段内气相组分粘度，ρ_p,1代表全混流段内固相密度，d_p,1代表全混流段内炭黑颗粒直径，ρ_g,1代表全混流段内气相密度，g代表重力加速度，ρ_N,1代表全混流段固体颗粒数量密度，ρ_N,0代表进入全混流段的初始固体颗粒数量密度，ε_g代表平推流段内气相体积分数，C_g,i代表平推流段内气相组分i的摩尔浓度，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气七种物质，u_g代表平推流段内的气相流速，z代表平推流段的长度，C_p,j代表平推流段内固相组分j的质量浓度，其中j包括炭黑和灰分两种物质，u_p代表平推流段内的固相流速，Cp_g,i代表平推流段内气相组分i的比热容，Cp_p,j代表平推流段内固相组分j的比热容，T代表平推流段内各组分温度，ρ_g代表平推流段内气相密度，ρ_p代表平推流段内固相密度，F_g,w代表平推流段内气壁摩擦阻力，F_g,p代表平推流段内气固摩擦阻力，ρ_N代表平推流段固体颗粒数量密度。其余反应源项和气化炉热损失Q_loss的含义已在步骤6和步骤7介绍过。

步骤9：求解微分方程，输出本时刻气化炉内气体组分浓度的计算结果，再重复步骤3～步骤8计算下一时刻气化炉内的气体组分浓度。

上述单个全混流反应器组合平推流反应器模型中涉及到微分方程求解，对于平推流反应器模型中包含的偏微分方程，通过正交配置法对偏微分方程进行正交配置展开，将复杂的偏微分方程组转化为简单的常微分方程组，整个模型转化为求解常微分方程组，再由于模型中含有较多的反应动力学方程，故在求解时呈现很强的刚性，因此采用常微分方程的刚性求解方法如Gear法等进行求解。图3为壳牌渣油气化炉内气体组分浓度随气化炉高度的变化图，图中可以反映出气化炉内各气相组分的变化趋势与分布情况。图4为气化炉出口合成气组分浓度模拟值与工业值的比较，验证了方法的有效性。图5为稳态进料下模型计算时间，从图中可以看出模型求解时间短，变化稳定。图6为进料氧油比波动状态下模型计算时间，从图中可以看出对于实际工况下的进料波动，该模型计算时间短且波动不大，因此该模型能够满足仿真平台在一个规定的时间区域内完成对输入的采样、数学模型的计算、并产生必要的输出。

综上所述，本发明能够及时准确的提供壳牌(shell)渣油气化炉炉膛内气体组分浓度数据，克服工业测量滞后的问题，从而指导气化过程的优化运行操作，本发明是一种可行的壳牌(shell)渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法。

本发明将复杂的气流床反应器简化为理想反应器的组合模式，然后结合其机理数学模型如反应器模型中气固相质量、能量和动量衡算建立气化炉的动态数学模型，采集实际工业装置操作数据及原料渣油组成作为模型输入变量，基于正交配置法和常微分方程的刚性解法实现复杂模型的求解，从而获得壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度软测量值。本发明可以为壳牌渣油气化炉提供有效的炉膛气体组分浓度信息，以指导气化反应过程的优化运行操作，且本软测量方法计算负荷小，保证模型适应在线监测的要求。

Claims (8)

1.一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：根据气化炉内发生的化学反应对气化炉进行分区，包括热解区和气化区；

步骤2：根据模型计算精度及计算速度的要求确定气化区全混流反应器个数，确定气化区建模时存在返混段采用的全混流反应器个数，同时确定平推流段采用正交配置法求解时的内配置点数；

步骤3：采集实际工业装置气化炉的操作数据及原料渣油组成作为模型输入变量；

步骤4：根据进料参数对气化炉热解区作元素平衡分析及能量衡算，以获得进入气化区物料的初始组成及温度；

步骤5：根据气化区发生的化学反应及相关反应的动力学方程计算均相反应及非均相反应速率：

式中，代表均相反应m的反应速率，k_m代表均相反应m的反应速率常数，C_A、C_B代表均相反应物浓度，x、y代表反应级数，代表非均相反应m的反应速率，K_diff,m代表非均相反应m中气体扩散到炭黑表面的速率常数，K_s,m代表非均相反应m中炭黑表面的化学反应速率常数，K_dash,m代表非均相反应m中气体通过灰层扩散到未反应核表面的速率常数，Y代表非均相反应m中未反应核的直径与初始炭黑直径的比值，P_i-P_i ^*代表非均相反应m中的气体组分有效分压力；

步骤6：计算气化区内的反应源项，包括质量和能量源项；

步骤7：计算气化炉的热损失，即为气化炉壁面与空气的自然对流传热；

步骤8：分别对全混流段和平推流段作质量、能量和动量衡算，其中平推流段进口物料为全混流段出口物料，并计算反应段内气固相流速与固体颗粒浓度；

步骤9：求解微分方程，输出当前时刻气化炉内气体组分浓度的计算结果，再重复步骤3～步骤8计算下一时刻气化炉内的气体组分浓度分布。

2.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤1中，所述热解区和气化区进行建模时，根据炉内的流体流动形式，热解区的流场中存在返混，热解区建模用全混流反应器模型进行模拟，气化区上部分存在返混，剩余部分无返混，气化区建模用多个全混流反应器串联组合平推流反应器模型进行模拟。

3.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤3中，所述操作数据包括渣油进料量、氧气进料量、蒸汽进料量、渣油进料温度、氧气进料温度、蒸汽进料温度、气化炉高度及气化炉直径。

4.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤3中，所述原料渣油组成包括元素分析数据和工业分析数据，所述元素分析数据包括C、H、O、N、S；所述工业分析数据包括水分、灰分。

5.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤4中，所述根据进料参数对气化炉热解区作元素平衡分析及能量衡算，以获得进入气化区物料的初始组成及温度的计算过程按下述表达式表示：

(N_i,T_o)＝f(m_feeding,x,x_k,T_feeding,x)

(C_g,i,0,C_p,j,0,T_o,u_o,ρN₀,d_p,0,ε_g,0,ε_p,0,P)＝f(N_i,T₀,ρ_residue,d_p,A_gasifier,P)

式中，N_i代表渣油裂解后炉内各组分物质的量，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气和氧气8种物质，T₀代表热解反应后进入气化区前各组分的初始温度，m_feeding,x代表进入气化炉的x组分的质量流量，其中，x包括渣油、氧气、蒸汽三种物质，x_k代表渣油中各元素的质量分数，其中，k包括C、H、O、N、S 5种元素，T_feeding,x代表进入气化炉的x组分的温度，C_g,i,0代表热解反应后进入气化区前的气相组分i的初始摩尔浓度，C_p,j,0代表热解反应后进入气化区前的固相组分j的初始质量浓度，其中，j包括炭黑和灰分两种物质，u₀代表热解反应后进入气化区前各组分的初始速度，ρN₀代表热解反应后进入气化区前的初始炭黑颗粒数量密度，d_p,0代表热解反应后进入气化区前的初始炭黑颗粒直径，ε_g,0代表热解反应后进入气化区前的初始气相体积分数，ε_p,0代表热解反应后进入气化区前的初始固相体积分数，P代表气化炉的操作压力，ρ_residue代表进入气化炉的渣油的密度，d_p代表进入气化炉的渣油雾化后的平均滴径，A_gasifier代表气化炉的横截面积。

6.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤6中，所述计算气化区内的反应源项的过程按下述表达式表示：

式中，代表气相组分i的非均相反应质量源项，x_C代表渣油裂解生成的炭黑在渣油中的质量分数，M_C代表炭黑的摩尔质量，υ_i,m代表组分i在化学反应m中的化学计量系数，代表非均相反应m的反应速率，代表炭黑的非均相反应质量源项，代表灰分的非均相反应质量源项，x_ash代表渣油中灰分的质量分数，代表所有固相组分的非均相反应能量源项，ΔH_m代表化学反应m的反应焓，代表气相组分i的均相反应质量源项，代表均相反应m的反应速率，代表所有气相组分的均相反应能量源项。

7.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤7中，所述计算气化炉的热损失的表达式为：

Q_loss＝πd_gasifierl·h·(t_w-t_Air)

Nu＝0.1(Gr·Pr)^1/3

式中，Q_loss代表气化炉的热损失，d_gasifier代表气化炉的直径，l代表传热周长，h代表对流传热系数，t_w代表壁面温度，t_Air代表空气温度，Nu代表努塞尔数，λ代表空气的热导率，Gr代表格拉晓夫数，Pr代表普朗特数，g代表重力加速度，β代表空气的体积膨胀系数，Δt代表空气与壁面间的温度差，ν代表空气的粘度，t_m代表定性温度。

8.如权利要求1所述一种壳牌渣油气化炉炉膛内气体组分浓度在线软测量方法，其特征在于在步骤8中，所述对全混流段和平推流段作质量、能量和动量衡算包括：

全混流段气固两相质量衡算：

全混流段气固两相能量衡算：

全混流段气相流速：

全混流段固相平均速度：

全混流段固体颗粒浓度：

平推流段气固两相质量衡算：

平推流段气固两相能量衡算：

平推流段气固两相动量衡算：

平推流段固体颗粒浓度：

式中，t代表时间，ε_g,1代表全混流段内气相体积分数，C_g,i,1代表全混流段内气相组分i的摩尔浓度，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气和氧气8种物质，L₁代表全混流段的长度，u_g,0代表进入全混流段的初始气相流速，ε_g,0代表进入全混流段的初始气相体积分数，C_g,i,0代表进入全混流段的气相组分i的初始摩尔浓度，u_g,1代表全混流段内的气相流速，C_p,j,1代表全混流段内固相组分j的质量浓度，其中j包括炭黑和灰分两种物质，u_p,0代表进入全混流段的初始固相流速，C_p,j,0代表进入全混流段的固相组分j的初始质量浓度，u_p,1代表全混流段内的固相流速，Cp_g,i,1代表全混流段内气相组分i的比热容，Cp_p,j,1代表全混流段内固相组分j的比热容，Cp_g,i,0代表进入全混流段的气相组分i的比热容，Cp_p,j,0代表进入全混流段的固相组分j的比热容，T_o代表进入全混流段的各组分初始温度，T₁代表全混流段内各组分温度，M_i代表全混流段内气相组分i的摩尔质量，μ代表全混流段内气相组分粘度，ρ_p,1代表全混流段内固相密度，d_p,1代表全混流段内炭黑颗粒直径，ρ_g,1代表全混流段内气相密度，g代表重力加速度，ρ_N,1代表全混流段固体颗粒数量密度，ρ_N,0代表进入全混流段的初始固体颗粒数量密度，ε_g代表平推流段内气相体积分数，C_g,i代表平推流段内气相组分i的摩尔浓度，其中，i包括甲烷、二氧化碳、水、硫化氢、氮气、一氧化碳、氢气7种物质，u_g代表平推流段内的气相流速，z代表平推流段的长度，C_p,j代表平推流段内固相组分j的质量浓度，其中，j包括炭黑和灰分两种物质，u_p代表平推流段内的固相流速，Cp_g,i代表平推流段内气相组分i的比热容，Cp_p,j代表平推流段内固相组分j的比热容，T代表平推流段内各组分温度，ρ_g代表平推流段内气相密度，ρ_p代表平推流段内固相密度，F_g,w代表平推流段内气壁摩擦阻力，F_g,p代表平推流段内气固摩擦阻力，ρ_N代表平推流段固体颗粒数量密度；其余反应源项和气化炉热损失Q_loss的含义已在步骤6和步骤7介绍过。