数值模拟技术在固定床煤气发生炉及炉篦上的应用

2015-02-22乔洁

河南化工 2015年5期

关键词：数值模拟优化

乔　洁

(河南心连心化肥有限公司，河南新乡　453731)

数值模拟技术在固定床煤气发生炉及炉篦上的应用

乔洁

(河南心连心化肥有限公司，河南新乡453731)

摘要：通过应用Aspen、matlab、PRO/E等软件，采用数值模拟的方法对固定床煤气发生炉进行流场模拟，在工艺流程、炉篦结构上对造气炉进行优化改造。对比未改造造气炉的运行参数、消耗指标，分析优化后效果，并在模型的基础上进一步优化。

关键词：数值模拟；造气炉；炉篦；优化

0前言

数值模拟是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，研究工程问题、物理问题乃至自然界各类问题。在建立反映问题本质的数学模型的基础上，寻求一种高效率、高准确度的计算方法，通过编制计算程序，将设备改造形象地显示出来，以达到模拟工况的效果。国内著名的水/汽激冷新型干煤粉气化炉就是五环科技股份有限公司通过数值模拟，分析气化炉喷嘴的工艺参数及回流区远离膜式壁，计算不同工况下炉内换热量、激冷蒸汽量、激冷冷却水量、高温高背压条件下的蒸汽射流的喷射距离、扩张角等得到的新型煤气化技术及性能良好的气化炉。将数值模拟技术应用到化工生产中，就好比建立了一套中型实验装置，既可以验证各项技改的科学性、适用性，又大大减少了试验投入，降低了试验风险，为生产提供可靠依据。

河南心连心化肥有限公司有三套固定床间歇制气系统，其气化过程的循环时间和各阶段的时间分配多凭经验判断，当煤种及条件变化时，要进行较长时间的摸索和试验。且造气炉炉篦直接影响炉内工况的好坏,是发气量的关键设备，对于在燃料层中建立正常的半水煤气发生过程至关重要[1]。一个理想的炉篦，必须能够合理地分布气化剂，能够有效地承渣、降渣、排渣、破渣，而且阻力低、使用寿命长，最终实现造气炉煤耗低和气化强度高的目的。鉴于

此，用Aspen、matlab等软件对间歇式固定床煤气发生炉及炉篦进行模拟、分析研究和试验。

1间歇式固定床煤气发生炉模型建立

1.1　炉体模型模拟

运用PRO/E进行建模，利用Gambit软件进行计算物理模型的网格剖分，建立三维煤气发生炉数学模型如图1。根据炉篦倾角、炉篦每层间隙、折流板长度三种因素进行炉篦的模拟如图2所示。

图1　炉体模型

1.2　炉内流场模拟

采用CFD数值模拟技术，模拟过程采用湍流流动模型、P1辐射模型和非预混燃烧PDF模型。利用Aspen软件中的平衡反应器和动力学反应器分别模拟造气炉内的燃烧过程和气化过程，如制气循环时间、制气百分比等。在空气和水蒸气入口处添加加热装置，模拟造气炉内气体与灰渣层的接触并预热。应用Matlab软件完成造气炉工艺的物料衡算和能量衡算。通过分析煤气化炉内流场、温度场的分布，考察炉篦的高度、倾角、进风量的变化对造气炉的影响。

图2　炉篦模型

1.2.1造气炉循环周期以及各阶段时间的模拟优化

我们优化的目标是提高气化效率，而造气炉的循环周期是影响气化效率的重要参数。循环时间长，反应温度波动大，蒸汽分解率下降，气化效率要降低。因此，从半水煤气组成稳定以及气化效率来讲，循环时间越短越好。但是从安全角度和阀门开闭、气流变向来讲，循环时间太短，有效生产时间相对减少，导致气化效率要降低。因此，根据造气炉的制气周期，分五个阶段进行模拟。

表1　不同循环时间模拟对比

表格中气化效率、总气化效率计算如下：

(1)

η=η1×η

(2)

从表1数据可以看出，当循环时间为90 s时，模拟结果显示总气化效率最高。这对于现场造气炉运行循环时间的控制有一定的参考价值。

1.2.2炉体结构优化模拟

造气炉的结构主要有炉篦、炉膛、水夹套等。在固定层煤气发生炉制气过程中，氧化层中的燃料炭表面只有在与充分均匀的气化剂接触的条件下才能发生燃烧化学反应。化学反应进行的程序与气化剂的分布是否均匀有着直接关系。要使煤气发生炉中送入的气化剂在氧化层以下就形成一个流量均匀的速度场，煤气发生炉炉篦气化剂的分配及风口的结构设计是一个关键问题。炉篦有效改造后，造气炉返焦率高、带出物多、排渣破块能力弱，可以得到有效改善。因此，从炉篦不同结构模拟，考虑倾角变化、炉篦直径、炉篦间距、夹套与绝热炉膛、直边与折边炉篦对产气率的影响，得出炉篦结构对炉膛内温度、压力、气体组分、产气率等各参数的影响，找出最优化的结构。表2为不同炉体结构优化模拟后有效气含量对比。