水冷壁气化炉温度监控软件及其应用

杨玉辉，郭晓镭，许建良

（1.中国石化扬子石油化工有限公司，南京210048；2.华东理工大学 上海煤气化工程技术研究中心，上海200237）

煤炭清洁高效利用是我国重要的能源战略[1]，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[2]。 粉煤气化术采用水冷壁作为气化炉壁面耐火衬里，具有煤种适应性较广，气化炉检修周期短，开工点火便捷等优势[3]。 粉煤气化炉在运行过程中，高温熔融的液态熔渣沉积到“冷”水冷壁上，发生熔渣固化，形成固态渣层[4]，无法安装高温热电偶直接测量气化炉炉膛温度，所以只能通过渣形、渣口压差等参数间接判断气化温度[5-9]。 随着现代模糊学习技术和人工智能的发展，也出现了类似神经网络等预测炉温的方法[10-13]，但我国煤种复杂，入炉煤质波动较大，模型尚不能及时反应煤质变化等影响。 气化温度是气化炉安全、稳定、高效运行的关键控制参数，故在此采用华东理工大学开发的SE 粉煤气化炉炉温测量软件， 对日处理千吨级的气化装置进行炉温预测，并考察蒸汽产量、煤种变化等参数对炉温的影响，为粉煤气化装置运行和操作提供依据。

1 软件测量原理

在SE 粉煤气化炉内，从喷嘴喷出的O2和煤粉形成射流流股，构建同轴受限射流流场。 高温气流携带液态熔渣滴沉积到水冷壁上， 发生熔渣固化，形成固态渣层；随着固态熔渣厚度的增长，壁面热阻增大，渣层温度升高，进而形成液态渣层。 在形成液态渣层后，继续沉积的颗粒随液态渣层经渣口流出气化炉。 炉内高温气体经对流换热、高温辐射等向壁面传递热量。 气体传递的热量与液态渣滴沉积带入的热量通过水冷壁的液态渣层、 固态渣层、碳化硅SiC 层和金属壁面传递给冷却水； 冷却水吸收热量后产生蒸汽。

由此可见，气化炉水冷壁上发生复杂的渣滴沉积、熔渣相变、熔渣流动、热传导和气相辐射等物理过程。SE 粉煤气化炉炉温测量软件是基于对气化炉水冷壁壁面熔渣沉积与流动过程的分析，建立完整的熔渣流动相变与传热模型，通过选用高效可靠算法解算非线性方程组，计算出水冷壁气化炉温度[14]。软件的核心在于建立熔渣流动、相变与传热模型。 水冷壁气化炉衬里上的熔渣流动与传热过程如图1 所示[15]。

图1 水冷壁面熔渣流动与传热过程Fig.1 Schematic of slag flow and heat transfer on membrane-wall

由图可见，炉膛内的高温气体通过辐射传热和对流传热将热量qin传给壁面， 同时依靠熔渣沉积min在壁形成固态渣层后液态渣层。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Tg。

根据图1 所示水冷壁熔渣流动与传热过程，将气化炉水冷壁自上而下分为若干区域， 取某一个区域建立熔渣流动质量、动量和能量方程，通过求解这3 个方程即可得出壁面熔渣的流动速度、厚度、气体温度等，最后对其取平均得到炉膛平均温度。

1）熔渣流动质量守恒方程 对控制区域i 内，流入液态熔渣流量、沉积熔渣量和流出液态熔渣流量应满足[15]：

式中：L 为水冷壁周向长度；mex，i-1，mex，i分别为流入、流出区域i 的熔渣质量流量；δliq，i为液态熔渣厚度；vi（x）区域i 内熔渣内部速度分布；x 为液态熔渣内的位置；min，i为沉积在气化炉壁面的熔渣量，与炉型、操作负荷、煤灰含量等参数有关。

2）动量方程 对区域i 内的液态熔渣流动时进行受力分析，并假设其流动满足牛顿流体流动[16-17]，得到的液态熔渣速度满足[15]：

式中：β 为壁面倾角；ηsla（x）为熔渣黏度，其与温度的关系可以用修正的WF 方程（Weymann-Frenkel）液体动力学理论方法来表达，即

其中

3）能量方程 对区域i 内的液态熔渣流动时进行能量守恒分析，得出

式 中：qin，i气相向熔 渣层 传热；Tin，i为 沉积熔 渣 的温度，其数值一般与气相温度相等；qex，i-1，qex，i为流入、流出区域i 的液态熔渣携带的热量；Csla为熔渣热容；Ai为径向传热面积；qout，i为径向传热量。假设，水冷壁传热过程相对较快，即气化炉处于稳态传热过程，则壁面液态渣层、固态渣层、碳化硅层、金属管壁等径向传热量qout，i满足[15]：

其中

式中：ksla为液态熔渣、固态熔渣的导热系数；kSiC，km分别为碳化硅层、金属管的导热系数，取kSiC=4.2 W/（m·K），km=38 W/（m·K）；To，i，Tcv，Tw，i，Tm，i分 别 为 区域i 的气相温度、熔渣临界温度、碳化硅表面温度、金属管表面温度；Hste为气泡蒸汽携带焓值。 根据稳态传热，液态渣层内的温度分布Ti（x）为[14-15]

其中

式中：δi为总渣层厚度。在该软件中，假设熔渣温度＞Tcv时为液态， 熔渣温度＜Tcv时为固态渣层。 δi与固态渣层厚度δsol，i和液态渣层δliq，i的关系满足[20]：

将式（1）（2）（4）进行联立数值求解，并辅助式（8）进行相变处理，即可得到已知qout，i（蒸汽流量计算得到）时的气相温度、熔渣厚度和熔渣流动速度。

2 软件功能

将上述熔渣流动、 传热及相变模型数值求解，并将DCS 数据传递的煤粉流量、灰含量以及汽包系统数据作为熔渣沉积与热量传递数据输入，即可得出壁面热通量、气化温度、渣层厚度等数据。

所开发的软件界面如图2 所示，其中包括煤质数据煤质数据窗口、输入数据窗口、通讯窗口、输出数据窗口等。

图2 SE 粉煤气化炉炉温监控软件Fig.2 Temperature monitoring software of SE pulverized coal gasifier

3 水冷壁炉温特点及软件应用

3.1 软件预测准确性分析

由于水冷壁气化炉无法安装热电偶，为了校验软件预测所得炉内温度的准确性，将计算得到的水冷壁SiC 层表面温度与工业测量值进行了对比，结果如图3 所示。

图3 SiC 表面温度预测值与测量值Fig.3 Comparison of SiC temperature in industrial settings with predicted temperature

由图可见，软件预测的SiC 层表面温度与工业测量的偏差为±10 ℃，且能很好地跟踪出温度波动，表明该软件及方法能准确预测气化炉壁面传热过程。

3.2 蒸汽产量与炉温的关系

淮南煤与神华煤配煤（质量比为4∶6，见表1）时气化炉温度与蒸汽产量的对应关系如图4 所示，其中配煤的相变温度为1422 ℃。

表1 煤灰物理特性Tab.1 Physical properties of coal ash

图4 不同蒸汽产量对应的炉内气化温度Fig.4 Gasification temperature corresponding to different steam production

由图可见，蒸汽产量可以间接反应气化炉温度，蒸汽产量为2000 kg/h 时，气化炉温度为1450 ℃；随着蒸汽产量的增加，气化炉温度提高，但两者呈非线性关系；当蒸汽产量达到20000 kg/h 时，气化炉温度高达1627 ℃。

淮南煤与神府煤配煤时不同壁面蒸汽产量下气化炉熔渣平均流动黏度和熔渣厚度的变化趋势如图5 所示。 根据式（3），在还原性气氛下熔渣流动黏度随着熔渣流动温度的增大而呈指数下降。 在此所选用的淮南煤与神华煤配煤，煤种灰含量（质量分数）约为17%，煤灰熔融态熔渣流动黏度指数A=1.41×10-7，B=3.340×104，见表1。结合图4 可以得出，蒸汽产量越大，表明炉内温度越高，气化炉水冷壁表面液态熔渣流动黏度越小。

图5 不同蒸汽产量下壁面排渣黏度和熔渣厚度Fig.5 Slag dischagre viscosity and slag thickness at different steam production

由图5 可见，当水冷壁蒸汽产量为2000 kg/h 时，炉内平均熔渣流动黏度为43 Pa·s，此时炉内平均渣层厚度为140 mm。 根据工业运行经验，该工况下气化炉渣口排渣处于不顺畅状态，对气化炉的运行造成不利影响。 当壁面蒸汽产量达到10000 kg/h 时，对应的气化炉温度约为1546 ℃（高于Tcv约120 ℃），此时排渣黏度约为25 Pa·s， 炉内平均渣层厚度为27.6 mm，固态渣层厚度约为21 mm，气化炉渣口排渣顺畅；当蒸汽产量为20000 kg/h 时，排渣黏度仅为15 Pa·s，固态渣层厚度为5 mm，尽管该工况下的排渣黏度较为合理，但固态渣层偏薄，温度偏高，造成气化炉运行经济性能较差。

总体来看，随着气化炉温度的升高、壁面蒸汽产量的增加，排渣黏度、固态渣层厚度、总渣层厚度均呈指数减小；液态渣层厚度随气化炉温度的增大略有减小，但与固态渣层相比，其变化程度较小。 在气化炉内，液态渣层主要受排渣黏度和熔渣流量双重控制，当温度高于一定值后，熔渣黏度随温度变化很小，此时渣层厚度主要受沉积量影响，因此液态渣层一直存在。 对于固态渣层，其厚度主要受气化炉温度控制，当气化炉温度升高，渣层温度升高，固态渣层厚度减小； 当气化炉温度升高到1660 ℃时，对应的蒸汽产量约为25000 kg/h，当渣层整体温度高于固化温度（Tcv），水冷壁表面不存在固态渣层。

不同蒸汽产量下气化炉SiC 层的表面温度分布如图6 所示。 由图可见，碳化硅表面温度与蒸汽产量呈线性增长； 当水冷壁蒸汽产量为20000 kg/h时，SiC 表面温度约为1185 ℃； 若按碳化硅安全许可温度1600 ℃计算， 此时蒸汽产量约为29000 kg/h，对应的气化温度为1680 ℃。

3.3 不同煤种下炉温预测特性

图6 不同蒸汽产量下SiC 层表面温度Fig.6 Surface temperature of SiC layer at different steam production

煤种及其变化是影响气化炉操作中需要考虑的最重要变量，装置的所有操作参数都需要根据煤质的变化而做调整，故在此考察3 种原料煤下气化炉操作变化情况。 其中，淮南煤与神华煤配煤（配煤1，质量比为4∶6）、淮南煤与中天煤配煤（配煤2，质量比为1∶9） 和神华煤这3 种原料煤的煤灰性质见表1。

对于3 种入炉原料煤，通过蒸汽流量预测气化炉温度的变化规律如图7 所示。

图7 煤质对气化温度预测值的影响Fig.7 Influence of coal property on the predicted value of gasification temperature

由图可见，在相同蒸汽产量下，不同煤质的炉内操作温度变化很大： 以优质神华煤为原料时，蒸汽流量为3000 kg/h 时，炉内温度约为1245 ℃；相同蒸汽产量下，配煤1 的操作温度约为1467 ℃，配煤2 的操作温度为1417 ℃。

煤质对排渣特性预测的影响如图8 所示。 由图可见，通过蒸汽流量来判断气化炉排渣情况需要考虑煤质特性。 在蒸汽流量为3000 kg/h 状态下，神华煤的排渣黏度为11 Pa·s， 固态渣层厚度为53 mm；同样工况下，配煤1 的排渣黏度为40 Pa·s，固态渣层厚度高达90 mm； 配煤2 的排渣黏度为32 Pa·s，固态渣层厚度高达75 mm。

根据气化炉操作经验，一般要求排渣黏度控制在25 Pa·s 以内。因此，以低灰熔点神华煤为原料，气化温度1245 ℃即可满足操作要求，此时渣口排渣顺畅；以配煤1 为原料时，要使排渣黏度小于25 Pa·s，要求气化炉操作温度大于1545 ℃，壁面蒸汽产量大于10000 kg/h；以配煤2 为原料时，应使气化炉操作温度大于1460 ℃，壁面蒸汽产量大于7000 kg/h。

图8 煤质对排渣特性预测的影响Fig.8 Influence of coal property on slag discharge characteristics

4 结语

采用华东理工大学开发的SE 粉煤气化炉炉温操作指导软件，能够通过蒸汽产量间接计算得到气化炉操作温度，并获得气化炉排渣黏度、熔渣厚度等相关熔渣流动数据， 为生产运行提供有效的指导。 通过工业运行和软件计算，在同一操作煤种下，水冷壁面蒸汽产量增大， 表明气化炉操作温度增高，二者呈非线性关系；蒸汽产量越大，炉内温度越高，气化炉水冷壁表面液态熔渣流动黏度、固态熔渣厚度和总渣层厚度按指数越小，而液态渣层厚度变化幅度相对较小；根据水冷壁蒸汽产量来判断气化炉温度需要结合煤种特性的影响，同样操作负荷和蒸汽产量下， 可以得到不同原料煤的操作温度，以及以某一排渣黏度为操作点时的气化炉蒸汽产量，并由此分析煤种特性的影响。