一种气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法技术

一种气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，涉及气化炉运行参数检测。包括数据采集和计算输出，在接受采集的数据后，通过相应的数学计算式及守恒方程，计算并输出炉内的温度数据给现场操作人员，为其判断气化炉内气化过程及装置的运行状态提供参考。采用数学机理建模的方法建立气化炉的动态数学模型，根据数据采集系统接受煤质数据、装置参数及运行数据，通过在线求解数学模型的方法获得Shell气化炉炉内温度的软测量值。可以为操作人员提供及时与有效的炉内温度的信息，指导其更好得完成气化反应过程的优化与运行操作，克服由于Shell气化装置自身设计缺陷对生产过程及产品质量的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气化炉运行参数检测，尤其是涉及根据工业现场采集的运行数据通过事先建立好的模型在线求解炉内重要变量的一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法。
技术介绍
Shell气流床煤气化技术由荷兰Shell国际石油公司于20世纪50年代开始研发，目前已在德国、荷兰、意大利等多个国家建成并投入使用，是已经商业化的第二代煤气化技术中最有竞争力的技术之一。Shell煤气化技术的工艺流程主要包括磨煤干燥、加压输送、气化、除渣、除灰、湿洗等单元，煤场的原料煤首先由带式输送机送入磨煤与干燥单元中研磨和干燥，之后依次通过煤粉加压与输送单元内的常压煤粉仓、加压煤粉仓及给料仓，由高压氮气或二氧化碳将煤粉输送至气化炉煤烧嘴，在气化炉内与来自空分的高压氧气发生一系列反应，产生合成气、飞灰与炉渣。其中，气化产物中的炉渣从气化炉底部以熔渣的形式流入渣池，在渣池中被激冷分散后排出气化系统；气化产物中的合成气与飞灰由气化炉顶部送出，在激冷段内被激冷压缩机送来的激冷气激冷至800～900℃，然后经合成气冷却器(废锅)进一步冷却后送入干法除灰单元；合成气中夹带的熔融飞灰在之前的激冷段中由于温度的陡然降低会发生固化，这些固化的飞灰在除灰系统中大部分被高温高压过滤器分离出合成气并送入飞灰贮罐；经过干法除灰的合成气被分为两股，一股回到激冷压缩机作为激冷气，另一股进入湿洗单元，待合成气中的卤化物被除去且飞灰含量进一步降低(<1mg/m3)之后再被分为两股，一股送回激冷压缩机作激冷气，另一股作为最后的粗合成气给下游工段使用。在目前Shell气化炉工业运行的过程中，由于炉内状况复杂、炉温较高等特点，导致气化反应器内包括温度在内的众多变量无法直接测量，工业过程中的实际测量装置均处于气化工艺中低温段，为此操作人员无法确定炉内的反应状况与反应温度的实时数据，致使气化炉无法达到精细优化操作，实际表现为其开车运行周期短、故障频发等现象。鉴于此种情况，在现有的生产条件下以低成本获得Shell炉内温度的实时数据就成为工业过程中亟待解决的技术问题。目前，已有学者提出了与Shell气化炉同属气流床气化技术类别的多喷嘴对置式水煤浆气化炉炉膛温度的软测量方法(参见中国专利申请号：CN201110001570.9)，该方法基于BP人工神经网络建立炉内模型，实现炉膛内温度信息的在线预测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供无需另外增加气化炉测点，在推算气化炉炉炉膛温度的同时考虑到了炉内的化学反应和传热特性，使软测量结果能更实时准确地反映炉膛内温度的真实值，帮助现场操作人员控制气化过程的一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法。本专利技术包括以下步骤：1)数据采集；2)计算输出；在接受采集的数据后，通过相应的数学计算式及守恒方程，计算并输出炉内的温度数据给现场操作人员，为其判断气化炉内气化过程及装置的运行状态提供参考。在步骤1)中，所述数据包括入炉煤质数据、气化炉结构参数和气化炉运行实时数据等；所述入炉煤质数据可由相关人员通过煤质分析获得；所述气化炉结构参数包括气化炉高度、气化炉直径、气化炉水冷壁厚度等，所述气化炉结构参数可通过气化炉设计图纸获得；所述气化炉运行实时数据可通过工厂DCS系统采集，所述气化炉运行实时数据包括进煤量、进氧量、蒸汽量、载气(二氧化碳或氮气)量以及气化炉压力。在步骤2)中，所述计算并输出炉内的温度数据包括炉内的化学反应和炉内向外传热的计算，以及炉温的输出整个软测量，具体方法如下：(1)根据计算精度与计算速度的要求确定气化室个数；(2)接收数据采集部分传来的本时刻气化炉运行数据；(3)根据进料参数计算本时刻进入气化炉热解燃烧室内的煤粉发生热解及燃烧反应的质量与能量平衡，其求解过程按下述表达式描述：(Cg,i,0,Cp,j,0,T0，u0,ρN0,dp,0,εp,0,εg,0,P)＝f(Tfeeding,x,mfeeding,x,dp,feeding,ρcoal)式中Cg,i,0代表热解燃烧室内气相组分i的摩尔浓度，其中i包括二氧化碳、水、氢气、一氧化碳、甲烷、氮气以及硫化氢七种物质，Cp,j,0代表热解燃烧室内固相组分j的质量浓度，其中j包括煤焦与灰分两种物质，T0代表热解燃烧室温度，u0代表热解燃烧室内所有物质的流速，ρN0代表热解燃烧室内固体颗粒数，dp,0代表热解燃烧室内煤焦颗粒直径，εp,0代表热解燃烧室内固相物质体积分数，εg,0代表热解燃烧室内气相物质体积分数，P代表气化炉操作压力，Tfeeding,x代表进入气化炉的x组分的温度，其中x包括煤粉、氧气、蒸汽、氮气、二氧化碳五种物质，mfeeding,x代表进入气化炉的x组分的质量流量，其中的x仍然包括煤粉、氧气、蒸汽、氮气、二氧化碳五种物质，dp,feeding代表进入气化炉的煤粉颗粒的直径，ρcoal代表进入气化炉的煤粉密度。(4)计算本时刻各气化室内物质发生气化反应时的质量与能量源项，其中的气化反应速率(均相、非均相)由相关反应的动力学方程计算： MS p , c h a r , n H e t e r o = Σ m ( - R m , n H e t e r o ) ]]> MS p , a s h , n H e t e r o = x A s h Σ m R m , n H e t e r o ]]> MS g , i , n H e t e r o = x 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于包括以下步骤：1)数据采集；2)计算输出；在接受采集的数据后，通过相应的数学计算式及守恒方程，计算并输出炉内的温度数据给现场操作人员，为其判断气化炉内气化过程及装置的运行状态提供参考。

【技术特征摘要】
1.一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于包括以下步骤：1)数据采集；2)计算输出；在接受采集的数据后，通过相应的数学计算式及守恒方程，计算并输出炉内的温度数据给现场操作人员，为其判断气化炉内气化过程及装置的运行状态提供参考。2.如权利要求1所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于在步骤1)中，所述数据包括入炉煤质数据、气化炉结构参数和气化炉运行实时数据。3.如权利要求2所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于所述入炉煤质数据由相关人员通过煤质分析获得。4.如权利要求2所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于所述气化炉结构参数包括气化炉高度、气化炉直径、气化炉水冷壁厚度。5.如权利要求2所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于所述气化炉结构参数通过气化炉设计图纸获得。6.如权利要求2所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于所述气化炉运行实时数据通过工厂DCS系统采集。7.如权利要求2所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于所述气化炉运行实时数据包括进煤量、进氧量、蒸汽量、载气量以及气化炉压力，所述载气为二氧化碳或氮气。8.如权利要求1所述一种壳牌气流床气化炉炉膛温度的在线软测量方法，其特征在于在步骤2)中，所述计算并输出炉内的温度数据包括炉内的化学反应和炉内向外传热的计算，以及炉温的输出整个软测量，具体方法如下：(1)根据计算精度与计算速度的要求确定气化室个数；(2)接收数据采集部分传来的本时刻气化炉运行数据；(3)根据进料参数计算本时刻进入气化炉热解燃烧室内的煤粉发生热解及燃烧反应的质量与能量平衡，其求解过程按下述表达式描述：(Cg,i,0,Cp,j,0,T0,u0,ρN0,dp,0,εp,0,εg,0,P)＝f(Tfeeding,x,mfeeding,x,dp,feeding,ρcoal)式中Cg,i,0代表热解燃烧室内气相组分i的摩尔浓度，其中i包括二氧化碳、水、氢气、一氧化碳、甲烷、氮气以及硫化氢七种物质，Cp,j,0代表热解燃烧室内固相组分j的质量浓度，其中j包括煤焦与灰分两种物质，T0代表热解燃烧室温度，u0代表热解燃烧室内所有物质的流速，ρN0代表热解燃烧室内固体颗粒数，dp,0代表热解燃烧室内煤焦颗粒直径，εp,0代表热解燃烧室内固相物质体积分数，εg,0代表热解燃烧室内气相物质体积分数，P代表气化炉操作压力，Tfeeding,x代表进入气化炉的x组分的温度，其中x包括煤粉、氧气、蒸汽、氮气、二氧化碳五种物质，mfeeding,x代表进入气化炉的x组分的质量流量，其中的x仍然包括煤粉、氧气、蒸汽、氮气、二氧化碳五种物质，dp,feeding代表进入气化炉的煤粉颗粒的直径，ρcoal代表进入气化炉的煤粉密度；(4)计算本时刻各气化室内物质发生气化反应时的质量与能量源项，其中的气化反应速率(均相、非均相)由相关反应的动力学方程计算： MS p , c h a r , n H e t e r o = Σ m ( - R m , n H e t e r o ) ]]> MS p , a s h , n H e t e r o = x A s h Σ m R m , n H e t e r o ]]> MS g , i , n H e t e r o = x c h a r M C Σ m υ i , m R m , n H e t e r o ]]> MS g , i , n H o m o = Σ m υ i , m R m , n H o m o ]]> HS p , n H e t e r o = x c h a r M C Σ m ( R m , n H e t e r o ( - ΔH m ) ) ]]> HS g , n H o m o = Σ m R m , n H o m o ( - ΔH m ) ]]>式中，代表第n个气化室内煤焦的非均相反应质量源项，代表第n个气化室内相关非均相反应m的反应速率，代表第n个气化室内灰分的非均相反应质量源项，xAsh代表灰分在煤粉中的质量分数，代表第n个气化室内气相组分i的非均相反应质量源项，其中i包括二氧化碳、水、氢气、一氧化碳、甲烷、氮气以及硫化氢七种物质，xchar代表煤焦在煤粉中的质量分数，MC代表煤焦的摩尔质量，υi,m代表组分i在化学反应m中的化学计量系数，代表第n个气化室内气相组分i的均相反应质量源项，其中i包括二氧化碳、水、氢气、一氧化碳、甲烷、氮气以及硫化氢七种物质，代表第n个气化室内相关均相反应m的反应速率，代表第n个气化室内所有固相组分的非均相反应能量源项，ΔHm代表化学反应m的反应焓，代表第n个气化室内所有气相组分的均相反应能量源项；(5)计算本时刻各气化室与炉壁的传热源项，包括气相对流传热与气固辐射传热两部分；Qconv,n＝Awα(Tn-Twall) Q r a d , n = A p σ ( e p T n 4 - e w a l l T w a l l 4 ) ]]>式中，Qconv,n代表第n个气化室内的对流传热量，Aw代表对流传热面积，α代表对流传热系数，Twall代表炉壁温度，Tn代表第n个气化室内的温度，Qrad,n代表第n个气化室内的辐射传热量，Ap代表辐射传热面积，σ代表玻尔兹曼常数，ep代表炉内固体颗粒黑度，ewall代表炉壁黑度；(6)建立本时刻各气化室的质量、能量守恒的动态方程式，并计算流速与颗粒数：气相质量守恒： d ( ϵ g , n C g , i , n ) d t = 1 L n ( u n - 1 ϵ g , n - 1 C g , i , n - 1 - u n ϵ g , n C g , i , n ) + ( MS g , i , n H e t e r o + MS g , i , n H o m o ) ]]>固相质量守恒： d ( C p , j , n ) d t = 1 L n ( u n - 1 C p , j , n - 1 - u n C p , j , n ) + MS p , j , n H e t e r o ]]>颗粒数： dρN n d t = 1 L n ( ρN n - 1 · u n - 1 - ρN n · u n ) ]]>气固两相能量守恒： d ( ( ϵ g , n Σ i ( C g , i , n Cp i , n ) + Σ j ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志凯，解泰瓅，周华，江青茵，师佳，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35