IGCC能源計(jì)劃中的精餾塔的氣態(tài)分離的動(dòng)力模型

1、IGCC 能源計(jì)劃中的精餾塔的氣態(tài)分離的動(dòng)力模型摘要一個(gè)整體汽化聯(lián)合循環(huán)設(shè)備對(duì)于化石燃料來(lái)說(shuō)， 像煤和重精煉廠(chǎng)的殘?jiān)龋_(kāi)創(chuàng)了高效循環(huán)結(jié)合進(jìn)程， 如此一個(gè)設(shè)備因此擁有一個(gè)關(guān)鍵的與能量聯(lián)結(jié)的相關(guān)單元，例如，一個(gè)蒸氣渦輪和關(guān)鍵進(jìn)程中的重要組成部分，在目前的問(wèn)題中，他們都是空氣分離設(shè)備， 特別是在需求載荷改變的時(shí)段， 相關(guān)的一些部件的不同反應(yīng)都可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的大流量波動(dòng)， 低溫精餾塔作為空氣分離設(shè)備的核心，強(qiáng)烈地影響著系統(tǒng)的運(yùn)輸行為， 熱效應(yīng)時(shí)塔的上部被充滿(mǎn)， 在前面的論文中也緊密地調(diào)查過(guò)這種包裝結(jié)構(gòu)， 為了達(dá)到這種目的， 一個(gè)塔的動(dòng)力模型已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它可以用來(lái)描述和研究大流量波動(dòng)的

2、壓力動(dòng)力， 對(duì)于那些不可控制的塔的運(yùn)輸行為的壓力動(dòng)力問(wèn)題也已經(jīng)被分析和討論過(guò)了。 塔壓對(duì)于干擾的反應(yīng)有兩個(gè)時(shí)間范圍， 短期反應(yīng)，持續(xù)時(shí)間一般為 100200 秒，它在液體動(dòng)力學(xué)中的運(yùn)輸行為中占主導(dǎo)作用， 并且它已被詳細(xì)地討論過(guò)了， 而長(zhǎng)期的反應(yīng)是在非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)中占主要地位， 這種反應(yīng)的時(shí)間很大程度上取決于干擾的方向和強(qiáng)度， 持續(xù)的時(shí)間一般為一萬(wàn)秒到幾萬(wàn)秒。簡(jiǎn)介鑒于未來(lái) CO2 貿(mào)易以及更加嚴(yán)厲的應(yīng)對(duì)于氮的氧化物，二氧化硫和汞的排放物等的環(huán)境規(guī)則，能源電力市場(chǎng)將會(huì)被改變，特別是 CO2 貿(mào)易已經(jīng)作為一個(gè)新的指標(biāo)，它超越了燃料和投資費(fèi)用， 在未來(lái)的可獲利能源中扮演著一個(gè)新的角色。雖然通過(guò)增加天然氣

3、點(diǎn)火聯(lián)合循環(huán)設(shè)備，某種特定的 CO2 的排放將會(huì)顯著地減少，但天然氣是眾多燃料中最昂貴的一種， 同時(shí)也可以在此成功合理地利用化學(xué)工業(yè)中的人造燃料， 煤和其他化石燃料的使用， 將仍然會(huì)主導(dǎo)能源市場(chǎng)， 并且新應(yīng)急技術(shù)不得不被嚴(yán)肅地考慮以提高能源的高效性和 CO2 的清除能力。在這篇文章中，我們可以看到， IGCC 是一種最有前途的選擇， 它可以滿(mǎn)足這些要求，在歐美示范設(shè)備用已經(jīng)論證了它操作上的可行性， IGCC 由汽化，空氣分離，氣體凈化和聯(lián)合循環(huán)等單元組成， 并且它為像煤和精煉廠(chǎng)的殘?jiān)@樣的固體燃料提供了一個(gè)高效聯(lián)合循環(huán)過(guò)程，關(guān)于這方面操作經(jīng)驗(yàn)的例子，已經(jīng)由 TAIT,MCDONALD, 和 H

4、OLT 等人在近期的調(diào)查報(bào)告中給出了。為了提高 IGCC 能源設(shè)備的整體效率，并減少能源的凈損耗，空氣分離單元需要選擇性地與蒸氣渦輪相結(jié)合， 依據(jù)此相結(jié)合的程度， 蒸氣渦輪萃取提供空氣分離單元所需要的一些或者全部的空氣， 為減少壓力損失， 空氣分離設(shè)備和蒸氣渦輪機(jī)之間的任何額外的參數(shù)都應(yīng)該被忽略， 因此，大流量蒸氣從渦輪壓縮機(jī)進(jìn)入空氣分離單元和渦輪燃燒室，這些單元是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的壓力的不同而嚴(yán)格定義了的，當(dāng)改變蒸氣渦輪載荷時(shí)， 渦輪燃燒室的壓力也會(huì)發(fā)生變化， 使用標(biāo)準(zhǔn)的渦輪控制器，不期望的大流量波動(dòng)在雙重單元之間也會(huì)發(fā)生， 這種波動(dòng)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到了，此時(shí)， IGCC 設(shè)備也會(huì)遭受低頻率和顯著的操

5、作影響。低溫精餾塔，作為空氣分離單元的核心，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)運(yùn)輸行為，這種影響作用在第一步中已經(jīng)被闡述過(guò)了，此塔屬于整體加熱的雙型塔， 塔內(nèi)下部分是塔盤(pán)，上部分是填料， 當(dāng)前在低溫空氣分離的領(lǐng)域的研究受到手頭參考書(shū)目的限制，在 2000 年， REFFEL 研究這種低溫整體加熱塔的進(jìn)程改變，發(fā)明了一種多元靈活可變的控制方案，可以達(dá)到更好的凈化控制目的。 ZHU 等人為氮的蒸餾開(kāi)發(fā)了低溫蒸餾塔的動(dòng)力模型， 它是基于非線(xiàn)性波動(dòng)理論的， 并且對(duì)于那些大范圍的操作，他也開(kāi)發(fā)了一種可產(chǎn)生滿(mǎn)意預(yù)測(cè)的模擬器，在 2002 年， Egoshi 為研究動(dòng)力空氣分離塔的設(shè)計(jì)建立了一個(gè)詳細(xì)的靜態(tài)模型， 這種模型已經(jīng)被

6、發(fā)展成為了填料塔，早在 2000 年就有人用實(shí)驗(yàn)的方式建立了許多運(yùn)輸模型。然而，如果空氣分離單元在一種能源設(shè)備中廣泛地應(yīng)用，那么對(duì)塔壓動(dòng)力的理解就顯得很重要了，根據(jù) SKOGESTAD 的理論，一個(gè)模型要考慮到所有物質(zhì)成分以及內(nèi)在的能量動(dòng)力平衡， 對(duì)于塔的壓降， 這種平衡可以很好的描述這種作用，HANKE 近期發(fā)表過(guò)與此塔模型有關(guān)的論文，塔內(nèi)低部分的盤(pán)塔流體力學(xué)計(jì)算已經(jīng)被分析過(guò)了， 并且還分析過(guò)了它的短暫過(guò)程， 這樣的論文的發(fā)表在整體加熱蒸餾塔的上層部分呈現(xiàn)了一個(gè)填料裝置的動(dòng)力模型， 所有的方程和必要的參數(shù)都將會(huì)在下面被介紹， 在沒(méi)有安裝任何控制器的情況下， 塔內(nèi)的瞬態(tài)反應(yīng)和結(jié)果將會(huì)在第三章呈

7、現(xiàn)和討論。2 精餾塔的模型正如上面所提到過(guò)的，動(dòng)力精餾塔常常被設(shè)計(jì)成填料塔，本部分將會(huì)呈現(xiàn)此填料塔的一種動(dòng)力數(shù)學(xué)模型， 這種模型可以描敘塔內(nèi)的動(dòng)力， 因此，它是由總物質(zhì)，各成分物質(zhì)以及內(nèi)在的能量的動(dòng)態(tài)平衡方程所組成的，如果平衡方程被公式化，液體的分離關(guān)系和蒸氣流量也將包含其中， 可以用一組代數(shù)方程來(lái)描述壓降， 液體流量，蒸氣流量，相交平衡和工作介質(zhì)的物理屬性，有了這些參數(shù)，我們就可以建立模型了。平衡方程和假設(shè)條件將會(huì)包含并呈現(xiàn)在第一部分中，水力模型將在第二部分被介紹，工作介質(zhì)通過(guò)能量狀態(tài)方程來(lái)描述， 這將會(huì)在第三部分被呈現(xiàn)， 在最后一部分，底部的再沸器會(huì)被簡(jiǎn)單地介紹。2.1 一般假定和平衡方程

8、由于連續(xù)介質(zhì)和熱量在塔內(nèi)進(jìn)行著液態(tài)和氣態(tài)的傳遞， 填料塔模型一般由一系列的不同方程所構(gòu)成， 然而，大多數(shù)的填料塔都已經(jīng)被模型化了， 這種對(duì)階段模型的研究和結(jié)論是在對(duì)真實(shí)塔的觀(guān)測(cè)上而開(kāi)發(fā)的， 但由于填料塔在獲得大量傳輸數(shù)據(jù)方面非常困難，因此這種模型也被產(chǎn)生過(guò)很多質(zhì)疑如果沒(méi)有做出任何的假定， 甚至一個(gè)細(xì)節(jié)化了的塔的階段模型， 它用在目前的實(shí)際工作中會(huì)顯得相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。進(jìn)一步簡(jiǎn)化，特別關(guān)注的塔的動(dòng)力模型在接下來(lái)的部分會(huì)被討論。 根據(jù)這些假定并且考慮到一種理論，物料和能量平衡方程可以公式化，其物料公式為：能量公式：2.2 動(dòng)力模型對(duì)于上述方程，用額外的方程計(jì)算液體和氣體流量很有必要，考慮到動(dòng)力裝料和壓降

9、就很顯然了， 流量反應(yīng)對(duì)于初始的塔反應(yīng)中扮演著很重要的角色， 因此在本研究中，不能夠目前的工作， 動(dòng)力模型被應(yīng)用， 它描述了液體成分和壓降在結(jié)構(gòu)包裝中改變載荷的最大點(diǎn)，在這個(gè)流量范圍內(nèi)，在低蒸氣流量速率的條件下，填料塔可以看成幾乎獨(dú)立， 這種假定似乎很合理， 因?yàn)樵谶@種載荷之下， 沒(méi)有液體的活動(dòng)發(fā)生。Mackowiak 研究液體成分而不是研究液體流量的方法是基于力平衡的， 忽略了粘性力，重力等。根據(jù)這些假定和后面一面一些重新整理的方程， 液體流量可以用以下公式來(lái)計(jì)算：為了計(jì)算蒸氣流量， 動(dòng)量方程也可以被應(yīng)用， 內(nèi)在的變形力， 如同蒸氣流的重力也可以被忽略，因此，動(dòng)量守恒方程可變形為：在該方程中

10、，對(duì)于壓降的表達(dá)是很有必要的， Mackowiak 的模型對(duì)于壓降的研究是基于蒸氣流通過(guò)一個(gè)空的管道的環(huán)境條件的， 它可在同樣的假定條件下計(jì)算液體流量：在動(dòng)量守恒方程中插入一個(gè)壓降表達(dá)式，導(dǎo)致了下面蒸氣流量的方程：對(duì)于一個(gè)塔設(shè)備， 動(dòng)力模型的應(yīng)用取決于液體和蒸氣流， 因此，假定一些特殊的參數(shù)是必要的，這要看調(diào)料的屬性了。2.3 物理屬性和氣液平衡，這樣的變量，例如壓力，蒸氣成分，液體成分，密度和焓等，它們?cè)跓釀?dòng)力學(xué)中都有嚴(yán)格的定義， 對(duì)于動(dòng)力空氣分離， 我們可以在許多不同的著作中找到不同的研究方法。例如，ZHU 等人研究了減階模型中相關(guān)物質(zhì)的揮發(fā)性。 ROFEL和 EGOSHI 研究氣液平衡時(shí)

11、用過(guò) PENG-ROBINSEN 方程，一項(xiàng)關(guān)于空氣和氮?dú)?，氧氣和氬氣的混合物?dòng)力屬性的報(bào)告已由 LEMMON 等人發(fā)表過(guò) .在本工作中，為了描述中介空氣的工作狀態(tài)， 有關(guān) N2-AR-O2 混合物的 BENDER 方程被很好的運(yùn)用， 這種模型的建立是從前面修改過(guò)的方程中建立起來(lái)的， 它體現(xiàn)了研究液體領(lǐng)域的精確性。 這種模型可以允許計(jì)算氣液平衡， 同時(shí)在一個(gè)較大的固有范圍內(nèi)卡可以可靠的預(yù)測(cè)持續(xù)的能量和體積屬性。 而這個(gè)范圍我們一般取為 T=76380K, P=126par。2.4 雙層再沸器濃縮系統(tǒng)在第一副圖中可以看到， 也被介紹過(guò)， 精餾塔是一個(gè)整體加熱的蒸餾塔， 它分高壓塔和低壓塔兩部分組

12、成。 這兩部分也構(gòu)成了再沸器濃縮系統(tǒng)， 它將在第三副圖中被簡(jiǎn)化。不同塔之間的不同用如此方法已被設(shè)計(jì)考慮到頂部低塔的氫氣能夠到達(dá)底部的高塔。而被液化。某種壓縮機(jī)出口壓力，決定了高壓塔的壓力。并且某一最大溫度的限制也決定了高壓塔前部氫氣的純度。 為達(dá)到這一極限溫度， 在塔的上層可以利用一較低的壓力來(lái)提高某種水坑氧氣的純度。一些簡(jiǎn)單的模型描述了此種聯(lián)合動(dòng)力空氣的濃縮再沸器設(shè)備， 換熱器壁的熱量?jī)?chǔ)存能力， 也會(huì)被忽略， 因?yàn)樗潜容^較小的熱量流量， 這種熱量流量一般是由填料塔的底部產(chǎn)生的。3 模擬結(jié)果結(jié)論性的方程系統(tǒng)由 160 個(gè)普通不同的方程和 40 個(gè)復(fù)雜的代數(shù)方程組成，并且它們已被移植到了 MA

13、TLAB/S 模擬環(huán)境中。高純度的蒸餾塔可以展示高的非線(xiàn)性行為， 例如較大反應(yīng)的滯后， 或者強(qiáng)大的獨(dú)立系統(tǒng)對(duì)于磁場(chǎng)和干擾方向的反應(yīng)。 Rose在 1950 第一次討論過(guò)這一效果。 H.Wang 對(duì)此給了一個(gè)較好的報(bào)告， 在非線(xiàn)性被動(dòng)理論的幫助下闡明了這種作用，目前的模型也顯示此非線(xiàn)性行為。 為了簡(jiǎn)便的討論這一現(xiàn)象， 非線(xiàn)性波動(dòng)理論被應(yīng)用于結(jié)果的評(píng)估學(xué)中。 原始的發(fā)展成為多種成分的套色板。 在當(dāng)今許多分離問(wèn)題中，非線(xiàn)性波動(dòng)理論已被廣泛應(yīng)用。 它對(duì)于動(dòng)力模型的開(kāi)發(fā)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助。 基本思路是濃縮或溫度可被看作一種不變形狀的波。 每一波都有自己固有的波速。它基本主要取決于波動(dòng) L/V

14、 比例和振幅。如果流速被此種方法被調(diào)整，那么波速等于零 ,這種波占據(jù)塔的中層。這種穩(wěn)定平衡狀態(tài)， 并且可以最大效率的分離， 如果流速太低或太高， 波速將會(huì)趨于零，波將會(huì)直上或直下的傳播直到到達(dá)塔的末端， 波在此會(huì)被阻止， 這種作用叫做浪費(fèi)的塔端作用。3.1 靜態(tài)的外觀(guān)在第一步中，靜態(tài)外形已被討論過(guò)， 這些外形為研究動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。已如原始的討論， 在此工作中， 低壓塔的行為在沒(méi)有安裝任何控制器下被獨(dú)立的調(diào)查分析過(guò)。 塔間模擬交換作用， 在第一步中被忽略掉了。 圖 4 顯示了精餾塔的模擬部分的選擇模擬安裝， 該塔有 3 個(gè)進(jìn)氣口和 2 個(gè)出氣口，因第二個(gè)進(jìn)氣口在塔的頂部是液態(tài)氮， 它來(lái)自

15、高壓塔的頂部， 并且服務(wù)于塔的液體逆流。 為了彌補(bǔ)動(dòng)力損失，出口物料流量，頂部氮?dú)?和底部氧氣都是產(chǎn)品。它們彼此孤立開(kāi)來(lái)，就是為了減少整體能量的消耗。為了定義塔的圖像， 圖 5 顯示了重力作用下液相下塔靜態(tài)外形。 此塔可被分為兩部分：精餾部分和抽錠脫膜部分。 分析動(dòng)力行為使用非線(xiàn)性波動(dòng)理論， 這種分別區(qū)就顯得尤為重要了。 模擬這種塔來(lái)描述運(yùn)輸行為， 塔頂部的液態(tài)氮的填料焓被改變?cè)?0.1 秒內(nèi)，由 -105KJ/KG-120KJ/KG,所有其他的進(jìn)口變量都保持不變，塔的反應(yīng)發(fā)生在兩個(gè)不同的時(shí)間段，流量和液體成分變化的反應(yīng)需要很長(zhǎng)時(shí)間，前者為短期動(dòng)力反應(yīng)，并且與塔的液體動(dòng)力相關(guān)，而成分和溫度需要

16、長(zhǎng)期的動(dòng)力監(jiān)測(cè)。3.2.1 短期行為填料塔的減少的描述將會(huì)增加塔的頂部的額外的制冷引擎，它可以用于額外蒸氣的壓縮，因此，這一時(shí)期塔的頂部壓強(qiáng)有所降低，其他部位不同壓力之間保持著低范圍的增加， 這種增加了的壓力會(huì)導(dǎo)致蒸氣流量的加速，同時(shí)它也會(huì)反過(guò)來(lái)影起塔內(nèi)壓力的增加， 而對(duì)蒸氣流量和壓力的反應(yīng)的不同主要取決于塔的壓力改變能力和對(duì)蒸氣流量改變的抵制力，并且它是很快的。 圖 8 和圖 9 顯示了壓力不同的兩個(gè)蒸氣流量的臨近階段。 （附圖）液體流量不能被改變?cè)谝粋€(gè)較短的時(shí)間里， 但是，這種液態(tài)流速的反應(yīng)相當(dāng)于噴流管的射流作用，在不同的時(shí)期，液體成分不斷的被增加以獲得較大的流速。最后物料的成分變化也會(huì)影

17、響塔體內(nèi)壓力變化，當(dāng)每個(gè)時(shí)期成分的變化或多或少不受溫度變化的影響時(shí)， 底部溫度不會(huì)變化到一個(gè)非常嚴(yán)重的后果， 正如上述所討論過(guò)的， 底部溫度取決于傳送到塔的熱流量， 如果所有進(jìn)口物料流量和他們的焓保持不變， 那么底部的溫度也不會(huì)改變， 因此，底部物質(zhì)成分隨壓力的改變而改變，其他的盤(pán)塔也遵循這一規(guī)則。3.2.2 長(zhǎng)期的行為塔的液體動(dòng)力在 150 秒后會(huì)自然的退去，這可以看成是短期動(dòng)力的結(jié)束，結(jié)果會(huì)改變 L/V 速率和塔的形狀。在這一節(jié)的開(kāi)頭已經(jīng)提到過(guò)，這種液體動(dòng)力可以看做是具有一定速率的波，它的大小主要取決于 L/V 速率和波的振幅，這兩個(gè)變量都因短期動(dòng)力的結(jié)果而發(fā)生改變， 因此，波速時(shí)刻發(fā)生變

18、化， 這種波速變化的波可以傳播得更遠(yuǎn)。，接下來(lái)，在非線(xiàn)性波動(dòng)理論的幫助下，這種長(zhǎng)期的動(dòng)力將會(huì)被很好的分析。波在精餾段按照一次方式進(jìn)行改變以致于波會(huì)傳播得更遠(yuǎn)，在第一步中，波在脫除段被激發(fā)以至于運(yùn)動(dòng)速率會(huì)下降， 5000 秒后，脫除段的物料成分將發(fā)生改變，這種成分的改變將會(huì)反過(guò)來(lái)影響波向上傳播， 并且會(huì)在塔的末端被阻止， 波此時(shí)在精餾段內(nèi)達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，在 300000 秒后，波鎖定在精餾段的中部。結(jié)論和觀(guān)點(diǎn)：前面我們展現(xiàn)了低溫空氣分離的調(diào)料塔的動(dòng)力模型， 這種模型的設(shè)計(jì)主要是為弄清在短期和長(zhǎng)期動(dòng)力作用下， 塔內(nèi)的動(dòng)力行為， 為了描述這種代表性的作用， 該模型詳細(xì)化了的豐富經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)被研究出來(lái)了， 它是由總物料， 組分物質(zhì)和內(nèi)在能量的動(dòng)力平衡而組成，工作介質(zhì)的能量狀態(tài)已由被修正過(guò)的 BENDER