畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于aspen pluse的油頁(yè)巖CBF燃燒NOx生成模擬

1、第1章 緒 論1.1 課題的背景當(dāng)今世界，人口、資源和環(huán)境是全人類(lèi)共同關(guān)心的問(wèn)題。能源是人類(lèi)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口的膨脹，人類(lèi)對(duì)能源資源的需求日益增加，而目前人類(lèi)長(zhǎng)期依賴(lài)的傳統(tǒng)化石燃料煤、石油、天然氣等正在迅速減少。據(jù)世界能源委員會(huì)的評(píng)估，全球開(kāi)采成本較低的化石燃料將在本世紀(jì)中期到末期耗盡1。石油，由于其不可再生，人類(lèi)社會(huì)發(fā)展對(duì)石油又高度依賴(lài)，石油供應(yīng)關(guān)系國(guó)計(jì)民生，所以被人們稱(chēng)為“黑色黃金”。美國(guó)能源部能源信息管理局預(yù)測(cè)全球石油需求將以每年1.9%的速度增長(zhǎng)2。由于世界石油資源儲(chǔ)量有限，石油資源消費(fèi)量龐大，而近幾年中東地區(qū)政治局勢(shì)的動(dòng)蕩，石油供求關(guān)系緊張，不斷

2、地提醒著各國(guó)政府要積極開(kāi)發(fā)其替代能源，以保證各國(guó)的能源安全。在構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的進(jìn)程中，對(duì)急需增強(qiáng)綜合國(guó)力的中國(guó)來(lái)說(shuō)，能源更是關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)和諧的大事。2007年12月26日，國(guó)務(wù)院新聞辦發(fā)表的中國(guó)的能源狀況與政策白皮書(shū)指出，雖然中國(guó)能源總量比較豐富，但人均能源資源擁有量在世界上處于較低水平。其中，煤炭和水力資源人均擁有量相當(dāng)于世界平均水平的50%，石油、天然氣資源人均擁有量?jī)H為世界平均水平的十五分之一左右3。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)連年穩(wěn)定增長(zhǎng)，特別是近十年，我國(guó)gdp年增長(zhǎng)率始終保持在8%左右，于此同時(shí)，我國(guó)已經(jīng)成為世界上石油消費(fèi)增長(zhǎng)最快的國(guó)家。相對(duì)于煤炭資源儲(chǔ)量，我國(guó)更是一個(gè)貧油

3、的國(guó)家，2007年我國(guó)石油資源對(duì)外依賴(lài)度已高達(dá)50%，已進(jìn)入能源預(yù)警期4。石油短缺問(wèn)題已逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一，嚴(yán)重威脅著我國(guó)能源戰(zhàn)略安全。油頁(yè)巖屬于固體化石燃料。在全世界化石燃料中, 其儲(chǔ)量折成發(fā)熱量?jī)H次于煤炭而居第二位, 折成頁(yè)巖油4 750 億t , 為石油可采儲(chǔ)量的514 倍。我國(guó)油頁(yè)巖遠(yuǎn)景儲(chǔ)量約2 萬(wàn)億t , 折頁(yè)巖油800 億t , 為石油可采儲(chǔ)量的30 倍以上, 僅次于美國(guó)、巴西、愛(ài)沙尼亞, 居世界第四位; 1989 年探明儲(chǔ)量315167 億t , 其中吉林省17413 億t , 廣東省54 億t , 遼寧省36 億t , 海南省2415 億t ; 據(jù)悉, 目前探明儲(chǔ)量

4、超過(guò)6 000 億t 。油頁(yè)巖具有煤炭的物化特性, 可直接燃燒, 發(fā)電、供熱均可; 又含有石油的組分, 可干餾煉制頁(yè)巖油人造石油。但是, 由于它發(fā)熱值低、含油率低、灰分高, 屬高灰分低發(fā)熱值劣質(zhì)燃料類(lèi)似于煤矸石, 開(kāi)發(fā)利用成本高, 在石油和煤炭?jī)r(jià)格低廉時(shí)經(jīng)濟(jì)上無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。因此, 在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)中一直沒(méi)能大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用, 只有少數(shù)國(guó)家用于煉油、發(fā)電, 并探索綜合利用、提高經(jīng)濟(jì)效益之路,中國(guó)就是其中之一。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)分析, 由于世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 石油和煤炭消耗量相應(yīng)增長(zhǎng), 而資源量是有限的, 人類(lèi)必須尋求替代能源, 油頁(yè)巖就是最現(xiàn)實(shí)的替代者, 開(kāi)發(fā)利用油頁(yè)巖是必然的。另一方面, 近幾年來(lái)國(guó)際上

5、石油價(jià)格猛漲、居高不下, 同時(shí)帶動(dòng)煤炭?jī)r(jià)格相應(yīng)上揚(yáng), 使油頁(yè)巖煉油和發(fā)電成本相對(duì)降低、經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。實(shí)踐證明傳統(tǒng)油頁(yè)巖能源利用方式由于存在著嚴(yán)重的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)題而不能發(fā)展35 。其有效的利用必須尋求新的途經(jīng)。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的出現(xiàn)給油頁(yè)巖的利用和油頁(yè)巖燃燒發(fā)電技術(shù)注入了新的活力,并帶來(lái)光明的前景。循環(huán)流行化床鍋爐技術(shù)是近十幾年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)高效低污染清潔燃燒枝術(shù)。國(guó)際上這項(xiàng)技術(shù)在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢棄物處理利用等領(lǐng)域已得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，并向幾十萬(wàn)千瓦級(jí)規(guī)模的大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展；國(guó)內(nèi)在這方面的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用也逐漸興起，已有上百臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐投入運(yùn)行或正在制造之中。未來(lái)的

6、幾年將是循環(huán)流化床飛速發(fā)展的一個(gè)重要時(shí)期。油頁(yè)巖作為動(dòng)力燃料主要用于發(fā)電、供熱，而這些都與燃燒有關(guān)，因此，了解油頁(yè)巖的燃燒特性是更好的開(kāi)發(fā)與利用油頁(yè)巖資源的關(guān)鍵。換句話說(shuō)，油頁(yè)巖在爐內(nèi)燃燒的好與壞，對(duì)油頁(yè)巖的綜合利用有一定的影響，循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)就顯的尤為重要。實(shí)現(xiàn)油頁(yè)巖燃料利用工業(yè)化，顯然對(duì)其進(jìn)行循環(huán)流化床燃燒是有效途徑。為避免其對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)平衡，影響人類(lèi)正常健康發(fā)展，因此對(duì)其cfb（circulating fluidized bed）燃燒污染物的生成進(jìn)行研究十分必要。由于油頁(yè)巖成分復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本高等特點(diǎn)，給研究工作帶來(lái)不便，需要尋求新的研究途徑。 aspen plus作

7、為流程模擬軟件，近年來(lái)已在煤的燃燒、氣化和生物質(zhì)氣化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也得到了許多有益的模擬結(jié)果，且其模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比較好相符，因此作者將其用于油頁(yè)巖cfb燃燒燃燒。aspen plus（advanced system for process engineering）在油頁(yè)巖cfb燃燒的成功應(yīng)用，將會(huì)給油頁(yè)巖清潔利用的研究帶來(lái)許多許多方便和適用參考數(shù)據(jù)，以便緩解當(dāng)前的能源危機(jī)，保證我國(guó)以及世界的經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展。1.2 文獻(xiàn)綜述國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展世界上開(kāi)發(fā)和利用油頁(yè)巖已有200多年的歷史，只是由于近兩個(gè)世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)頻繁，世界石油市場(chǎng)價(jià)格激蕩，影響了油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)利用和技術(shù)研發(fā)10

8、。20世紀(jì)80年代后期，世界石油資源消費(fèi)量激增，各國(guó)又開(kāi)始重新著眼于各種可再生能源和其它替代能源的開(kāi)發(fā)利用，油頁(yè)巖工業(yè)也隨之在中國(guó)、巴西等國(guó)再次興起。目前，愛(ài)沙尼亞、中國(guó)和巴西都在進(jìn)行頁(yè)巖油的商業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)量將近100萬(wàn)噸，到2015年，世界上頁(yè)巖油的年產(chǎn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到350萬(wàn)噸11。面對(duì)我國(guó)石油資源匱乏，油頁(yè)巖資源儲(chǔ)量較大的現(xiàn)狀，合理開(kāi)發(fā)高品質(zhì)的油頁(yè)巖將會(huì)是對(duì)我國(guó)石油資源緊缺的有益補(bǔ)充。中共中央、國(guó)務(wù)院在關(guān)于實(shí)施東北地區(qū)等老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略的若干意見(jiàn)中，非常明確地提出將“油頁(yè)巖綜合利用”列為優(yōu)先科技攻關(guān)主題。國(guó)土資源部將油頁(yè)巖列為重點(diǎn)礦種，加強(qiáng)勘察，明確要求加強(qiáng)油頁(yè)巖綜合利用技術(shù)的研究與應(yīng)用

9、12。油頁(yè)巖作為一種重要的能源資源，目前世界上利用油頁(yè)巖主要有兩大途徑：一是在隔絕空氣的情況下，將油頁(yè)巖加熱到450600以提取頁(yè)巖油，頁(yè)巖油可以直接用作航海燃料油，也可進(jìn)一步深加工提取汽油、柴油、瀝青以及其他化工原料；二是作為燃料直接送入鍋爐燃燒，用于發(fā)電或供熱13。按照干餾工藝的不同，油頁(yè)巖低溫干餾技術(shù)可以分為地上干餾技術(shù)和地下干餾技術(shù)。地下干餾技術(shù)又稱(chēng)為原地干餾，但是該工藝過(guò)程控制困難，目前仍處于研發(fā)階段，還未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化14。地上干餾技術(shù)是指將油頁(yè)巖開(kāi)采出來(lái)以后，經(jīng)破碎機(jī)破碎后，送入干餾爐加熱，提取頁(yè)巖油15。從油頁(yè)巖中提煉的頁(yè)巖油可以直接作為液體燃料使用，但是頁(yè)巖油比天然石油含有更多的

10、不飽和烴及氧、氮、硫等非烴化合物，會(huì)導(dǎo)致油品安定性變差、顏色變黑。因此，要獲得較高品質(zhì)的頁(yè)巖油，還需要對(duì)頁(yè)巖油進(jìn)行深加工，將不飽和組分進(jìn)行加氫飽和，并除掉頁(yè)巖油中的非烴化合物。俄羅斯彼得堡地區(qū)的油頁(yè)巖煉油廠年加工油頁(yè)巖150萬(wàn)噸，生產(chǎn)頁(yè)巖油20萬(wàn)噸，所生產(chǎn)的頁(yè)巖油主要用于生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品。巴西petrosix公司擁有兩臺(tái)油頁(yè)巖大型工業(yè)化裝置，每臺(tái)日處理油頁(yè)巖約1萬(wàn)噸，并從中提取硫和放射性鈾16。2002 年11 月在愛(ài)沙尼亞首都塔林召開(kāi)的“全球油頁(yè)巖的利用與展望”國(guó)際會(huì)議上, 13 個(gè)國(guó)家230 位專(zhuān)家一致認(rèn)為“油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)利用潛力巨大”。美國(guó)是全球油頁(yè)巖儲(chǔ)量最大的國(guó)家, 政府認(rèn)為“油頁(yè)

11、巖是潛力驚人的能源”, 已制定了開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略, 并在科羅拉多州西部高原峽谷中建設(shè)了尖端實(shí)驗(yàn)基地, 由殼牌石油公司開(kāi)展研發(fā)工作。愛(ài)沙尼亞、澳大利亞、德國(guó)、以色列等國(guó)也制定了相應(yīng)的研發(fā)計(jì)劃。我國(guó)在中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要(20062020 年) 中明確地將“礦產(chǎn)資源高效開(kāi)發(fā)利用, 發(fā)展低品位與復(fù)雜難處理資源高效利用技術(shù)、礦產(chǎn)資源綜合利用技術(shù)”列入重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域和優(yōu)先發(fā)展主題。中共中央、國(guó)務(wù)院在關(guān)于實(shí)施東北地區(qū)等老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略的若干意見(jiàn)中, 將“支持油頁(yè)巖、煤矸石的綜合利用”列入重大攻關(guān)主題。目前, 國(guó)家已加大了油頁(yè)巖資源勘察力度; 各省、市、自治區(qū)凡有油頁(yè)巖資源的地方, 都在啟動(dòng)或擬啟動(dòng)油頁(yè)巖煉油或

12、發(fā)電工程項(xiàng)目, 形勢(shì)空前火熱。但是, 現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)利用方式, 都受傳統(tǒng)行業(yè)經(jīng)濟(jì)的約束, 只重視提高煉油效率或者只重視提高發(fā)電效率, 而輕視甚至忽視綜合利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)效率。這不僅造成油頁(yè)巖能源、資源上的嚴(yán)重浪費(fèi)和環(huán)境上的嚴(yán)重污染, 更主要的是阻礙了油頁(yè)巖工業(yè)的發(fā)展。_為了解決這一問(wèn)題, 推動(dòng)油頁(yè)巖工業(yè)的發(fā)展,我們深入分析了油頁(yè)巖的物化特性和現(xiàn)有干餾煉油廠、發(fā)電廠存在的問(wèn)題, 通過(guò)幾年的科技攻關(guān), 研發(fā)出新型油頁(yè)巖循環(huán)流化床鍋爐。此種鍋爐可利用干餾煉油廠廢棄的碎屑油頁(yè)巖、半焦(渣) 和剩余瓦斯混合燃燒發(fā)電, 而鍋爐的灰渣具有含碳量低、活性好的特點(diǎn), 可全部送入建材廠制做水泥、砌塊、磚和陶粒等建材。如

13、此, 油頁(yè)巖礦、干餾煉油廠、循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電廠和建材廠共同組成一個(gè)鏈帶式聯(lián)合企業(yè), 使油頁(yè)巖作為能源轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖油和電力, 又作為資源轉(zhuǎn)化為建材, 實(shí)現(xiàn)了無(wú)固體廢物排放的綜合利用; 此即為油頁(yè)巖綜合利用集成技術(shù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式, 其經(jīng)濟(jì)效益比單純煉油或單純發(fā)電倍增, 而環(huán)境和社會(huì)效益更好。本集成技術(shù), 不是原來(lái)油頁(yè)巖礦、干餾煉油廠、循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電廠和建材廠四個(gè)行業(yè)技術(shù)的機(jī)械式串聯(lián)組合, 而是互應(yīng)、有機(jī)結(jié)合為一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈; 在這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中不追求某一環(huán)節(jié)的最優(yōu)化, 而是追求全局效益的最大化、環(huán)境和社會(huì)效益的最優(yōu)化。因此, 它的推廣應(yīng)用, 可使中國(guó)油頁(yè)巖工業(yè)即使在石油價(jià)格大幅度回落時(shí)也具有強(qiáng)大的生命

14、力。油頁(yè)巖是一種高灰分、高揮發(fā)份、低熱值燃料，不適宜通常的燃燒方式而將其作為循環(huán)流化床鍋爐燃料是適宜的。循環(huán)流化床鍋爐是近年來(lái)在全世界發(fā)展起來(lái)的新興清潔能源技術(shù)，其自身可實(shí)現(xiàn)高效、低污染的燃燒，內(nèi)部的燃料及脫硫劑經(jīng)過(guò)多次循環(huán)、低溫燃燒和脫硫反應(yīng)流化床內(nèi)部的流動(dòng)、內(nèi)部過(guò)程極其復(fù)雜，尚不被人們完全了解。國(guó)內(nèi)外學(xué)者都對(duì)循環(huán)流化床的燃燒進(jìn)行了研究。國(guó)外的研究主要有德國(guó)濟(jì)根大學(xué)、加拿大新斯科舍工業(yè)大學(xué)、國(guó)際能源署(iea、法國(guó)電力公司等。簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)典型的cfb鍋爐燃燒過(guò)程數(shù)學(xué)模型。1.德國(guó)濟(jì)根大學(xué)，1980年動(dòng)力工程研究所建立了一個(gè)鼓泡流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型，之后該模型的求解是應(yīng)用開(kāi)發(fā)的牛頓一拉普森數(shù)值

15、解法。wei b在此基礎(chǔ)上建立了動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。此類(lèi)模型還包括增壓循環(huán)流化床靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和循環(huán)流化床直流鍋爐的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型等。2.加拿大新斯科舍工業(yè)大學(xué)，p.basu教授建立了一個(gè)適用于250mw的循環(huán)流化床鍋爐模型，該模型研究經(jīng)歷了兩個(gè)階段，第一階段是簡(jiǎn)單模型沒(méi)有考慮nox反應(yīng)的，第二階段則考慮nox的生成與分解反應(yīng)。3.國(guó)際能源署(工ea ) , iea組織了約巧個(gè)國(guó)家的研究人員組成一個(gè)數(shù)學(xué)模型研究組，通過(guò)成員的相互交流，使總體數(shù)學(xué)模型融合了彼此的研究成果，并基于此數(shù)學(xué)模擬編制了軟件，在計(jì)算機(jī)上來(lái)預(yù)測(cè)和診斷流化床鍋爐的運(yùn)行。鼓泡流化床鍋爐的模型(iea-cfb)也由該小組建立，并且在此基礎(chǔ)上

16、建立了循環(huán)流化床鍋爐綜合數(shù)學(xué)模型。4.法國(guó)電力公司(edf ) , edf成立了研究小組，來(lái)開(kāi)發(fā)一維、二維及三維cfb數(shù)學(xué)模型，對(duì)電站循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行起到了預(yù)測(cè)和分析的作用，對(duì)設(shè)計(jì)的放大也起了一定的作用，典型實(shí)例為一維兩相模型(idtwo-phase) o在國(guó)外對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始了此項(xiàng)工作，幾大高校提出了循環(huán)流化床燃燒模型，分別是清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的循環(huán)流化床鍋爐燃燒模型。李政等人在德國(guó)濟(jì)根大學(xué)的cfb模型思想的基礎(chǔ)上考慮寬篩分給煤特性提出了清華大學(xué)的通用靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，此模型燃燒系統(tǒng)內(nèi)的守恒方程是以小室模型為基礎(chǔ)的。該模型中不但細(xì)致考慮了流動(dòng)、

17、煤揮發(fā)分的釋放與燃燒、焦炭燃燒，而且還考慮污染物生成及還原等問(wèn)題。此模型對(duì)沒(méi)有考慮寬篩分給煤的德國(guó)濟(jì)根大學(xué)的不足進(jìn)行了彌補(bǔ)，采用環(huán)一核邊壁流動(dòng)模型，反應(yīng)的情況與實(shí)際符合較好12 浙江大學(xué)熱能工程研究所與1993年提出了一種綜合數(shù)學(xué)模型隨后又進(jìn)行鍋爐啟動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的研究。此模型采用顆粒群軌道模型，考慮了各尺寸組顆粒在拉格朗口坐標(biāo)系中的流動(dòng)、燃燒及能量變化的過(guò)程，氣相場(chǎng)和顆粒團(tuán)之的相互作用也得到了考慮。該模型具有普適性和可替換性的特點(diǎn)，但準(zhǔn)確性不是很好，尚待提高。 哈工大熱能工程教研室于七五期間開(kāi)發(fā)了適于燃用煤研石的循環(huán)流化床燃燒模型。該模型考慮到懸浮段具體情況，獨(dú)特的模型的建立是基于運(yùn)動(dòng)方程和

18、能量方程的，顆粒的溫度得到了更為細(xì)致的處理，彌補(bǔ)上述幾種模型在此方面的不足。前蘇聯(lián)是嘗試直接利用油頁(yè)巖燃燒發(fā)電最早國(guó)家之一，從上世紀(jì)30年代開(kāi)始，前蘇聯(lián)就在層燃爐上試燒油頁(yè)巖。前蘇聯(lián)首次開(kāi)發(fā)油頁(yè)巖流化床鍋爐，是在愛(ài)沙尼亞的阿赫特穆中央熱電站進(jìn)行的，并于1981年第一臺(tái)燃用油頁(yè)巖的流化床正式投運(yùn)。1988-1989年，美國(guó)、加拿大和匈牙利先后進(jìn)行油頁(yè)巖一煤混燒試驗(yàn)，結(jié)果表明，可以明顯減少燃煤對(duì)環(huán)境的影響。1987年在美國(guó)西部，電力研究所資助一項(xiàng)含硫中等的西部煤與當(dāng)?shù)孛夯鞜?xiàng)目。1988年，在加拿大新布魯斯克查塔姆的循環(huán)流化床示范廠進(jìn)行了高硫煤和含酸鈣的油頁(yè)巖的燃燒實(shí)驗(yàn)。1989年，匈牙利利用油頁(yè)

19、巖一煤的燃燒研究表明，新第三紀(jì)藻類(lèi)油頁(yè)巖是有效的脫硫劑，1990年進(jìn)行了工廠規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。以色列于1993年建成55t/h循環(huán)流化床示范電站。2003-2004年，愛(ài)莎尼亞新建了2臺(tái)215mw的油頁(yè)巖循環(huán)流化床鍋爐，這標(biāo)志著燃燒發(fā)電已開(kāi)始向大型化發(fā)展。70年代初期, 東北電力學(xué)院的流化床燃燒技術(shù)研究在富震宗教授的領(lǐng)導(dǎo)下, 為解決白山、紅石兩個(gè)水電站建設(shè)的燃料供應(yīng)問(wèn)題, 開(kāi)始研究樺甸油頁(yè)巖的流化床燃燒特性, 此后樺甸油頁(yè)巖的流化床燃燒進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。并于于1992 年開(kāi)始承擔(dān)原能源部電力工業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目,會(huì)同東方鍋爐廠和國(guó)家電力公司西安熱工研究院共同開(kāi)發(fā)出65 t/ h 低倍率循環(huán)床油頁(yè)巖電廠鍋

20、爐。3 臺(tái)用于吉林省樺甸油頁(yè)巖示范熱電廠,其中1 號(hào)鍋爐于1996 年8 月一次點(diǎn)火成功,現(xiàn)已運(yùn)行三年多,鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)特性好,受熱面系統(tǒng)無(wú)明顯磨損,是目前世界上投入商業(yè)運(yùn)行的最大容量燃用油頁(yè)巖的循環(huán)流化床鍋爐。長(zhǎng)期商業(yè)運(yùn)行實(shí)踐表明,該鍋爐總體性能居國(guó)際先進(jìn)水平。aspen plus是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。aspen plus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國(guó)能源部七十年代后期在麻省理工學(xué)院（mit）組織的會(huì)戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項(xiàng)目稱(chēng)為“過(guò)程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”（advanced system for process engineeri

21、ng，簡(jiǎn)稱(chēng)aspen）,并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了aspentech公司，并稱(chēng)之為aspen plus。該軟件經(jīng)過(guò)20多年來(lái)不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個(gè)版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬(wàn)計(jì)。它的一個(gè)重要的特點(diǎn)是可以處理固體和電解質(zhì)物流。例如固體的粉碎和分離、固體的粒度的分布.aspen plus也可以表示出煤和礦石物流。aspen plus使用面向問(wèn)題的圖形化輸入，比較容易掌握。在進(jìn)行流程模擬時(shí)，只要提供1)流程結(jié)構(gòu):2)單元操作和物流的聯(lián)系;3)單元操作的條件;4)由物性庫(kù)中所選擇的物性模型，流程的計(jì)算就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。 一個(gè)大的

22、流程可以用許多模塊來(lái)表示。每一個(gè)模塊表示了aspen plus系統(tǒng)中的一個(gè)模型子程序。一個(gè)單元操作可以用一個(gè)模塊或幾個(gè)模塊來(lái)表示。aspen plus穩(wěn)態(tài)模擬軟件的平臺(tái)己經(jīng)成為計(jì)算化工.、冶金行業(yè)強(qiáng)有力的軟件工具.。然而我國(guó)對(duì)aspen plus的應(yīng)用主要在化工設(shè)計(jì)方向，近年來(lái)已在煤的燃燒、氣化和生物質(zhì)氣化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)。陳漢平、趙向富、米鐵、代正華，在氣流床煤氣化工藝的基礎(chǔ)上，采用化工流程模擬軟件aspen plus 111中的物性數(shù)據(jù)庫(kù)和單元模塊對(duì)煤氣流床共氣化進(jìn)行了模擬計(jì)算?？疾炝松镔|(zhì)與煤不同質(zhì)量配比下的氣化結(jié)果，分別與單獨(dú)生物質(zhì)氣化及煤氣化結(jié)果進(jìn)行了比較，為工藝條件的確定提供理論

23、基礎(chǔ)。然而將其用于模擬生物質(zhì)燃燒的報(bào)道尚不多見(jiàn). 鑒于aspenplus在生物質(zhì)能利用研究中的優(yōu)勢(shì),本文采用其對(duì)生物質(zhì)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算.綜上所述，目前循環(huán)流化床模型的發(fā)展，考慮了流體動(dòng)力學(xué)模型、傳熱模型和燃燒模型(包括污染物排放模型)三個(gè)子模型。爐內(nèi)的實(shí)際情況是復(fù)雜的，數(shù)學(xué)模型已經(jīng)由開(kāi)始簡(jiǎn)化的一維或準(zhǔn)二維模型，向三維發(fā)展。在已有的各種循環(huán)流化床模型基礎(chǔ)上，依賴(lài)流體計(jì)算軟件、編程、仿真等計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能以及人們的不斷努力，循環(huán)流化床模型將會(huì)向多維發(fā)展，能夠更好的反應(yīng)實(shí)際循環(huán)流化床的流動(dòng)、傳熱以及燃燒特性，進(jìn)一步完善模型，使人們更加了解和掌握循環(huán)流化床鍋爐的內(nèi)部特性、設(shè)計(jì)以及良好的運(yùn)行。1

24、.3 本課題主要研究?jī)?nèi)容及方法本課題運(yùn)用aspenpluse軟件平臺(tái)建立了油頁(yè)巖循環(huán)流化床鍋爐的燃燒模型，對(duì)燃燒中nox的生成進(jìn)行了模擬計(jì)算并研究影響nox生成的影響規(guī)律。1對(duì)65t/h循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行研究，建立適用的aspen pluse燃燒模型；2將模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果對(duì)比，確定aspen pluse模擬循環(huán)流化床鍋爐燃燒的可行性。3對(duì)模型重新搭建，使模型更接近與實(shí)際燃燒情況。4對(duì)燃煤循環(huán)流化床燃燒分別進(jìn)行不同溫度和不同過(guò)量空氣系數(shù)的燃燒模擬；5對(duì)油頁(yè)巖的燃燒進(jìn)行不同溫度和不同過(guò)量空氣系數(shù)的燃燒模擬，以了解油頁(yè)巖循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)溫度和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)nox排放特性方面的影響。

25、6通過(guò)模擬結(jié)果分析，為油頁(yè)巖循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行提供一定的數(shù)據(jù)參考。 第2章循環(huán)流化床鍋爐燃燒過(guò)程研究2. 3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)65t/ h 低倍率油頁(yè)巖循環(huán)床電廠鍋爐為單汽包自然循環(huán)、半塔式室內(nèi)布置、全鋼結(jié)構(gòu)爐架。爐膛四周由膜式水冷壁組成,爐膛下部為密相區(qū)、中間為稀相區(qū)、上部為對(duì)流煙道。過(guò)熱器和蒸發(fā)段布置在對(duì)流煙道內(nèi),整個(gè)爐膛為全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐尾部在對(duì)流煙道內(nèi)布置有省煤器和管式空氣預(yù)熱器。爐膛與尾部煙道間布置有中溫(525 ) 旋風(fēng)分離器及u 型返料器。粒徑為010 mm 的油頁(yè)巖從爐前4 個(gè)給煤點(diǎn)送入鍋爐,由鼓風(fēng)機(jī)送入的燃燒所需要的空氣82 %經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱至240 后,其中的78 %作為

26、一次風(fēng)經(jīng)爐膛底部布風(fēng)裝置送入燃燒室,余下22 %作為上二次風(fēng)從鍋爐側(cè)墻送入燃燒室。18 %的冷空氣直接送入風(fēng)水共冷排渣控制冷卻器,對(duì)鍋爐底部排出的大顆?；以M(jìn)行流化和冷卻,冷卻器出口風(fēng)溫達(dá)260 ,作為底部二次風(fēng)從燃燒室側(cè)墻送入燃燒室。鍋爐燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的大顆粒灰渣由燃燒室底部排出,通過(guò)風(fēng)水共冷排渣控制冷卻器降至約150 后排入除渣系統(tǒng)。燃燒室內(nèi)的溫度控制在850 左右。攜帶固體顆粒的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)爐膛上部對(duì)流煙道進(jìn)入分離器,被分離器收下來(lái)的固體顆粒經(jīng)返料立管和u 型返料器部分或全部送回燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)循環(huán)燃燒。返料器由單獨(dú)的高壓羅茨風(fēng)機(jī)控制,通過(guò)改變回料的送風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)固體顆粒循環(huán)量。為方便負(fù)荷調(diào)節(jié)

27、,在鍋爐循環(huán)回路中還設(shè)有貯灰倉(cāng)。離開(kāi)旋風(fēng)分離器的熱煙氣進(jìn)入尾部對(duì)流煙道,經(jīng)省煤器及空氣預(yù)熱器冷卻后排出鍋爐。鍋爐總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 圖1鍋爐總體結(jié)構(gòu)圖1- 一次風(fēng)室2- 給煤機(jī)3- 燃燒室4 - 主蒸汽出口集箱5- 過(guò)熱器6 - 蒸發(fā)管束7- 分離器8- 省煤器9- 分離器灰倉(cāng)10- 回料閥11- 二次風(fēng)口12- 空預(yù)器 油頁(yè)巖顆粒呈片狀結(jié)構(gòu)油頁(yè)巖不同于其它固體燃料，特殊的物理結(jié)構(gòu)決定其破碎后呈片狀結(jié)構(gòu)且具有良好的自相似性。因此油頁(yè)巖投入流化床后，其片狀結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致迎風(fēng)表面積劇烈變化。最大投影面積迎風(fēng)時(shí)為穩(wěn)態(tài)流化；最小投影面積迎風(fēng)時(shí)則顆粒失流而沉積，種現(xiàn)象在燃燒室邊壁外更為明顯。油頁(yè)巖的片狀結(jié)構(gòu)特

28、性，極易導(dǎo)致溝流，而形成局部死區(qū)。為保證在流化床中油頁(yè)巖獲得高的流化質(zhì)量、床中顆?；旌暇鶆?，根據(jù)65t/h爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定流化床熱態(tài)運(yùn)行風(fēng)速為5-6m/s，同時(shí)布風(fēng)板處配置較高的小孔氣流速度為50-60m/s。 揮發(fā)分含量高樺甸油頁(yè)巖的揮發(fā)分含量很高，空氣干燥基為41.89。根據(jù)對(duì)樺甸油頁(yè)巖的實(shí)驗(yàn)研究，油頁(yè)巖循環(huán)流化床密相區(qū)燃燒份額約為0.5-0.6而通常燃燒褐煤的循環(huán)流化床密相區(qū)為0.7-0.8燃燒無(wú)煙煤循環(huán)床密相區(qū)燃燒份額在0.9以上，與它們相比，油頁(yè)巖將有很大比例的可燃物質(zhì)在稀相區(qū)燃燒和燃盡。為保證可燃?xì)怏w和極細(xì)顆粒一次燃盡，減小化學(xué)不完全燃燒熱損失應(yīng)采用較低稀相區(qū)流速。這樣可使可燃?xì)怏w

29、和固體物料在爐內(nèi)停留時(shí)間延長(zhǎng)，使鍋爐獲得高燃燒效率。同時(shí)由于稀相區(qū)處燃燒份額高，大量熱量將會(huì)被帶出爐膛，這勢(shì)必使主循環(huán)回路吸熱量少，而尾部對(duì)流受熱面吸熱量多。如對(duì)于劣質(zhì)燃料約有60熱量需帶至尾部對(duì)流受熱面；對(duì)于優(yōu)質(zhì)燃料如煙煤，則只有40熱量帶至尾部對(duì)流受熱面。因此在燃燒油頁(yè)巖的循環(huán)流化床鍋爐總體設(shè)計(jì)中應(yīng)周密考慮對(duì)流受熱面的設(shè)計(jì)。3. 1著火特性在循環(huán)流化床鍋爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)冷態(tài)條件下, 啟動(dòng)試驗(yàn)。采用床下燃燒液化石油氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔恻c(diǎn)火方式, 這樣在油頁(yè)巖點(diǎn)火升溫過(guò)程中容易控制 4 。加熱床料及整個(gè)爐膛, 床料最好選擇油頁(yè)巖循環(huán)流化床燃燒后的油頁(yè)巖灰渣, 并經(jīng)過(guò)處理而成3mm 以下的顆粒 5 。逐漸加

30、大液化石油氣供應(yīng)量和控制一次風(fēng)量, 當(dāng)?shù)撞看矊訙囟壬?50# 左右時(shí), 適當(dāng)加入實(shí)驗(yàn)用的油頁(yè)巖, 從觀察孔觀察是否有火星從爐膛下部濺出, 如果沒(méi)有, 說(shuō)明此時(shí)油頁(yè)巖顆粒沒(méi)有燃燒, 暫時(shí)停止加入油頁(yè)巖, 繼續(xù)升溫。繼續(xù)密切觀察是否可見(jiàn)火星從爐膛下部濺出, 如果有, 說(shuō)明此時(shí)油頁(yè)巖已經(jīng)開(kāi)始著火燃燒, 這時(shí)候再慢慢少量投入油頁(yè)巖, 床層溫度將開(kāi)始逐漸升高。那么這時(shí)的溫度就是油頁(yè)巖的冷態(tài)著火溫度。當(dāng)油頁(yè)巖著火燃燒后逐漸投入油頁(yè)巖, 當(dāng)床層溫度上升到800度 左右時(shí), 再逐漸減少液化石油氣投入量, 此時(shí)油頁(yè)巖可以順利著火, 并過(guò)渡到穩(wěn)定燃燒工況。根據(jù)油頁(yè)巖的點(diǎn)火時(shí)間及床層溫度的記錄, 可以繪制實(shí)驗(yàn)油頁(yè)巖

31、的點(diǎn)火特性曲線圖, 根據(jù)點(diǎn)火特性曲線圖可以分析油頁(yè)巖著火溫度、床溫變化、燃?xì)馇袛嘁约胺€(wěn)定燃燒等過(guò)程的時(shí)間及溫度變化情著火溫度對(duì)于決定何時(shí)投油頁(yè)巖具有重要意義。投油頁(yè)巖過(guò)早, 加入的油頁(yè)巖不但不會(huì)燃燒, 而且還會(huì)降低床層內(nèi)物料溫度, 最重要的是油頁(yè)巖在床內(nèi)積累過(guò)多, 由于油頁(yè)巖的揮發(fā)分含量就高, 隨著溫度升高, 這樣一來(lái)會(huì)致使床層可燃揮發(fā)分析出量的增加, 當(dāng)油頁(yè)巖達(dá)到著火溫度時(shí), 床層溫度就會(huì)因大量揮發(fā)分的燃燒而迅速升高, 可能發(fā)生油頁(yè)巖的劇烈燃燒引起結(jié)焦甚至產(chǎn)生爆燃。如果投油頁(yè)巖過(guò)晚, 會(huì)增加點(diǎn)火時(shí)間和浪費(fèi)點(diǎn)火燃料液化石油氣的消耗量, 進(jìn)而難于判定油頁(yè)巖的點(diǎn)火溫度。因此, 根據(jù)油頁(yè)巖的點(diǎn)火特性

32、, 在實(shí)際設(shè)計(jì)大型油頁(yè)巖cfb鍋爐時(shí), 要設(shè)計(jì)好床層附近的蓄熱及保溫措施。在實(shí)際鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中, 當(dāng)床層溫度升高到著火溫度之前, 可以適當(dāng)投入一部分油頁(yè)巖, 同時(shí)要密切注意爐膛著火情況以及爐內(nèi)床層溫度和尾部煙氣含氧量的變化。如果床層溫度升高異常, 則立即停止投入油頁(yè)巖, 當(dāng)床層溫度升高到著火點(diǎn)時(shí)再投入油頁(yè)巖, 這樣可以防止點(diǎn)火過(guò)程中發(fā)生的爆燃及結(jié)焦等情況。另外, 在實(shí)際鍋爐點(diǎn)火升溫運(yùn)行中將受到諸多因素的限制, 所以需要確定合理的升溫速度等措施。3. 2 穩(wěn)定燃燒特性實(shí)現(xiàn)油頁(yè)巖著火燃燒之后, 爐膛下部密相區(qū)因吸熱量多, 溫度將會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)升高到850度左右, 但是爐膛上部稀相區(qū)以及旋

33、風(fēng)分離器的灰循環(huán)溫度升高速度較慢。cfb 鍋爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)始是以鼓泡流化床方式運(yùn)行, 隨著爐膛下部分床層以及密相區(qū)溫度的穩(wěn)定, 逐漸采取加大投入油頁(yè)巖量、加大一次風(fēng)量、投入二次風(fēng)和循環(huán)灰等措施, 逐漸使床料達(dá)到完全流化狀態(tài), 使cfb 鍋爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行方式從鼓泡床流化床運(yùn)行方式逐漸過(guò)渡到循環(huán)流化床運(yùn)行方式, 當(dāng)整個(gè)爐膛溫度和循環(huán)灰回路的溫度分布均勻時(shí), 鍋爐系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。此時(shí)需要測(cè)量爐膛各處溫度以及灰循環(huán)系統(tǒng)的溫度, 如果各處溫度分布均勻, 而且爐膛燃燒穩(wěn)定, 灰循環(huán)量穩(wěn)定, 溫度沒(méi)有異常變化, 說(shuō)明油頁(yè)巖cfb 鍋爐試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)各處溫度分布的均勻性, 可以判斷出油頁(yè)巖穩(wěn)定燃燒特性。

34、在設(shè)計(jì)油頁(yè)巖cfb 鍋爐時(shí), 對(duì)于揮發(fā)分高的燃料, 應(yīng)該考慮揮發(fā)分的燃燒對(duì)燃燒份額的影響 4 ,所以應(yīng)該適當(dāng)分配油頁(yè)巖cfb鍋爐密相區(qū)、稀相區(qū)等區(qū)域的燃燒份額, 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。實(shí)際鍋爐運(yùn)行時(shí), 由于爐膛內(nèi)存在大量的惰性高溫床料, 如灰渣和脫硫劑等, 熱容量很大, 新加入的燃料如果按照重量計(jì)算只占床料的很少一部分, 因此, 新加入的燃料很快將被周?chē)母邷卮擦霞訜岬街鹑紵? 而且對(duì)床溫不會(huì)造成大的沖擊。3 . 4 油頁(yè)巖的燃燼特性與循環(huán)倍率的確定油頁(yè)巖的流化床燃燒是快速升溫燃燒, 頁(yè)巖油母中不同鍵能的化學(xué)鍵在很短的時(shí)間內(nèi)快速斷裂,產(chǎn)生大量的揮發(fā)分, 從而在頁(yè)巖內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)壓力,致使裂解產(chǎn)物通

35、過(guò)頁(yè)巖內(nèi)部產(chǎn)生的縫隙, 以較大速度噴出。噴出的揮發(fā)分使氧氣不易達(dá)到粒子表面,致使點(diǎn)火燃燒在氣相中進(jìn)行, 而后, 氧氣才能擴(kuò)散到粒子內(nèi)部進(jìn)行固定碳的燃燒。雖然油頁(yè)巖的固定碳含量較煤少得多,但由于其灰分含量高達(dá)55 % , 著火燃燒后形成很厚的灰殼。導(dǎo)致油頁(yè)巖焦炭的燃燒隨碳轉(zhuǎn)化率的深化, 其灰殼的擴(kuò)散阻力逐漸增大而成為控制因素。研究表明, 對(duì)于固體燃料在燃燒過(guò)程中氣體通過(guò)其表面灰層的擴(kuò)散傳質(zhì)而言, 并非灰層中所有的孔隙都是有效的,有效擴(kuò)散孔隙率隨表面灰層厚度的增加而呈指數(shù)規(guī)律減少。其擴(kuò)散系數(shù)及燃燒比速度隨燃燒過(guò)程中灰層的增厚而減少。此外, 在油頁(yè)巖的燃燒過(guò)程中,前段的揮發(fā)分燃燒階段的速度快而后段的

36、固定碳燃燒速率慢在試驗(yàn)條件下, 燃燒轉(zhuǎn)化率達(dá)到90 % 所需時(shí)間為3 0s , 而燃掉余下10 % 則需100s，其燃燒后期反應(yīng)能力很差。因此,如不有效地組織燃燒很難燃燼使其大顆?；以鼉?nèi)部存在黑心而不能燒透。多臺(tái)油頁(yè)巖流化床鍋爐運(yùn)行中都暴露出這一問(wèn)題因此對(duì)于油頁(yè)巖循環(huán)流化床燃燒除選擇合適的篩分范圍降低顆粒的平均粒度、減少灰層的傳質(zhì)阻力、選擇合適的燃燒溫度外, 設(shè)置物料循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)顆粒的循環(huán)燃燒對(duì)樺甸油頁(yè)巖是極其重要的。對(duì)于樺甸油頁(yè)巖, 由控制密相區(qū)的溫度為85 0 和具有高的燃燒效率等因素要求, 由試驗(yàn)確定其循環(huán)倍率為6。3.5返料系統(tǒng)主循環(huán)回路是循環(huán)流化床鍋爐的關(guān)鍵，其主要作用是將大量高溫固

37、體物料從氣流中分離出來(lái)，送回燃燒室，以維持燃燒室穩(wěn)定的流態(tài)化狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復(fù)燃燒和反應(yīng)，以提高燃燒效率和脫硫效率。主循環(huán)回路不僅直接影響整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐的總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布置，而且與運(yùn)行性能有直接關(guān)系。隨鍋爐容量增大，回料量相應(yīng)增加，因此在分離器回料口附近區(qū)域，局部的固體物料負(fù)荷會(huì)增加很多，導(dǎo)致流化惡化和風(fēng)帽堵塞。對(duì)于大型循環(huán)流化床建議回料管采用褲衩管式結(jié)構(gòu)，將循環(huán)物料均勻分散在一個(gè)大區(qū)域內(nèi)，保證床內(nèi)流化正常。返料閥采用流動(dòng)密封閥為宜，這種返料閥便于對(duì)循環(huán)灰量調(diào)節(jié)，使鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。第3章循環(huán)流化床鍋爐燃燒基本過(guò)程模型3.1材料油頁(yè)巖選用樺甸油頁(yè)巖，其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如

38、表1所示表1 樺甸油頁(yè)巖工業(yè)分析和元素分析 項(xiàng)目種類(lèi)工 業(yè)分 析元素 分析全水1()灰分、()揮發(fā)分乂()發(fā)熱量。1/碳匚()氫&()氧0()氮叱()硫5()樺甸油頁(yè)巖10.954.8280.78 37420.42.549.820.5051.015樺甸油頁(yè)巖2#14.454.2986.597 90919.12.428.500.420.873.2建立cfb鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的物理模型cfb 鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)通常由爐膛、分離器、立管、回料器等部件構(gòu)成。此系統(tǒng)將飛出爐膛的、較粗的、可燃的固體顆粒通過(guò)分離器捕集下來(lái)經(jīng)立管、回料器回送入爐膛。燃煤進(jìn)入爐膛后，其中一部分在密相區(qū)燃燒，另一部分隨氣流向上并進(jìn)入分離器

39、，經(jīng)分離器分離下來(lái)的物料通過(guò)回料器回送入爐膛實(shí)施循環(huán)燃燒。我們將c f b 鍋爐的燃燒看作一般鍋爐的一次燃燒和系統(tǒng)的循環(huán)燃燒疊加。在爐膛中的燃燒沿爐膛高度可分為密相區(qū)的燃燒和稀相區(qū)的燃燒。進(jìn)入分離器的物料有隨燃料一次上升直接進(jìn)入分離器的部分及循環(huán)物料兩部分，循環(huán)物料要考慮經(jīng)過(guò)爐膛時(shí)的燃燒減重。燃燒所需的空氣進(jìn)入鍋爐，生成的煙氣從爐膛經(jīng)分離器離開(kāi)循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于循環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定狀態(tài)下，始終有循環(huán)物料在系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)，從分離器逸出的飛灰將由進(jìn)入系統(tǒng)的燃料一次上升進(jìn)入分離器的部分扣除循環(huán)燃燒減重所得的質(zhì)量得到補(bǔ)充，系統(tǒng)將處于周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。這就是我們所討論的cfb 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的物理模型。其系統(tǒng)

40、原理如圖1 所示。顯然，該模型具有真實(shí)、客觀、物理概念清晰的優(yōu)點(diǎn)。圖2 c fb 鍋爐循環(huán)系統(tǒng)原理圖3.2模型建立為了更簡(jiǎn)便地應(yīng)用該軟件描述油頁(yè)巖的燃燒過(guò)程,給出以下假設(shè): 燃燒爐處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),所有參數(shù)不隨時(shí)間發(fā)生變化; 油頁(yè)巖燃燒時(shí),先熱解釋放出揮發(fā)份并產(chǎn)生焦炭,再燃燒; 熱解后的產(chǎn)物在爐內(nèi)燃燒時(shí)反應(yīng)溫度唯一,即所有反應(yīng)的反應(yīng)溫度相同; 燃燒過(guò)程中燃料和氧分布均勻; 油頁(yè)巖熱解、燃燒反應(yīng)完全; 整個(gè)模擬過(guò)程中沒(méi)有壓力損失; 油頁(yè)巖燃料中的氮均轉(zhuǎn)化為hcn、nh3和no; 燃燒速度很快,只受化學(xué)反應(yīng)速度控制,能夠達(dá)到理想的化學(xué)平衡; 油頁(yè)巖中的灰分為惰性物質(zhì),在燃燒中不參與反應(yīng). 3. 2

41、. 1構(gòu)建燃燒流程燃燒模擬流程如圖1所示.其過(guò)程主要包含干燥反應(yīng)模塊、分離反應(yīng)模塊、裂解反應(yīng)模塊、燃燒反應(yīng)模塊。干燥反應(yīng)模塊使用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器， 裂解反應(yīng)模塊使用收率反應(yīng)器,燃燒反應(yīng)模塊使用平衡反應(yīng)器(gibbs自由能最小)，分離模塊分別使用兩股出料閃蒸。3.2.2干燥模塊 啟動(dòng)軟件后，在工具欄中將流股和模塊名稱(chēng)設(shè)置為手動(dòng)設(shè)置。干燥模塊選用化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器，即規(guī)定反應(yīng)程度和轉(zhuǎn)化率的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器。由于在干燥模塊中同時(shí)產(chǎn)生干燥油頁(yè)巖和水兩種產(chǎn)物，需要設(shè)置一分離器，作者選用flash2（兩股出料閃蒸），與干燥化學(xué)劑量反應(yīng)器一起完成油頁(yè)巖的干燥部分，這樣也就增加了一條額外流股，我們定義為in-drie

42、r流股。 在該模塊中，輸入輸出單位定義為公斤米秒制，流股定義為mcincpsd(混合惰性非常規(guī)固體)。根據(jù)65t/h油頁(yè)巖循環(huán)流化床鍋爐參數(shù)，設(shè)定w-o-sh（濕油頁(yè)巖）流股信息：溫度為25攝氏度、壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、油頁(yè)巖流量為24215kg/h，nitrogen(干燥用氮?dú)?流股信息：溫度為132攝氏度、壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、氣體流量為12107.31kg/h，其中氮氧比設(shè)定為0.999:0.001。根據(jù)樺甸油頁(yè)巖的常規(guī)分析數(shù)據(jù)，輸入物流w-o-sh的相應(yīng)的工業(yè)分析、元素分析，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表格1、2。 元素比重（%）mar2.9fcad3.6vad41.89aad51.61表1油頁(yè)巖工業(yè)分析

43、元素比重（%）aad53.78cad31.63had4.37nad0.73sad1.00oad7.76表2油頁(yè)巖元素分析輸入反應(yīng)方程式oilshale0.029h2o,完成本模塊搭建和設(shè)置設(shè)置控制模塊。本模塊主要涉及三個(gè)問(wèn)題，即供給的油頁(yè)巖中所含有的水分、油頁(yè)巖中轉(zhuǎn)化為水的百分比和已干燥的油頁(yè)巖中所含的水oilshalein*=oilshaleout*+oilshalein*convoilshalein=oilshaleout+oilshalein*conv其中oilshalein：濕油頁(yè)巖的質(zhì)量流量oilshaleout：in-drier中油頁(yè)巖的質(zhì)量流量h2oin:濕油頁(yè)巖中水分的含量h2

44、odry: in-drier中油頁(yè)巖水分含量conv:在干燥模塊中油頁(yè)巖轉(zhuǎn)化為水的百分比公式1是水分平衡方程，公式2是總物質(zhì)平衡。由此，可推出公式3conv=在計(jì)算模塊中通過(guò)公式3保證這三個(gè)規(guī)格持續(xù)運(yùn)行通過(guò)這個(gè)控制模塊來(lái)設(shè)置流程信息，能夠讓我們實(shí)現(xiàn)對(duì)不同案例的模擬。3.2.3裂解模塊模型中的油頁(yè)巖和循環(huán)灰定義為非常規(guī)組分,通過(guò)輸入工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)來(lái)模擬油頁(yè)巖物流.其中循環(huán)灰的元素分析和工業(yè)分析如下表3表4.元素比重（%）mar0.00fcad0.00vad0.00aad100.00表3油頁(yè)巖工業(yè)分析元素比重（%）aad100.00cad0.00had0.00nad0.00sad0.00o

45、ad0.00表4油頁(yè)巖元素分析由于aspen plus處理非常規(guī)物質(zhì)的復(fù)雜性,一般方法是使用ryield模塊將煤等分解為具有相同質(zhì)量和發(fā)熱量的由碳、氫等純凈元素和其他化合物、灰等組成的常規(guī)物流混合物. 其中,灰被處理為具有特定物性的純?cè)?然后再通到平衡反應(yīng)器中進(jìn)行計(jì)算. 但通常這與實(shí)際的反應(yīng)過(guò)程相差較大. 為了更加真實(shí)反映油頁(yè)巖燃燒過(guò)程的實(shí)際情況,本文以已有文獻(xiàn)的研究結(jié)果為基礎(chǔ)( 溫度對(duì)油頁(yè)巖快速熱解的影響.王軍等, 2010) ,建立了以典型油頁(yè)巖快速熱解產(chǎn)物為主的油頁(yè)巖裂解收率模型,包括各裂解產(chǎn)物和各產(chǎn)物占總產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù).裂解產(chǎn)物定為: o2、h2、h2 o 、c 、co 、co2、c

46、h4、c3h6 (環(huán)丙烷) 、ch3oh、c3h6o (丙酮) 、c4h8 (丁烯) 、c2h4o (乙醛) 、c8h8o2 (苯甲酸甲酯) 、hcn、nh3、no、s和灰.油頁(yè)巖燃燒過(guò)程中,燃料n的釋出主要在揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒階段,而這兩個(gè)階段n析出的形式有所不同.油頁(yè)巖揮發(fā)分燃燒階段n析出的主要方式為hcn 和nh3 ;而焦碳燃燒階段n 的析出主要是no. 本文在模型中予以區(qū)別對(duì)待,根據(jù)選取的主要產(chǎn)物,設(shè)定油頁(yè)巖燃料n全部轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分n和焦炭n,而揮發(fā)分n轉(zhuǎn)化形式為hcn和nh3 ,焦炭n轉(zhuǎn)化形式為no.綜合有關(guān)油頁(yè)巖燃燒過(guò)程中n 在揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒階段析出量的研究結(jié)果 ,在

47、模擬中分別設(shè)定揮發(fā)分n與焦炭n的摩爾比為32和41的兩種情況進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果在數(shù)值上的變化很小,模型最后設(shè)定的揮發(fā)分n與焦炭n的摩爾比為32.揮發(fā)分n 在燃燒中的轉(zhuǎn)化形式為hcn 和nh3 ,而hcn和nh3的生成量受熱解溫度、氮的存在形態(tài)及氮氧比等諸多因素的影響. 為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將nh3和hcn的摩爾比選取為191,從而確定裂解收率模型中3 種nox 前驅(qū)體的摩爾比為n (no)n (nh3 )n (hcn) = 40573.根據(jù)對(duì)油頁(yè)巖燃燒和油頁(yè)巖快速熱解過(guò)程中生成物的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果(宋文麗等, 2010) ,確定收率模型中co 、co2、ch4、c3 h6 (環(huán)丙烷) 、ch3 oh

48、、c3h6o (丙酮) 、c4 h8 (丁烯) 、c2 h4 o (乙醛) 和c8h8o2 (苯甲酸甲酯) 按質(zhì)量收率分別定為301629%、5. 922%、12. 309%、3. 314%、5. 272%、61456%、2. 684%、3. 435%和1. 643%. 采用自定義的fortran模塊根據(jù)油頁(yè)巖的工業(yè)和元素分析數(shù)據(jù)控制其余各產(chǎn)物的收率,從而完成裂解模塊的設(shè)置.油頁(yè)巖在不同的熱解溫度下,其典型產(chǎn)物的收率會(huì)略有不同,但變化并不明顯(王軍等, 2010).研究中亦對(duì)分解模塊進(jìn)行調(diào)整,采用不同的分解產(chǎn)物收率,發(fā)現(xiàn)nox 的產(chǎn)量幾乎沒(méi)有變化,故可認(rèn)為在不同燃燒溫度下分解模型均是穩(wěn)定不變的

49、. 3. 2. 4燃燒模塊燃燒模塊選用的平衡反應(yīng)器是基于gibbs自由能最小原理. 在給定的壓力、溫度和系統(tǒng)組成條件下,當(dāng)系統(tǒng)的gibbs自由能最小時(shí),化學(xué)反應(yīng)處于熱力平衡狀態(tài),此時(shí)系統(tǒng)有熱力穩(wěn)定的化學(xué)組分和相組成(李英杰等, 2007). 油頁(yè)巖燃燒過(guò)程中存在復(fù)雜的組分變化和相變, 適合采用rgibbs模塊進(jìn)行模擬,使用該模塊的內(nèi)建計(jì)算模型可以得出較為精確的結(jié)果. 在該模塊中的產(chǎn)物設(shè)定為o2、h2、h2 o、c、co、co2、n2、hcn、nh3、no、no2、n2o、s、h2 s、so2、so3及灰.3. 2. 5物性方法aspen plus建模中,選擇接近的物性方法是決定模擬結(jié)果精確度的

50、關(guān)鍵步驟. 對(duì)于用于發(fā)電的燃料系統(tǒng), aspen推薦的是rks2bm和pr2bm兩種物性方法. 本模擬中,兩種物性方法的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有明顯差別,文中選用pr2bm模型.3. 2. 6模型的其他參數(shù)模擬中表示過(guò)量空氣系數(shù),通過(guò)計(jì)算不同燃燒溫度t和不同過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)生物質(zhì)燃燒產(chǎn)物的影響. 文中采用體積濃度和質(zhì)量流量來(lái)表征煙氣中的nox 產(chǎn)量.計(jì)算工況:燃燒氣氛為空氣(o2和n2摩爾比為2179) ,油頁(yè)巖流量為24215kg/h ,循環(huán)灰流量為121075kg/h，粒徑均為為0-10mm,系統(tǒng)壓力為101. 325 kpa, t 為750 1150,為0.91. 6,出口物流溫度設(shè)定與t相同。.3.2.7數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理均使用origin7.0軟件進(jìn)行。3.3結(jié)果3. 3.1模型的可靠性驗(yàn)證模型建立后,首先對(duì)其進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證.研究了溫度為750、800、850和900,為1. 0、1. 2和1. 4時(shí),油頁(yè)巖在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒時(shí)的nox 排放特性. 將 = 1. 4時(shí)的計(jì)算結(jié)果( calculated1)與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果(measured)進(jìn)行對(duì)比(圖2) ,從圖2可以看出,模擬結(jié)