Aspen Plus在循環(huán)流化床鍋爐模擬中的研究現(xiàn)狀*

劉士旸，李東雄，李錦蓉

（山西大學(xué)，山西 太原 030013）

循環(huán)流化床鍋爐（Circulating Fluidized Bed Boiler，CFBB）憑借燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)廣等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛利用于電站鍋爐；加之我國“多煤貧油少氣”的能源結(jié)構(gòu)決定了循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）是劣質(zhì)燃料期望的燃燒技術(shù)，具有廣泛的發(fā)展前景。然而，由于該技術(shù)現(xiàn)仍存在熱利用效率低、煙氣污染物排放影響因素復(fù)雜等問題，因此記錄鍋爐運(yùn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)，尋求提高鍋爐效率及降低污染的方法，具有重要意義。

Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)大型化工過程模擬軟件，具有簡易化圖形輸入的特點(diǎn)，擁有完備的物性數(shù)據(jù)庫，憑借優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，現(xiàn)已逐漸擴(kuò)展到電力行業(yè)[1]。

1 軟件的應(yīng)用

CFBB通常包括爐膛、旋風(fēng)分離器（氣旋固體分離器）、固體顆粒再循環(huán)裝置，此外，再依據(jù)實(shí)際情況在煙道及之后安裝脫硫脫硝除塵裝置。其中涉及到固相與氣相的混合燃燒、固相顆粒的處理等方面，而Aspen Plus恰好具有固體處理模塊，如模擬旋風(fēng)分離器、布袋除塵器的氣固分離模型、分離器模型，同時(shí)可以模擬煤和灰等非常規(guī)物流，具有良好的配合性。

煤化工及煤發(fā)電行業(yè)等進(jìn)行了模型適應(yīng)性檢驗(yàn)。如趙偉杰等[2]利用Aspen模擬了CFB的穩(wěn)態(tài)流程，精確計(jì)算出了各模塊間每一流股的物性參數(shù)。羅志[3]基于Aspen建立了130 t/h CFB煤拔頭工藝模型，采用不同物性方法，對比驗(yàn)證了熱解氣體冷卻及分離系統(tǒng)的可靠性。趙偉剛等[4]建立了CFB煤氣化模型，對照實(shí)測數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)了軟件模擬的準(zhǔn)確性。陳寶明等[5]利用Aspen建立了75 t/h的CFBB，分析了未燃盡碳的分布規(guī)律，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果的對比，檢驗(yàn)了Aspen模擬燃煤鍋爐的可行性。

隨后學(xué)者們對Aspen模型進(jìn)行了完善，并根據(jù)對比分析，得出各因素對煙氣的影響。梁慧[6]建立了300 MWCFBB的Aspen的模型，模型中具體確定了模型組分設(shè)置、煤和灰的物性計(jì)算方法，并對反灰溫度和分離效率、煙溫與煤種的關(guān)系進(jìn)行了分析，分析得出：省煤器出口煙氣與爐膛反灰溫度偏高是由于熱損失考慮不全且忽略了爐膛內(nèi)部由于物料流動混合導(dǎo)致的溫度不均；返灰溫度與分離效率呈正相關(guān)；校核煤的揮發(fā)分高與設(shè)計(jì)煤種導(dǎo)致燃燒熱高，工質(zhì)在相同吸熱量下高溫工質(zhì)溫度偏高。顏湘華等[7]在建模過程中嵌入了Fortran語句，利用模擬計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了脫硫效率隨鈣硫比（Ca/S）、增濕水量、顆粒濃度的增加而增大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)高脫硫時(shí)模擬值與實(shí)驗(yàn)值偏差增大。江成林[8]在模型中利用計(jì)算器模塊編寫Fortran語句來規(guī)定煤裂解產(chǎn)物的收率，選定了非常規(guī)組分煤和灰的具體計(jì)算的焓與密度模型，將熱效率和煤燃燒效率的計(jì)算公式配合到Aspen模型中，利用經(jīng)驗(yàn)公式同時(shí)依據(jù)顆粒在爐膛內(nèi)的分布規(guī)律，提出了一種簡化的模型計(jì)算煤的燃燒效率。王龍飛等[9]將CFBB模型外循環(huán)倍率設(shè)定為40，并且細(xì)化了煤熱解模塊的Fortran語句，借助模型分析了CFBB的分布，發(fā)現(xiàn)鍋爐損失主要發(fā)生在排煙與機(jī)械不完全燃燒，具體變化為0.13 MW/1℃。表明提升鍋爐熱效率應(yīng)從排煙溫度及煤的品質(zhì)來控制。李娟等[10]基于Aspen Plus建立了600 MW超超臨界CFBB，其在產(chǎn)率反應(yīng)器后增加了化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器來模擬煤熱解產(chǎn)物生成，同時(shí)增加了模擬氮還原區(qū)的反應(yīng)器，研究了過量空氣系數(shù)對排煙氣體組分濃度、排煙溫度的影響。明祥棟等[11-12]在Aspen中建立了包含石灰石-石膏法脫硫、選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝的0.3 MWth CFB模型，借此分析得出，燃燒溫度升高、過量空氣系數(shù)增加時(shí)NOX、SOX生成逐漸增加，溫度升高脫硝效率升高的同時(shí)SO3生成增加，由數(shù)據(jù)得出極大值點(diǎn)為380℃，脫硫脫硝效率分別隨鈣硫比（Ca/S）、氨氮比（NH4/N2）升高至1.05之后的趨勢為先增加后趨于平穩(wěn)；又建立600 MW超臨界CFBB進(jìn)行 分析，探究電站系統(tǒng)耗能分布和煤泥摻燒對機(jī)組的影響。Liu Zecheng等[13]通過建立的具有燃燒和換熱過程的600 MW超臨界CFBB進(jìn)行分布分析，著重分析了過量空氣系數(shù)變化時(shí)鍋爐 效率和換熱器熱量變化，同時(shí)預(yù)測了SO2等隨之變化的情況。

同時(shí)，CFB在其他方面的利用也可以建立模型進(jìn)行研究。劉忠慧[14]建立了CFB煤氣化爐，分析了氧煤比、蒸汽煤比、氣化壓力、空氣/蒸汽預(yù)熱溫度、散熱量等單個(gè)因素以及過量空氣系數(shù)、氧氣濃度、煙氣返回比例對主要?dú)饣笜?biāo)的影響。Shi Yan等[15]建立了一個(gè)以燃煤褐煤加鋸末的三燃料CFBB型燃燒系統(tǒng)，分析了燃料、氧氣濃度、煙氣循環(huán)模式與溫度對系統(tǒng)的影響。

2 CFB的軟件模擬

結(jié)合文獻(xiàn)與山西國峰電廠運(yùn)行檢測報(bào)告，以燃燒和煙氣處理部分為主，將具體流程分為煤裂解、密相區(qū)和疏相區(qū)燃燒、選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脫硝、旋風(fēng)分離、物料循環(huán)、爐外半干法脫硫、布袋除塵、空氣預(yù)熱和水加熱蒸發(fā)再熱，建立基于Aspen Plus的300 MWCFBB模型，見圖1。

圖1 基于As pe n Plus的300 MWCFBB模型

2.1 物性方法

在Aspen Plus中，模型的物性方法選擇“PR-BM”，煤和灰設(shè)置為“非常規(guī)物質(zhì)”，其焓模型、密度模型分別設(shè)置為“HCOALGEN”“DCOALIGT”，煤的焓模型輸入“6111”，灰輸入“1111”（4個(gè)數(shù)字分別代表燃燒熱、生成熱、熱容和焓基準(zhǔn)），輸入煤對應(yīng)的工業(yè)分析、元素分析、硫分析和燃燒熱，完成設(shè)置。

2.2 模型的簡化假設(shè)

由于實(shí)際CFBB結(jié)構(gòu)和運(yùn)行反應(yīng)都比較復(fù)雜，因此基本對模型進(jìn)行了如下簡化假設(shè)。

1）不考慮散熱損失與漏風(fēng)。

2）系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，并且所有變量不隨時(shí)間發(fā)生變化。

3）煤熱解產(chǎn)物完全為單質(zhì)，燃燒由平衡控制。

4）爐膛分為密相區(qū)和疏相區(qū)兩個(gè)燃燒區(qū)域，換熱模塊與燃燒模塊相分離。

5）各流程物料混合均勻，使其具有統(tǒng)一壓力、溫度。

2.3 C F BB具體模型

煤從煤流股進(jìn)入煤熱解區(qū)（產(chǎn)率反應(yīng)器）模塊進(jìn)行熱解，以純單質(zhì)（C、H2、O2、N2、S）、灰和未燃盡碳為產(chǎn)物，借助計(jì)算器流程選項(xiàng)，輸入Fortran語句模擬煤熱解，代碼如下。

FACT=1-WATER/100

FACT2=COAL/(ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)

FACT3=CNADD/(ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)

FACT4=ASHADD/(ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)H2O=WATER/100*FACT*FACT2

ASH=ULT(1)/100*FACT*FACT2+FACT4

C=ULT(2)/100*FACT*FACT2*0.96+FACT3*0.94

H2=ULT(3)/100*FACT*FACT2

N2=ULT(4)/100*FACT*FACT2

S=ULT(6)/100*FACT*FACT2

O2=ULT(7)/100*FACT*FACT2

CN=ULT(2)/100*FACT*FACT2*0.04+FACT3*0.06

CAO=BACKCAO/(ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)

其中，F(xiàn)ACT2、FACT3、FACT4分別為煤、未燃盡碳、灰占輸入煤與返料灰、碳、氧化鈣之和的比例；ULT()為煤的元素分析中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；C、S等為煤熱解單質(zhì)的收率。

王龍飛等[9]在公式中體現(xiàn)了未燃盡碳比例；但以元素分析對應(yīng)的單質(zhì)為熱解產(chǎn)物可能造成模型中的煙氣成分不符合實(shí)際情況。許多學(xué)者對煤實(shí)際燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了研究，證實(shí)并非為各元素單質(zhì)。鄭默等[16]獲得的產(chǎn)物為焦炭、焦油和部分氣體等煤主要熱解產(chǎn)物，以及部分小分子氣體、苯、苯酚、萘等特定產(chǎn)物。徐展等[17]通過氣相色譜儀分析，得出棗莊褐煤催化熱解的主要?dú)怏w成分為H2、CO、CO2、CH4和C2+（C2H4、C2H6、C3H6、C3H8）。除上述氣體成分外，脂肪族、萘等含碳碎片會隨溫度的變化而變化，Zheng Mo等[18]基于GMD-Reax的ReaxFF-MD模擬方法，對柳林煙煤進(jìn)行了分子表征的熱解反應(yīng)，從而研究了不同溫度條件下的初始分解機(jī)理和產(chǎn)物分布。同時(shí)，CFBB中的NOX主要來自于燃料型氮[19]，并非模型中先熱解為N2再轉(zhuǎn)化為NOX。白浩隆等[20]利用流化床反應(yīng)裝置研究得出的4種主要?dú)鈶B(tài)氮產(chǎn)物HCN、NH3、NO和NO2的釋放規(guī)律也揭露了模型設(shè)定的理想性。由上述煤熱解產(chǎn)物的變化過程研究可得出煤燃燒過程的復(fù)雜性，設(shè)定確定的幾類產(chǎn)物代表煤熱解產(chǎn)物終究會帶來模型的局限性，Aspen模型未來可以將熱解產(chǎn)物設(shè)定為ReaxFF-MD模擬方法的計(jì)算產(chǎn)物，以此來模擬更接近真實(shí)的熱解過程及熱解產(chǎn)物。

熱解產(chǎn)物及一次風(fēng)先進(jìn)入密相區(qū)模塊（吉布斯反應(yīng)器）模擬密相區(qū)燃燒，之后再與二次風(fēng)一同進(jìn)入疏相區(qū)模塊（吉布斯反應(yīng)器）模擬疏相區(qū)燃燒，此反應(yīng)器依據(jù)分相后吉布斯自由能最小化的原則計(jì)算平衡[1]。

產(chǎn)生的煙氣及固體顆粒伴隨著尿素?zé)峤鈪^(qū)（化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器）產(chǎn)生的氨氣進(jìn)入脫硝區(qū)（吉布斯反應(yīng)器）模擬脫硝。明祥棟等[11-12]采用將平推流反應(yīng)器設(shè)置于旋風(fēng)分離器之后的方式來模擬SCR脫硝。

煙氣隨后進(jìn)入管式換熱器（多流股換熱器）模塊，與從省煤器過來的水換熱，以此簡化水冷壁、過熱器、再熱器等換熱設(shè)備[6,9-10]。明祥棟等[11-12]采用換熱器冷卻煙氣以確保煙氣之后的溫度符合要求。陳寶明等[5]采用多個(gè)換熱器來模擬換熱流程。而較為詳細(xì)的蒸汽動力循環(huán)子系統(tǒng)模型通常采用換熱器模擬冷凝器、兩流股換熱器模擬高低壓加熱器、壓縮機(jī)模塊透平機(jī)械模擬汽輪機(jī)各個(gè)壓力工況、泵模塊模擬水泵等，蒸汽動力循環(huán)子系統(tǒng)模型由各模塊連接而成[12-13,15,21]，或配合當(dāng)作過熱器、再熱器集合的多流股換熱器[22]。壓縮機(jī)模塊需要設(shè)定好流股參數(shù)和計(jì)算類型，如壓力、溫度、流量、效率、等熵或者多邊過程、功率等參數(shù)來計(jì)算輸出效率和輸出功，為具體的分析做準(zhǔn)備。

煙氣隨后進(jìn)入旋風(fēng)分離器（氣旋固體分離器）進(jìn)行氣固分離，固體及非常規(guī)組分等進(jìn)入充當(dāng)返料裝置的返料分離器（組分分離器）進(jìn)行返料設(shè)置，根據(jù)循環(huán)倍率40計(jì)算具體返料量來規(guī)定返回各成分流量，而物料循環(huán)倍率是指循環(huán)物料量與進(jìn)入爐膛的物料量的比值，循環(huán)灰、碳、氧化鈣之和等于煤與脫硫劑之和的40倍；但這樣直接確定返料量則局限了模擬變工況的能力。若要模擬變工況，則需要設(shè)定旋風(fēng)分離器的計(jì)算方法、類型及對應(yīng)所需的尺寸參數(shù)、壁面系數(shù)、常數(shù)等來自動計(jì)算分離效率，再配合返料隨負(fù)荷變化的具體流程來模擬變工況運(yùn)行。旋風(fēng)分離器出來的煙氣部分則先進(jìn)入省煤器（兩流股換熱器）加熱省煤器中的水，再去空氣預(yù)熱器（兩流股換熱器）預(yù)熱空氣。

空氣預(yù)熱器出來的煙氣還需進(jìn)行脫硫及除塵工藝處理，即煙氣脫硫裝置（全混釜反應(yīng)器）模擬的脫硫塔，通過設(shè)定的動力學(xué)反應(yīng)進(jìn)行硫氧化物的脫除，隨后以布袋除塵器（組裝過濾器）將煙氣中的固體顆粒進(jìn)行分離，在脫硫過程中動力學(xué)反應(yīng)設(shè)定需要具體到每一個(gè)反應(yīng)和可代表反應(yīng)程度及速率的參數(shù)，布袋除塵則需要確定計(jì)算方式，設(shè)定等同于壓降、過濾器介質(zhì)阻力、粉塵阻力、流速、各單元面積直徑清晰時(shí)間等參數(shù)。明祥棟[12]利用單塔精餾嚴(yán)格計(jì)算模塊和化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器模塊，分別模擬SOX的吸收與氧化流程；加之兩出口閃蒸器模塊與兩出口組分分離器模塊，模擬漿液等產(chǎn)物的分離。顏湘華等[7]基于微元分析SO2的傳質(zhì)理論，建立了CFBB的脫硫數(shù)學(xué)模型，通過Fortran語句定義用戶單元模塊以完成對煙氣脫硫的模擬。而以燃燒生物質(zhì)為主的鍋爐，SOX在爐內(nèi)脫硫基本就已完成，煙氣處理中則以CO2的處理為主要方向[15,21]?，F(xiàn)有學(xué)者在半干法脫硫研究中引入液橋力模型，采用雙膜理論計(jì)算脫硫反應(yīng)效率[23]，Aspen也許可采用這離散法建立的數(shù)學(xué)模型來自定義單元操作。同時(shí)，半干法脫硫過程中加入添加劑能提高煙氣脫硫率，這也是模擬的疏失[24]。

3 結(jié)束語與展望

通過對CFBB的Aspen模型的研究綜述可以得出，大量模型假設(shè)是軟件模擬的基礎(chǔ)，但如此則帶來了誤差，對當(dāng)前模型的進(jìn)一步優(yōu)化可以從燃燒熱解產(chǎn)物設(shè)定、換熱器配合汽水流程變化控制、煙氣脫硫脫硝模塊的選擇等方面進(jìn)行。

1）更準(zhǔn)確地設(shè)定煤等燃料的熱解產(chǎn)物及燃燒循環(huán)過程可以帶來更精確的煙氣成分和熱量變化，但實(shí)際燃燒過程復(fù)雜，確定性設(shè)置會降低模型的適應(yīng)廣度，學(xué)者們可以從最新的燃燒理論中去研究熱解產(chǎn)物的模型描述。

2）精細(xì)化實(shí)際流程中設(shè)備的模擬設(shè)置可以得到更準(zhǔn)確的熱效率，但會增加工作量與調(diào)試難度，因此詳細(xì)化模擬鍋爐運(yùn)行流程具有一定意義。

3）目前對爐內(nèi)脫硫脫硝的相關(guān)模擬比較少，同時(shí)爐外脫硫脫硝仍存在所需確定參數(shù)過多等缺陷，以數(shù)學(xué)模型設(shè)定煙氣處理模塊或探索新的模塊組合使用方式進(jìn)行模擬具有一定意義。

當(dāng)前CFBB定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣污染排放可達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)，但變工況過程時(shí)所引起的連續(xù)流程及煙氣成分變化尚待研究，基于負(fù)荷變化的動態(tài)流程的模擬具有廣闊的研究前景。