基于Aspen Plus煤粉工业锅炉系统建模与分析.docx

基于 Aspen Plus 煤粉工业锅炉系统建模与分析罗伟;陈隆;崔豫泓【摘 要】 为了研究 SZS20-1.6-AIII 卧式煤粉工业锅炉燃烧和换热特性,采用 Aspen Plus 对煤粉燃烧、烟气换热、锅筒蒸发和除尘等 4 个过程进行建模,探讨 Aspen Plus 中适用于上述 4 个过程的模块及其性质,构建完整的煤粉工业锅炉运行 模拟流程,同时在收率反应器模块 RYield 中嵌入 Fortran 语言程序以规定煤粉分解 产物和碳转化率.结果表明,建立的 Aspen Plus 模型能够准确模拟锅炉运行;空气温 度越高,换热量越多,当空气过量系数为 0.96 时烟气的换热量达到最大;煤粉湿度越 大,燃烧温度越低,换热量越少.【期刊名称】 洁净煤技术【年(卷),期】 2015(021)006【总页数】 4 页(P91-94)【关键词】 煤粉工业锅炉;燃烧;换热;Aspen Plus;模拟【作 者】 罗伟;陈隆;崔豫泓【作者单位】 煤炭科学技术研究院有限公司节能工程技术研究分院,北京 100013; 煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京 100013;国家能源煤炭高效利用与 节能减排技术装备重点实验室,北京 100013;煤炭科学技术研究院有限公司节能工 程技术研究分院,北京 100013;煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京 100013;国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室,北京 100013;煤 炭科学技术研究院有限公司节能工程技术研究分院,北京 100013;煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室,北京 100013;国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装 备重点实验室,北京 100013【正文语种】 中 文【中图分类】 TD849;TK229.6我国燃煤工业锅炉保有量近 50 万台，每年燃煤量超过 4 亿t ，大多数为普通链条 锅炉，污染物排放总量接近电站锅炉1。大量燃煤工业锅炉的使用是近年来区域 性雾霾天气频繁出现的重要原因之一， 2014 年 7 月 1 日新版锅炉大气污染物排 放标准正式实施，该标准对燃煤工业锅炉的污染物排放提出了更高的要求。在此 形势下，煤炭科学技术研究院有限公司研发的高效煤粉工业锅炉更加被市场认可, 高效煤粉工业锅炉采用旋流逆喷式双锥燃烧器和空气分级燃烧技术，具有热效率高、 污染物(NOx、 SOx、可吸入颗粒物)排放量低以及负荷调节方便的特点，已在全国 十几个省市推广使用2。目前对高效煤粉工业锅炉的研究主要有双锥式煤粉燃烧 器的燃烧和空气动力场特性研究3、高浓度煤粉供料器的两相流动特性研究4、 污染物排放控制技术的开发和研究5-8 ，而在锅炉系统方面没有进行过相关的研 究。 Aspen Plus 作为一款大型的通用化工流程模拟软件，能够进行精细的流程设 计和稳态模拟，广泛用于石油化工和电力等领域的流程设计、模拟和优化，国内外 学者使用 Aspen Plus 对煤气化系统、燃气轮机系统以及循环流化床系统进行了大 量研究9-11 ，均建立了适合的模型来模拟实际运行系统，但是对煤粉工业锅炉的 研究却鲜有出现，通过借鉴 Aspen Plus 建模的经验，对 SZS20-1.6-AIII 卧式煤 粉工业锅炉系统流程建模并进行稳态模拟计算，模拟结果与锅炉运行实际参数有很 好的符合度，在此基础上研究给风流量和温度，煤粉湿度和温度对锅炉燃烧和换热 的影响。图 1 为高效煤粉工业锅炉系统流程。煤粉由一次风输送进入预燃室，二次风助燃，产生高温烟气进入炉膛，与水冷壁和对流管束换热。经过换热后的低温烟气在烟道 省煤器中进一步放热，低温烟气经过布袋式除尘器进行除尘，经由烟囱排向大气。 煤粉燃烧是复杂的物理化学过程，采用 Aspen Plus 模拟时需要假设12 ： 燃烧 系统处于稳定的状态，各项参数不随时间发生变化； 空气与煤炭颗粒能够在瞬 间完成混合； 煤炭中的 H、 O、 N、 S 全部发生反应转化为气态，而 C 则会残存， 以固态形式随烟气流出炉膛；锅炉内部压强相等；煤颗粒的温度分布均匀。 Aspen Plus 将物质分为常规组分和非常规组分，其中煤(COAL)、灰(ASH)和残碳 (UBC)为非常规固体组分，类型为 Nonconventional； N2、 H2、 O2、 H2O、 CO2、 CO、 SO2、 SO3、 NO、 NO2 和 S 为常规组分，类型为 Conventional；C 为常规固体组分，类型为 Solid。由于煤燃烧包括常规固体组分和非常规固体组分， 故选取总物流类型为 MCINCPSD。煤燃烧生成的烟气主要组分为 N2、 CO2、 O2 和 H2O ，烟气总体上呈现出非极性或弱极性，可以选择 RK-SOAVE、 PR-BM 或 者 RKS-BM 等物性计算模型。COAL、 ASH 和 UBC 等非常规固体组分不参与相平衡和化学平衡计算，但需计算 焓值和密度，本文焓值计算模型为 HCOALGEN ，通过元素分析、工业分析以及硫 元素分析计算煤的燃烧热、标准生成热和热容，并用三者组成的关联式计算煤焓值； 密度模型为 DCOALIGT ，用于计算基于干基的真实密度13。煤粉工业锅炉 Aspen Plus 模拟流程见文献14的图 1 ，主要有四大模块，煤粉燃 烧反应器模块 RGibbs 模块、煤粉分解反应器模块 RYield 模块、烟气换热 Heater 模块以及锅筒蒸发模块 Flash 2 模块。1.2.1 煤燃烧 RGibbs 反应器模块分析选择 RGibbs 反应器模块模拟煤粉燃烧， RGibbs 反应器根据系统 Gibbs 自由能趋 于最小值原则，计算同时达到化学平衡和相平衡时的系统组成和相分布，不需要输 入具体化学反应方程式及化学反应动力学参数。为了提高模拟精度，本文规定煤燃烧烟气组分为 N2、 O2、 H2、 CO、 CO2、 H2O、 NO、 NO2、 SO2、 SO3、 C 和 UBC ，反应器压力设置为 1.015105 Pa，模拟过程中将煤粉分解热导入其中。 1.2.2 煤分解 RYield 收率反应器模块分析RGibbs 反应器模块不能直接对非常规固体组分进行计算，因此在其之前添加用于 模拟煤粉分解的 RYield 收率反应器模块。 RYield 反应器只考虑物质总质量平衡， 不考虑元素平衡。在该反应器中煤粉将分解为单质，并规定每种组分的初始相对产 率。煤粉分解产物规定为 H2O、 H2、 O2、 C、 S、 ASH 和 UBC ，每种组分最终 产率按照煤的工业分析和元素分析进行计算，采用 Fortran 语言编程嵌入到 Aspen Plus 中，该程序将干基转化为收到基从而计算每种组分的最终产率。 C 和 UBC 的量与煤粉燃烧时碳转化率有关，程序中碳转化率取值 98% ，分解热全部导 入到 RGibbs 反应器中，不考虑热损失。1.2.3 烟气换热 Heater 模块分析采用 Aspen Plus 中 Heater 模块进行换热分析，通过输入压力和出口温度 2 个参 数即可计算热负荷。定义烟气与炉膛水冷壁和对流管束内的换热为高温换热模块， 烟气在省煤器内换热为低温换热模块，为了简化计算，假设将两部分换热量全部导 入锅筒，并且蒸汽在锅筒内产生。高温烟气经过炉膛后温度降低至 250 左右， 烟气温度经过省煤器后温度降低至 158 左右。1.2.4 锅筒 Flash 2 模块分析Flash 2 模块模拟锅筒产汽，模块具有 2 股流体出口，分别表示蒸汽和饱和水，锅 炉给水为较冷的入口流体，规定汽包压力。将高温换热量和低温换热量输入到 Flash 2 模块后即可产生该额定压力下的饱和蒸汽及饱和水，若热量过大，则只会 产生饱和蒸汽甚至过饱和蒸汽。根据实际运行数据额定压力设定为 1.19105 Pa。 1.2.5 烟灰分离模块 SSplit 分析SSplit 模块用于模拟烟气中灰渣的粗分离，不规定灰渣分离半径尺度和分离效率，该模块有 2 股出口物流，分别为固体灰渣流股和洁净烟气流股。夏季锅炉运行典型工况：耗煤量为 1438 kg/h ，送风总量为 23000 m3/h ，给水 温度为 33.7 。表 1 是煤质分析，收到基的低位发热量为 27.7 MJ/kg。锅炉运行过程中蒸发量可以表征系统热量利用情况，烟气氧含量表征煤粉燃烧情况， 根据蒸发量和烟气中氧气含量误差大小判断模型的准确性，表 2 为Aspen Plus 模 拟值，蒸发量模拟值与实际值误差极小，氧气模拟值误差较高，氧气误差较高原因 主要是实验中烟气组分监测点位于烟囱内，锅炉炉膛、烟道、除尘器以及烟囱内均 存在漏风，提高了烟气中氧气含量。计算得到烟气高温换热量为 8.49 MW ，低温换热量为 0.78 MW ，烟气总换热量 为 9.27 MW ，由公式(1)计算锅炉热效率通过计算，=83.82%，低于设计的额定热效率 90% ，说明煤粉工业锅炉在夏季 低负荷运行情况下锅炉的热效率有所降低。采用 Aspen Plus 灵敏度分析工具，研究不同空气流量条件烟气换热量。空气量对 烟气换热量影响如图 2 所示，当空气量由 10000 m3/h 增加到 11200 m3/h ，烟 气中 CO 含量快速降低， O2 含量微小变化后较快上升，换热量达到最大值 9.40 MW，热效率 max=84.99%；当空气量继续上升，换热量下降。按照公式(2)计 算理论空气量15经过计算，在 20 ，1.013105 Pa 条件下需理论空气量为 11672 m3/h ，所以 当烟气换热量获得最大时空气过量系数为 0.96。文中锅炉安装于西北某高寒地带矿区，锅炉房内空气温度变化在 5 30 ，如图 3 所示，当空气温度提高，烟气换热量由 9.2 MW 提高到 9.45 MW ，烟气温度由 1132 提高到 1152 。高效煤粉工业锅炉采用精细研磨的煤粉作为原料，采用煤粉浓相输送技术，在预燃 室进行预燃烧，图 4 为夏季典型工况下煤粉湿度对燃烧影响。当煤粉水分由2%提高到 12% ，生成烟气中水蒸气体积分数由 3.5%提高到 4.0% ，烟气温度由 1192 到 1072 ，按照省煤器排烟温度 150 计算，可以获得的有效热量由 9.8 MW 下降到 9.3 MW 左右。煤粉制备采用中间仓储式贮存，每台锅炉独立拥有一个煤粉塔，煤粉温度受环境温 度影响明显，根据实际情况，煤粉温度变化在-1040 ，图 5 所示是煤粉温度 变化对燃烧的影响，当煤粉温度提高，烟气温度和换热量变化不大，烟气温度由 1142 提高到接近 1145 ，换热量由 9.26 MW 提高到 9.29 MW。 1)采用工程软件 Aspen Plus 对高效煤粉工业锅炉系统进行建模和稳态模拟，研究 煤粉分解和燃烧、烟气换热、烟灰分离以及锅筒产汽等 4 个重要过程并在 RYield 模块中嵌入 Fortran 程序，模拟计算结果与实际相符； 2)夏季典型负荷情况下，空气量为 11200 m3/h 时换热量达到最大，此时空气过 量系数为 0.96 ；空气温度由 5 提高到 30 ，烟气温度由 1132 提高到 1152 ，烟气换热量由 9.2 MW 提高到 9.45 MW；3) 煤粉含湿量由 2%提高到 12% ，烟气中水蒸气体积分数由 3.5%提高到 4.0% ， 烟气温度由 1192 下降到 1072 ，烟气换热量由 9.8 MW 下降到 9.3 MW ；煤 粉温度在-1040 变化时对燃烧烟气温度和烟气换热量影响较小。【相关文献】1 严祯荣,罗晓明,时贵玉,等.燃煤粉工业锅炉的发展前景及节能减排技术创新J.节能技 术,2010,28(1):65-69.2 冯现河.高效煤粉工业锅炉技术开发及示范推广J.洁净煤技术,2011,17(4):62-66 3 姜思源,王永英,周建明,等.中等挥发分烟煤回燃逆喷式燃烧数值模拟J.煤炭学报,2014,39(6):1147-1153.4 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