Aspen Plus在循環流化床鍋爐模擬中的研究現狀*

劉士旸，李東雄，李錦蓉

（山西大學，山西 太原 030013）

循環流化床鍋爐（Circulating Fluidized Bed Boiler，CFBB）憑借燃料適應性廣、燃燒效率高、污染排放低、負荷調節廣等優點，現在已經廣泛利用于電站鍋爐；加之我國“多煤貧油少氣”的能源結構決定了循環流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）是劣質燃料期望的燃燒技術，具有廣泛的發展前景。然而，由于該技術現仍存在熱利用效率低、煙氣污染物排放影響因素復雜等問題，因此記錄鍋爐運行各項數據，尋求提高鍋爐效率及降低污染的方法，具有重要意義。

Aspen Plus是基于穩態化工模擬、優化、靈敏度分析和經濟評價的標準大型化工過程模擬軟件，具有簡易化圖形輸入的特點，擁有完備的物性數據庫，憑借優勢廣泛應用于石油化工領域，現已逐漸擴展到電力行業[1]。

1 軟件的應用

CFBB通常包括爐膛、旋風分離器（氣旋固體分離器）、固體顆粒再循環裝置，此外，再依據實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，如模擬旋風分離器、布袋除塵器的氣固分離模型、分離器模型，同時可以模擬煤和灰等非常規物流，具有良好的配合性。

煤化工及煤發電行業等進行了模型適應性檢驗。如趙偉杰等[2]利用Aspen模擬了CFB的穩態流程，精確計算出了各模塊間每一流股的物性參數。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，對比驗證了熱解氣體冷卻及分離系統的可靠性。趙偉剛等[4]建立了CFB煤氣化模型，對照實測數據，檢驗了軟件模擬的準確性。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律，通過實測數據與模擬計算結果的對比，檢驗了Aspen模擬燃煤鍋爐的可行性。

隨后學者們對Aspen模型進行了完善，并根據對比分析，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置、煤和灰的物性計算方法，并對反灰溫度和分離效率、煙溫與煤種的關系進行了分析，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部由于物料流動混合導致的溫度不均；返灰溫度與分離效率呈正相關；校核煤的揮發分高與設計煤種導致燃燒熱高，工質在相同吸熱量下高溫工質溫度偏高。顏湘華等[7]在建模過程中嵌入了Fortran語句，利用模擬計算結果，驗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，同時發現高脫硫時模擬值與實驗值偏差增大。江成林[8]在模型中利用計算器模塊編寫Fortran語句來規定煤裂解產物的收率，選定了非常規組分煤和灰的具體計算的焓與密度模型，將熱效率和煤燃燒效率的計算公式配合到Aspen模型中，利用經驗公式同時依據顆粒在爐膛內的分布規律，提出了一種簡化的模型計算煤的燃燒效率。王龍飛等[9]將CFBB模型外循環倍率設定為40，并且細化了煤熱解模塊的Fortran語句，借助模型分析了CFBB的分布，發現鍋爐損失主要發生在排煙與機械不完全燃燒，具體變化為0.13 MW/1℃。表明提升鍋爐熱效率應從排煙溫度及煤的品質來控制。李娟等[10]基于Aspen Plus建立了600 MW超超臨界CFBB，其在產率反應器后增加了化學計量反應器來模擬煤熱解產物生成，同時增加了模擬氮還原區的反應器，研究了過量空氣系數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、過量空氣系數增加時NOX、SOX生成逐漸增加，溫度升高脫硝效率升高的同時SO3生成增加，由數據得出極大值點為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；又建立600 MW超臨界CFBB進行 分析，探究電站系統耗能分布和煤泥摻燒對機組的影響。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進行分布分析，著重分析了過量空氣系數變化時鍋爐 效率和換熱器熱量變化，同時預測了SO2等隨之變化的情況。

同時，CFB在其他方面的利用也可以建立模型進行研究。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/蒸汽預熱溫度、散熱量等單個因素以及過量空氣系數、氧氣濃度、煙氣返回比例對主要氣化指標的影響。Shi Yan等[15]建立了一個以燃煤褐煤加鋸末的三燃料CFBB型燃燒系統，分析了燃料、氧氣濃度、煙氣循環模式與溫度對系統的影響。

2 CFB的軟件模擬

結合文獻與山西國峰電廠運行檢測報告，以燃燒和煙氣處理部分為主，將具體流程分為煤裂解、密相區和疏相區燃燒、選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脫硝、旋風分離、物料循環、爐外半干法脫硫、布袋除塵、空氣預熱和水加熱蒸發再熱，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”，煤和灰設置為“非常規物質”，其焓模型、密度模型分別設置為“HCOALGEN”“DCOALIGT”，煤的焓模型輸入“6111”，灰輸入“1111”（4個數字分別代表燃燒熱、生成熱、熱容和焓基準），輸入煤對應的工業分析、元素分析、硫分析和燃燒熱，完成設置。

2.2 模型的簡化假設

由于實際CFBB結構和運行反應都比較復雜，因此基本對模型進行了如下簡化假設。

1）不考慮散熱損失與漏風。

2）系統處于穩態，并且所有變量不隨時間發生變化。

3）煤熱解產物完全為單質，燃燒由平衡控制。

4）爐膛分為密相區和疏相區兩個燃燒區域，換熱模塊與燃燒模塊相分離。

5）各流程物料混合均勻，使其具有統一壓力、溫度。

2.3 C F BB具體模型

煤從煤流股進入煤熱解區（產率反應器）模塊進行熱解，以純單質（C、H2、O2、N2、S）、灰和未燃盡碳為產物，借助計算器流程選項，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，FACT2、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量分數；C、S等為煤熱解單質的收率。

王龍飛等[9]在公式中體現了未燃盡碳比例；但以元素分析對應的單質為熱解產物可能造成模型中的煙氣成分不符合實際情況。許多學者對煤實際燃燒產物進行了研究，證實并非為各元素單質。鄭默等[16]獲得的產物為焦炭、焦油和部分氣體等煤主要熱解產物，以及部分小分子氣體、苯、苯酚、萘等特定產物。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氣體成分為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，對柳林煙煤進行了分子表征的熱解反應，從而研究了不同溫度條件下的初始分解機理和產物分布。同時，CFBB中的NOX主要來自于燃料型氮[19]，并非模型中先熱解為N2再轉化為NOX。白浩隆等[20]利用流化床反應裝置研究得出的4種主要氣態氮產物HCN、NH3、NO和NO2的釋放規律也揭露了模型設定的理想性。由上述煤熱解產物的變化過程研究可得出煤燃燒過程的復雜性，設定確定的幾類產物代表煤熱解產物終究會帶來模型的局限性，Aspen模型未來可以將熱解產物設定為ReaxFF-MD模擬方法的計算產物，以此來模擬更接近真實的熱解過程及熱解產物。

熱解產物及一次風先進入密相區模塊（吉布斯反應器）模擬密相區燃燒，之后再與二次風一同進入疏相區模塊（吉布斯反應器）模擬疏相區燃燒，此反應器依據分相后吉布斯自由能最小化的原則計算平衡[1]。

產生的煙氣及固體顆粒伴隨著尿素熱解區（化學計量反應器）產生的氨氣進入脫硝區（吉布斯反應器）模擬脫硝。明祥棟等[11-12]采用將平推流反應器設置于旋風分離器之后的方式來模擬SCR脫硝。

煙氣隨后進入管式換熱器（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]采用多個換熱器來模擬換熱流程。而較為詳細的蒸汽動力循環子系統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、壓縮機模塊透平機械模擬汽輪機各個壓力工況、泵模塊模擬水泵等，蒸汽動力循環子系統模型由各模塊連接而成[12-13,15,21]，或配合當作過熱器、再熱器集合的多流股換熱器[22]。壓縮機模塊需要設定好流股參數和計算類型，如壓力、溫度、流量、效率、等熵或者多邊過程、功率等參數來計算輸出效率和輸出功，為具體的分析做準備。

煙氣隨后進入旋風分離器（氣旋固體分離器）進行氣固分離，固體及非常規組分等進入充當返料裝置的返料分離器（組分分離器）進行返料設置，根據循環倍率40計算具體返料量來規定返回各成分流量，而物料循環倍率是指循環物料量與進入爐膛的物料量的比值，循環灰、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，則需要設定旋風分離器的計算方法、類型及對應所需的尺寸參數、壁面系數、常數等來自動計算分離效率，再配合返料隨負荷變化的具體流程來模擬變工況運行。旋風分離器出來的煙氣部分則先進入省煤器（兩流股換熱器）加熱省煤器中的水，再去空氣預熱器（兩流股換熱器）預熱空氣。

空氣預熱器出來的煙氣還需進行脫硫及除塵工藝處理，即煙氣脫硫裝置（全混釜反應器）模擬的脫硫塔，通過設定的動力學反應進行硫氧化物的脫除，隨后以布袋除塵器（組裝過濾器）將煙氣中的固體顆粒進行分離，在脫硫過程中動力學反應設定需要具體到每一個反應和可代表反應程度及速率的參數，布袋除塵則需要確定計算方式，設定等同于壓降、過濾器介質阻力、粉塵阻力、流速、各單元面積直徑清晰時間等參數。明祥棟[12]利用單塔精餾嚴格計算模塊和化學計量反應器模塊，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，模擬漿液等產物的分離。顏湘華等[7]基于微元分析SO2的傳質理論，建立了CFBB的脫硫數學模型，通過Fortran語句定義用戶單元模塊以完成對煙氣脫硫的模擬。而以燃燒生物質為主的鍋爐，SOX在爐內脫硫基本就已完成，煙氣處理中則以CO2的處理為主要方向[15,21]。現有學者在半干法脫硫研究中引入液橋力模型，采用雙膜理論計算脫硫反應效率[23]，Aspen也許可采用這離散法建立的數學模型來自定義單元操作。同時，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，大量模型假設是軟件模擬的基礎，但如此則帶來了誤差，對當前模型的進一步優化可以從燃燒熱解產物設定、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行。

1）更準確地設定煤等燃料的熱解產物及燃燒循環過程可以帶來更精確的煙氣成分和熱量變化，但實際燃燒過程復雜，確定性設置會降低模型的適應廣度，學者們可以從最新的燃燒理論中去研究熱解產物的模型描述。

2）精細化實際流程中設備的模擬設置可以得到更準確的熱效率，但會增加工作量與調試難度，因此詳細化模擬鍋爐運行流程具有一定意義。

3）目前對爐內脫硫脫硝的相關模擬比較少，同時爐外脫硫脫硝仍存在所需確定參數過多等缺陷，以數學模型設定煙氣處理模塊或探索新的模塊組合使用方式進行模擬具有一定意義。

當前CFBB定負荷運行時煙氣污染排放可達國家標準，但變工況過程時所引起的連續流程及煙氣成分變化尚待研究，基于負荷變化的動態流程的模擬具有廣闊的研究前景。