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1、第1章 绪 论1.1 课题的背景当今世界，人口、资源和环境是全人类共同关心的问题。能源是人类活动的物质基础。随着科学技术的进步，经济的高速发展，人口的膨胀，人类对能源资源的需求日益增加，而目前人类长期依赖的传统化石燃料煤、石油、天然气等正在迅速减少。据世界能源委员会的评估，全球开采成本较低的化石燃料将在本世纪中期到末期耗尽1。石油，由于其不可再生，人类社会发展对石油又高度依赖，石油供应关系国计民生，所以被人们称为“黑色黄金”。美国能源部能源信息管理局预测全球石油需求将以每年1.9%的速度增长2。由于世界石油资源储量有限，石油资源消费量庞大，而近几年中东地区政治局势的动荡，石油供求关系紧张，不断
2、地提醒着各国政府要积极开发其替代能源，以保证各国的能源安全。在构建社会主义和谐社会的进程中，对急需增强综合国力的中国来说，能源更是关系到经济发展和社会和谐的大事。2007年12月26日，国务院新闻办发表的中国的能源状况与政策白皮书指出，虽然中国能源总量比较丰富，但人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。其中，煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气资源人均拥有量仅为世界平均水平的十五分之一左右3。改革开放以来，我国经济连年稳定增长，特别是近十年，我国GDP年增长率始终保持在8%左右，于此同时，我国已经成为世界上石油消费增长最快的国家。相对于煤炭资源储量，我国更是一个贫油
3、的国家，2007年我国石油资源对外依赖度已高达50%，已进入能源预警期4。石油短缺问题已逐渐成为制约经济发展的瓶颈之一，严重威胁着我国能源战略安全。油页岩属于固体化石燃料。在全世界化石燃料中, 其储量折成发热量仅次于煤炭而居第二位, 折成页岩油4 750 亿t , 为石油可采储量的514 倍。我国油页岩远景储量约2 万亿t , 折页岩油800 亿t , 为石油可采储量的30 倍以上, 仅次于美国、巴西、爱沙尼亚, 居世界第四位; 1989 年探明储量315167 亿t , 其中吉林省17413 亿t , 广东省54 亿t , 辽宁省36 亿t , 海南省2415 亿t ; 据悉, 目前探明储量
4、超过6 000 亿t 。油页岩具有煤炭的物化特性, 可直接燃烧, 发电、供热均可; 又含有石油的组分, 可干馏炼制页岩油人造石油。但是, 由于它发热值低、含油率低、灰分高, 属高灰分低发热值劣质燃料类似于煤矸石, 开发利用成本高, 在石油和煤炭价格低廉时经济上无竞争力。因此, 在过去半个多世纪中一直没能大规模开发利用, 只有少数国家用于炼油、发电, 并探索综合利用、提高经济效益之路,中国就是其中之一。从长远的观点分析, 由于世界经济的高速发展, 石油和煤炭消耗量相应增长, 而资源量是有限的, 人类必须寻求替代能源, 油页岩就是最现实的替代者, 开发利用油页岩是必然的。另一方面, 近几年来国际上
5、石油价格猛涨、居高不下, 同时带动煤炭价格相应上扬, 使油页岩炼油和发电成本相对降低、经济效益显著提高。实践证明传统油页岩能源利用方式由于存在着严重的技术、经济和环境问题而不能发展35 。其有效的利用必须寻求新的途经。循环流化床燃烧技术的出现给油页岩的利用和油页岩燃烧发电技术注入了新的活力,并带来光明的前景。循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。未来的
6、几年将是循环流化床飞速发展的一个重要时期。油页岩作为动力燃料主要用于发电、供热，而这些都与燃烧有关，因此，了解油页岩的燃烧特性是更好的开发与利用油页岩资源的关键。换句话说，油页岩在炉内燃烧的好与坏，对油页岩的综合利用有一定的影响，循环流化床锅炉的设计就显的尤为重要。实现油页岩燃料利用工业化，显然对其进行循环流化床燃烧是有效途径。为避免其对环境造成严重污染，破坏生态平衡，影响人类正常健康发展，因此对其CFB（Circulating Fluidized Bed）燃烧污染物的生成进行研究十分必要。由于油页岩成分复杂、实验成本高等特点，给研究工作带来不便，需要寻求新的研究途径。 Aspen Plus作
7、为流程模拟软件，近年来已在煤的燃烧、气化和生物质气化领域得到了广泛的应用，同时也得到了许多有益的模拟结果，且其模拟结果与实际试验结果对比较好相符，因此作者将其用于油页岩CFB燃烧燃烧。Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）在油页岩CFB燃烧的成功应用，将会给油页岩清洁利用的研究带来许多许多方便和适用参考数据，以便缓解当前的能源危机，保证我国以及世界的经济持续快速发展。1.2 文献综述国内外相关技术的发展世界上开发和利用油页岩已有200多年的历史，只是由于近两个世纪战争频繁，世界石油市场价格激荡，影响了油页岩的开发利用和技术研发10
8、。20世纪80年代后期，世界石油资源消费量激增，各国又开始重新着眼于各种可再生能源和其它替代能源的开发利用，油页岩工业也随之在中国、巴西等国再次兴起。目前，爱沙尼亚、中国和巴西都在进行页岩油的商业化生产，年产量将近100万吨，到2015年，世界上页岩油的年产量预计将达到350万吨11。面对我国石油资源匮乏，油页岩资源储量较大的现状，合理开发高品质的油页岩将会是对我国石油资源紧缺的有益补充。中共中央、国务院在关于实施东北地区等老工业基地振兴战略的若干意见中，非常明确地提出将“油页岩综合利用”列为优先科技攻关主题。国土资源部将油页岩列为重点矿种，加强勘察，明确要求加强油页岩综合利用技术的研究与应用
9、12。油页岩作为一种重要的能源资源，目前世界上利用油页岩主要有两大途径：一是在隔绝空气的情况下，将油页岩加热到450600以提取页岩油，页岩油可以直接用作航海燃料油，也可进一步深加工提取汽油、柴油、沥青以及其他化工原料；二是作为燃料直接送入锅炉燃烧，用于发电或供热13。按照干馏工艺的不同，油页岩低温干馏技术可以分为地上干馏技术和地下干馏技术。地下干馏技术又称为原地干馏，但是该工艺过程控制困难，目前仍处于研发阶段，还未实现工业化14。地上干馏技术是指将油页岩开采出来以后，经破碎机破碎后，送入干馏炉加热，提取页岩油15。从油页岩中提炼的页岩油可以直接作为液体燃料使用，但是页岩油比天然石油含有更多的
10、不饱和烃及氧、氮、硫等非烃化合物，会导致油品安定性变差、颜色变黑。因此，要获得较高品质的页岩油，还需要对页岩油进行深加工，将不饱和组分进行加氢饱和，并除掉页岩油中的非烃化合物。俄罗斯彼得堡地区的油页岩炼油厂年加工油页岩150万吨，生产页岩油20万吨，所生产的页岩油主要用于生产高附加值的化工产品。巴西Petrosix公司拥有两台油页岩大型工业化装置，每台日处理油页岩约1万吨，并从中提取硫和放射性铀16。2002 年11 月在爱沙尼亚首都塔林召开的“全球油页岩的利用与展望”国际会议上, 13 个国家230 位专家一致认为“油页岩的开发利用潜力巨大”。美国是全球油页岩储量最大的国家, 政府认为“油页
11、岩是潜力惊人的能源”, 已制定了开发战略, 并在科罗拉多州西部高原峡谷中建设了尖端实验基地, 由壳牌石油公司开展研发工作。爱沙尼亚、澳大利亚、德国、以色列等国也制定了相应的研发计划。我国在中长期科学和技术发展纲要(20062020 年) 中明确地将“矿产资源高效开发利用, 发展低品位与复杂难处理资源高效利用技术、矿产资源综合利用技术”列入重点攻关领域和优先发展主题。中共中央、国务院在关于实施东北地区等老工业基地振兴战略的若干意见中, 将“支持油页岩、煤矸石的综合利用”列入重大攻关主题。目前, 国家已加大了油页岩资源勘察力度; 各省、市、自治区凡有油页岩资源的地方, 都在启动或拟启动油页岩炼油或
12、发电工程项目, 形势空前火热。但是, 现有的开发利用方式, 都受传统行业经济的约束, 只重视提高炼油效率或者只重视提高发电效率, 而轻视甚至忽视综合利用和循环经济效率。这不仅造成油页岩能源、资源上的严重浪费和环境上的严重污染, 更主要的是阻碍了油页岩工业的发展。_为了解决这一问题, 推动油页岩工业的发展,我们深入分析了油页岩的物化特性和现有干馏炼油厂、发电厂存在的问题, 通过几年的科技攻关, 研发出新型油页岩循环流化床锅炉。此种锅炉可利用干馏炼油厂废弃的碎屑油页岩、半焦(渣) 和剩余瓦斯混合燃烧发电, 而锅炉的灰渣具有含碳量低、活性好的特点, 可全部送入建材厂制做水泥、砌块、砖和陶粒等建材。如
13、此, 油页岩矿、干馏炼油厂、循环流化床锅炉发电厂和建材厂共同组成一个链带式联合企业, 使油页岩作为能源转化为页岩油和电力, 又作为资源转化为建材, 实现了无固体废物排放的综合利用; 此即为油页岩综合利用集成技术和循环经济模式, 其经济效益比单纯炼油或单纯发电倍增, 而环境和社会效益更好。本集成技术, 不是原来油页岩矿、干馏炼油厂、循环流化床锅炉发电厂和建材厂四个行业技术的机械式串联组合, 而是互应、有机结合为一个产业链; 在这个产业链中不追求某一环节的最优化, 而是追求全局效益的最大化、环境和社会效益的最优化。因此, 它的推广应用, 可使中国油页岩工业即使在石油价格大幅度回落时也具有强大的生命
14、力。油页岩是一种高灰分、高挥发份、低热值燃料，不适宜通常的燃烧方式而将其作为循环流化床锅炉燃料是适宜的。循环流化床锅炉是近年来在全世界发展起来的新兴清洁能源技术，其自身可实现高效、低污染的燃烧，内部的燃料及脱硫剂经过多次循环、低温燃烧和脱硫反应流化床内部的流动、内部过程极其复杂，尚不被人们完全了解。国内外学者都对循环流化床的燃烧进行了研究。国外的研究主要有德国济根大学、加拿大新斯科舍工业大学、国际能源署(IEA、法国电力公司等。简单介绍几个典型的CFB锅炉燃烧过程数学模型。1.德国济根大学，1980年动力工程研究所建立了一个鼓泡流化床锅炉的数学模型，之后该模型的求解是应用开发的牛顿一拉普森数值
15、解法。Wei B在此基础上建立了动态数学模型。此类模型还包括增压循环流化床静态数学模型和循环流化床直流锅炉的动态数学模型等。2.加拿大新斯科舍工业大学，P.Basu教授建立了一个适用于250MW的循环流化床锅炉模型，该模型研究经历了两个阶段，第一阶段是简单模型没有考虑NOX反应的，第二阶段则考虑NOX的生成与分解反应。3.国际能源署(工EA ) , IEA组织了约巧个国家的研究人员组成一个数学模型研究组，通过成员的相互交流，使总体数学模型融合了彼此的研究成果，并基于此数学模拟编制了软件，在计算机上来预测和诊断流化床锅炉的运行。鼓泡流化床锅炉的模型(IEA-CFB)也由该小组建立，并且在此基础上
16、建立了循环流化床锅炉综合数学模型。4.法国电力公司(EDF ) , EDF成立了研究小组，来开发一维、二维及三维CFB数学模型，对电站循环流化床锅炉的运行起到了预测和分析的作用，对设计的放大也起了一定的作用，典型实例为一维两相模型(IDTWO-PHASE) o在国外对循环流化床锅炉进行研究和开发的同时，国内也开始了此项工作，几大高校提出了循环流化床燃烧模型，分别是清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学的循环流化床锅炉燃烧模型。李政等人在德国济根大学的CFB模型思想的基础上考虑宽筛分给煤特性提出了清华大学的通用静态数学模型，此模型燃烧系统内的守恒方程是以小室模型为基础的。该模型中不但细致考虑了流动、
17、煤挥发分的释放与燃烧、焦炭燃烧，而且还考虑污染物生成及还原等问题。此模型对没有考虑宽筛分给煤的德国济根大学的不足进行了弥补，采用环一核边壁流动模型，反应的情况与实际符合较好12 浙江大学热能工程研究所与1993年提出了一种综合数学模型随后又进行锅炉启动过程数学模型的研究。此模型采用颗粒群轨道模型，考虑了各尺寸组颗粒在拉格朗口坐标系中的流动、燃烧及能量变化的过程，气相场和颗粒团之的相互作用也得到了考虑。该模型具有普适性和可替换性的特点，但准确性不是很好，尚待提高。 哈工大热能工程教研室于七五期间开发了适于燃用煤研石的循环流化床燃烧模型。该模型考虑到悬浮段具体情况，独特的模型的建立是基于运动方程和
18、能量方程的，颗粒的温度得到了更为细致的处理，弥补上述几种模型在此方面的不足。前苏联是尝试直接利用油页岩燃烧发电最早国家之一，从上世纪30年代开始，前苏联就在层燃炉上试烧油页岩。前苏联首次开发油页岩流化床锅炉，是在爱沙尼亚的阿赫特穆中央热电站进行的，并于1981年第一台燃用油页岩的流化床正式投运。1988-1989年，美国、加拿大和匈牙利先后进行油页岩一煤混烧试验，结果表明，可以明显减少燃煤对环境的影响。1987年在美国西部，电力研究所资助一项含硫中等的西部煤与当地煤混烧项目。1988年，在加拿大新布鲁斯克查塔姆的循环流化床示范厂进行了高硫煤和含酸钙的油页岩的燃烧实验。1989年，匈牙利利用油页
19、岩一煤的燃烧研究表明，新第三纪藻类油页岩是有效的脱硫剂，1990年进行了工厂规模的实验。以色列于1993年建成55t/h循环流化床示范电站。2003-2004年，爱莎尼亚新建了2台215MW的油页岩循环流化床锅炉，这标志着燃烧发电已开始向大型化发展。70年代初期, 东北电力学院的流化床燃烧技术研究在富震宗教授的领导下, 为解决白山、红石两个水电站建设的燃料供应问题, 开始研究桦甸油页岩的流化床燃烧特性, 此后桦甸油页岩的流化床燃烧进入工业应用阶段。并于于1992 年开始承担原能源部电力工业重点科技项目,会同东方锅炉厂和国家电力公司西安热工研究院共同开发出65 t/ h 低倍率循环床油页岩电厂锅
20、炉。3 台用于吉林省桦甸油页岩示范热电厂,其中1 号锅炉于1996 年8 月一次点火成功,现已运行三年多,锅炉运行稳定、效率高、负荷调节特性好,受热面系统无明显磨损,是目前世界上投入商业运行的最大容量燃用油页岩的循环流化床锅炉。长期商业运行实践表明,该锅炉总体性能居国际先进水平。Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineeri
21、ng，简称ASPEN）,并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。该软件经过20多年来不断地改进、扩充和提高，已先后推出了十多个版本，成为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。它的一个重要的特点是可以处理固体和电解质物流。例如固体的粉碎和分离、固体的粒度的分布.ASPEN PLUS也可以表示出煤和矿石物流。ASPEN PLUS使用面向问题的图形化输入，比较容易掌握。在进行流程模拟时，只要提供1)流程结构:2)单元操作和物流的联系;3)单元操作的条件;4)由物性库中所选择的物性模型，流程的计算就会自动进行。 一个大的
22、流程可以用许多模块来表示。每一个模块表示了ASPEN PLUS系统中的一个模型子程序。一个单元操作可以用一个模块或几个模块来表示。ASPEN PLUS稳态模拟软件的平台己经成为计算化工.、冶金行业强有力的软件工具.。然而我国对Aspen Plus的应用主要在化工设计方向，近年来已在煤的燃烧、气化和生物质气化领域得到了广泛的应。陈汉平、赵向富、米铁、代正华，在气流床煤气化工艺的基础上，采用化工流程模拟软件ASPEN PLUS 111中的物性数据库和单元模块对煤气流床共气化进行了模拟计算。考察了生物质与煤不同质量配比下的气化结果，分别与单独生物质气化及煤气化结果进行了比较，为工艺条件的确定提供理论
23、基础。然而将其用于模拟生物质燃烧的报道尚不多见. 鉴于AspenPlus在生物质能利用研究中的优势,本文采用其对生物质燃烧过程进行模拟计算.综上所述，目前循环流化床模型的发展，考虑了流体动力学模型、传热模型和燃烧模型(包括污染物排放模型)三个子模型。炉内的实际情况是复杂的，数学模型已经由开始简化的一维或准二维模型，向三维发展。在已有的各种循环流化床模型基础上，依赖流体计算软件、编程、仿真等计算机强大的计算功能以及人们的不断努力，循环流化床模型将会向多维发展，能够更好的反应实际循环流化床的流动、传热以及燃烧特性，进一步完善模型，使人们更加了解和掌握循环流化床锅炉的内部特性、设计以及良好的运行。1
24、.3 本课题主要研究内容及方法本课题运用aspenpluse软件平台建立了油页岩循环流化床锅炉的燃烧模型，对燃烧中NOx的生成进行了模拟计算并研究影响NOx生成的影响规律。1对65t/h循环流化床锅炉燃烧过程进行研究，建立适用的aspen pluse燃烧模型；2将模拟结果与实际实验得出结果对比，确定aspen pluse模拟循环流化床锅炉燃烧的可行性。3对模型重新搭建，使模型更接近与实际燃烧情况。4对燃煤循环流化床燃烧分别进行不同温度和不同过量空气系数的燃烧模拟；5对油页岩的燃烧进行不同温度和不同过量空气系数的燃烧模拟，以了解油页岩循环流化床锅炉内温度和过量空气系数对NOx排放特性方面的影响。
25、6通过模拟结果分析，为油页岩循环流化床的设计和实际运行提供一定的数据参考。 第2章循环流化床锅炉燃烧过程研究2. 3 结构特点65t/ h 低倍率油页岩循环床电厂锅炉为单汽包自然循环、半塔式室内布置、全钢结构炉架。炉膛四周由膜式水冷壁组成,炉膛下部为密相区、中间为稀相区、上部为对流烟道。过热器和蒸发段布置在对流烟道内,整个炉膛为全悬吊结构。锅炉尾部在对流烟道内布置有省煤器和管式空气预热器。炉膛与尾部烟道间布置有中温(525 ) 旋风分离器及U 型返料器。粒径为010 mm 的油页岩从炉前4 个给煤点送入锅炉,由鼓风机送入的燃烧所需要的空气82 %经空气预热器加热至240 后,其中的78 %作为
26、一次风经炉膛底部布风装置送入燃烧室,余下22 %作为上二次风从锅炉侧墙送入燃烧室。18 %的冷空气直接送入风水共冷排渣控制冷却器,对锅炉底部排出的大颗粒灰渣进行流化和冷却,冷却器出口风温达260 ,作为底部二次风从燃烧室侧墙送入燃烧室。锅炉燃烧过程中产生的大颗粒灰渣由燃烧室底部排出,通过风水共冷排渣控制冷却器降至约150 后排入除渣系统。燃烧室内的温度控制在850 左右。携带固体颗粒的高温烟气通过炉膛上部对流烟道进入分离器,被分离器收下来的固体颗粒经返料立管和U 型返料器部分或全部送回燃烧室内实现循环燃烧。返料器由单独的高压罗茨风机控制,通过改变回料的送风量来调节固体颗粒循环量。为方便负荷调节
27、,在锅炉循环回路中还设有贮灰仓。离开旋风分离器的热烟气进入尾部对流烟道,经省煤器及空气预热器冷却后排出锅炉。锅炉总体结构见图1 图1锅炉总体结构图1- 一次风室2- 给煤机3- 燃烧室4 - 主蒸汽出口集箱5- 过热器6 - 蒸发管束7- 分离器8- 省煤器9- 分离器灰仓10- 回料阀11- 二次风口12- 空预器 油页岩颗粒呈片状结构油页岩不同于其它固体燃料，特殊的物理结构决定其破碎后呈片状结构且具有良好的自相似性。因此油页岩投入流化床后，其片状结构特性导致迎风表面积剧烈变化。最大投影面积迎风时为稳态流化；最小投影面积迎风时则颗粒失流而沉积，种现象在燃烧室边壁外更为明显。油页岩的片状结构特
28、性，极易导致沟流，而形成局部死区。为保证在流化床中油页岩获得高的流化质量、床中颗粒混合均匀，根据65t/h炉的运行经验确定流化床热态运行风速为5-6m/s，同时布风板处配置较高的小孔气流速度为50-60m/s。 挥发分含量高桦甸油页岩的挥发分含量很高，空气干燥基为41.89。根据对桦甸油页岩的实验研究，油页岩循环流化床密相区燃烧份额约为0.5-0.6而通常燃烧褐煤的循环流化床密相区为0.7-0.8燃烧无烟煤循环床密相区燃烧份额在0.9以上，与它们相比，油页岩将有很大比例的可燃物质在稀相区燃烧和燃尽。为保证可燃气体和极细颗粒一次燃尽，减小化学不完全燃烧热损失应采用较低稀相区流速。这样可使可燃气体
29、和固体物料在炉内停留时间延长，使锅炉获得高燃烧效率。同时由于稀相区处燃烧份额高，大量热量将会被带出炉膛，这势必使主循环回路吸热量少，而尾部对流受热面吸热量多。如对于劣质燃料约有60热量需带至尾部对流受热面；对于优质燃料如烟煤，则只有40热量带至尾部对流受热面。因此在燃烧油页岩的循环流化床锅炉总体设计中应周密考虑对流受热面的设计。3. 1着火特性在循环流化床锅炉实验台冷态条件下, 启动试验。采用床下燃烧液化石油气产生的高温烟气点火方式, 这样在油页岩点火升温过程中容易控制 4 。加热床料及整个炉膛, 床料最好选择油页岩循环流化床燃烧后的油页岩灰渣, 并经过处理而成3mm 以下的颗粒 5 。逐渐加
30、大液化石油气供应量和控制一次风量, 当底部床层温度升350# 左右时, 适当加入实验用的油页岩, 从观察孔观察是否有火星从炉膛下部溅出, 如果没有, 说明此时油页岩颗粒没有燃烧, 暂时停止加入油页岩, 继续升温。继续密切观察是否可见火星从炉膛下部溅出, 如果有, 说明此时油页岩已经开始着火燃烧, 这时候再慢慢少量投入油页岩, 床层温度将开始逐渐升高。那么这时的温度就是油页岩的冷态着火温度。当油页岩着火燃烧后逐渐投入油页岩, 当床层温度上升到800度 左右时, 再逐渐减少液化石油气投入量, 此时油页岩可以顺利着火, 并过渡到稳定燃烧工况。根据油页岩的点火时间及床层温度的记录, 可以绘制实验油页岩
31、的点火特性曲线图, 根据点火特性曲线图可以分析油页岩着火温度、床温变化、燃气切断以及稳定燃烧等过程的时间及温度变化情着火温度对于决定何时投油页岩具有重要意义。投油页岩过早, 加入的油页岩不但不会燃烧, 而且还会降低床层内物料温度, 最重要的是油页岩在床内积累过多, 由于油页岩的挥发分含量就高, 随着温度升高, 这样一来会致使床层可燃挥发分析出量的增加, 当油页岩达到着火温度时, 床层温度就会因大量挥发分的燃烧而迅速升高, 可能发生油页岩的剧烈燃烧引起结焦甚至产生爆燃。如果投油页岩过晚, 会增加点火时间和浪费点火燃料液化石油气的消耗量, 进而难于判定油页岩的点火温度。因此, 根据油页岩的点火特性
32、, 在实际设计大型油页岩CFB锅炉时, 要设计好床层附近的蓄热及保温措施。在实际锅炉点火启动运行过程中, 当床层温度升高到着火温度之前, 可以适当投入一部分油页岩, 同时要密切注意炉膛着火情况以及炉内床层温度和尾部烟气含氧量的变化。如果床层温度升高异常, 则立即停止投入油页岩, 当床层温度升高到着火点时再投入油页岩, 这样可以防止点火过程中发生的爆燃及结焦等情况。另外, 在实际锅炉点火升温运行中将受到诸多因素的限制, 所以需要确定合理的升温速度等措施。3. 2 稳定燃烧特性实现油页岩着火燃烧之后, 炉膛下部密相区因吸热量多, 温度将会在较短的时间内升高到850度左右, 但是
33、炉膛上部稀相区以及旋风分离器的灰循环温度升高速度较慢。CFB 锅炉实验台开始是以鼓泡流化床方式运行, 随着炉膛下部分床层以及密相区温度的稳定, 逐渐采取加大投入油页岩量、加大一次风量、投入二次风和循环灰等措施, 逐渐使床料达到完全流化状态, 使CFB 锅炉实验台运行方式从鼓泡床流化床运行方式逐渐过渡到循环流化床运行方式, 当整个炉膛温度和循环灰回路的温度分布均匀时, 锅炉系统进入稳定燃烧阶段。此时需要测量炉膛各处温度以及灰循环系统的温度, 如果各处温度分布均匀, 而且炉膛燃烧稳定, 灰循环量稳定, 温度没有异常变化, 说明油页岩CFB 锅炉试验台运行稳定。通过各处温度分布的均匀性, 可以判断出
34、油页岩稳定燃烧特性。在设计油页岩CFB 锅炉时, 对于挥发分高的燃料, 应该考虑挥发分的燃烧对燃烧份额的影响 4 ,所以应该适当分配油页岩CFB锅炉密相区、稀相区等区域的燃烧份额, 实现稳定燃烧。实际锅炉运行时, 由于炉膛内存在大量的惰性高温床料, 如灰渣和脱硫剂等, 热容量很大, 新加入的燃料如果按照重量计算只占床料的很少一部分, 因此, 新加入的燃料很快将被周围的高温床料加热到着火燃烧, 而且对床温不会造成大的冲击。3 . 4 油页岩的燃烬特性与循环倍率的确定油页岩的流化床燃烧是快速升温燃烧, 页岩油母中不同键能的化学键在很短的时间内快速断裂,产生大量的挥发分, 从而在页岩内部产生较大的内
35、压力,致使裂解产物通过页岩内部产生的缝隙, 以较大速度喷出。喷出的挥发分使氧气不易达到粒子表面,致使点火燃烧在气相中进行, 而后, 氧气才能扩散到粒子内部进行固定碳的燃烧。虽然油页岩的固定碳含量较煤少得多,但由于其灰分含量高达55 % , 着火燃烧后形成很厚的灰壳。导致油页岩焦炭的燃烧随碳转化率的深化, 其灰壳的扩散阻力逐渐增大而成为控制因素。研究表明, 对于固体燃料在燃烧过程中气体通过其表面灰层的扩散传质而言, 并非灰层中所有的孔隙都是有效的,有效扩散孔隙率随表面灰层厚度的增加而呈指数规律减少。其扩散系数及燃烧比速度随燃烧过程中灰层的增厚而减少。此外, 在油页岩的燃烧过程中,前段的挥发分燃烧
36、阶段的速度快而后段的固定碳燃烧速率慢在试验条件下, 燃烧转化率达到90 % 所需时间为3 0s , 而燃掉余下10 % 则需100s，其燃烧后期反应能力很差。因此,如不有效地组织燃烧很难燃烬使其大颗粒灰渣内部存在黑心而不能烧透。多台油页岩流化床锅炉运行中都暴露出这一问题因此对于油页岩循环流化床燃烧除选择合适的筛分范围降低颗粒的平均粒度、减少灰层的传质阻力、选择合适的燃烧温度外, 设置物料循环系统实现颗粒的循环燃烧对桦甸油页岩是极其重要的。对于桦甸油页岩, 由控制密相区的温度为85 0 和具有高的燃烧效率等因素要求, 由试验确定其循环倍率为6。3.5返料系统主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主
37、要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。主循环回路不仅直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计、系统布置，而且与运行性能有直接关系。随锅炉容量增大，回料量相应增加，因此在分离器回料口附近区域，局部的固体物料负荷会增加很多，导致流化恶化和风帽堵塞。对于大型循环流化床建议回料管采用裤衩管式结构，将循环物料均匀分散在一个大区域内，保证床内流化正常。返料阀采用流动密封阀为宜，这种返料阀便于对循环灰量调节，使锅炉运行稳定。第3章循环流化床锅炉燃烧基本过程模型3.1材料油页岩选用桦甸油页岩，其工业
38、分析和元素分析结果如表1所示表1 桦甸油页岩工业分析和元素分析 项目种类工 业分 析元素 分析全水1()灰分、()挥发分乂()发热量。1/碳匚()氢&()氧0()氮叱()硫5()桦甸油页岩10.954.8280.78 37420.42.549.820.5051.015桦甸油页岩2#14.454.2986.597 90919.12.428.500.420.873.2建立CFB锅炉循环系统的物理模型CFB 锅炉的循环系统通常由炉膛、分离器、立管、回料器等部件构成。此系统将飞出炉膛的、较粗的、可燃的固体颗粒通过分离器捕集下来经立管、回料器回送入炉膛。燃煤进入炉膛后，其中一部分在密相区燃烧，另一部分随
39、气流向上并进入分离器，经分离器分离下来的物料通过回料器回送入炉膛实施循环燃烧。我们将C F B 锅炉的燃烧看作一般锅炉的一次燃烧和系统的循环燃烧叠加。在炉膛中的燃烧沿炉膛高度可分为密相区的燃烧和稀相区的燃烧。进入分离器的物料有随燃料一次上升直接进入分离器的部分及循环物料两部分，循环物料要考虑经过炉膛时的燃烧减重。燃烧所需的空气进入锅炉，生成的烟气从炉膛经分离器离开循环系统。对于循环系统来说，稳定状态下，始终有循环物料在系统内流动，从分离器逸出的飞灰将由进入系统的燃料一次上升进入分离器的部分扣除循环燃烧减重所得的质量得到补充，系统将处于周而复始的循环运行状态。这就是我们所讨论的CFB 锅炉循环系
40、统的物理模型。其系统原理如图1 所示。显然，该模型具有真实、客观、物理概念清晰的优点。图2 C FB 锅炉循环系统原理图3.2模型建立为了更简便地应用该软件描述油页岩的燃烧过程,给出以下假设: 燃烧炉处于稳定运行状态,所有参数不随时间发生变化; 油页岩燃烧时,先热解释放出挥发份并产生焦炭,再燃烧; 热解后的产物在炉内燃烧时反应温度唯一,即所有反应的反应温度相同; 燃烧过程中燃料和氧分布均匀; 油页岩热解、燃烧反应完全; 整个模拟过程中没有压力损失; 油页岩燃料中的氮均转化为HCN、NH3和NO; 燃烧速度很快,只受化学反应速度控制,能够达到理想的化学平衡; 油页岩中的灰分为惰性物质,在燃烧中不
41、参与反应. 3. 2. 1构建燃烧流程燃烧模拟流程如图1所示.其过程主要包含干燥反应模块、分离反应模块、裂解反应模块、燃烧反应模块。干燥反应模块使用化学计量反应器， 裂解反应模块使用收率反应器,燃烧反应模块使用平衡反应器(Gibbs自由能最小)，分离模块分别使用两股出料闪蒸。3.2.2干燥模块 启动软件后，在工具栏中将流股和模块名称设置为手动设置。干燥模块选用化学计量反应器，即规定反应程度和转化率的化学计量反应器。由于在干燥模块中同时产生干燥油页岩和水两种产物，需要设置一分离器，作者选用flash2（两股出料闪蒸），与干燥化学剂量反应器一起完成油页岩的干燥部分，这样也就增加了一条额外流股，我们
42、定义为IN-DRIER流股。 在该模块中，输入输出单位定义为公斤米秒制，流股定义为MCINCPSD(混合惰性非常规固体)。根据65t/h油页岩循环流化床锅炉参数，设定w-o-sh（湿油页岩）流股信息：温度为25摄氏度、压力为一个标准大气压、油页岩流量为24215kg/h，NITROGEN(干燥用氮气)流股信息：温度为132摄氏度、压力为一个标准大气压、气体流量为12107.31kg/h，其中氮氧比设定为0.999:0.001。根据桦甸油页岩的常规分析数据，输入物流w-o-sh的相应的工业分析、元素分析，其数据见表格1、2。 元素比重（%）Mar2.9FCad3.6Vad41.89Aad51.6
43、1表1油页岩工业分析元素比重（%）Aad53.78Cad31.63Had4.37Nad0.73Sad1.00Oad7.76表2油页岩元素分析输入反应方程式oilshale0.029H2O,完成本模块搭建和设置设置控制模块。本模块主要涉及三个问题，即供给的油页岩中所含有的水分、油页岩中转化为水的百分比和已干燥的油页岩中所含的水OILSHALEIN*=OILSHALEOUT*+OILSHALEIN*CONVOILSHALEIN=OILSHALEOUT+OILSHALEIN*CONV其中OILSHALEIN：湿油页岩的质量流量OILSHALEOUT：IN-DRIER中油页岩的质量流量H2OIN:湿油
44、页岩中水分的含量H2ODRY: IN-DRIER中油页岩水分含量CONV:在干燥模块中油页岩转化为水的百分比公式1是水分平衡方程，公式2是总物质平衡。由此，可推出公式3CONV=在计算模块中通过公式3保证这三个规格持续运行通过这个控制模块来设置流程信息，能够让我们实现对不同案例的模拟。3.2.3裂解模块模型中的油页岩和循环灰定义为非常规组分,通过输入工业分析和元素分析数据来模拟油页岩物流.其中循环灰的元素分析和工业分析如下表3表4.元素比重（%）Mar0.00FCad0.00Vad0.00Aad100.00表3油页岩工业分析元素比重（%）Aad100.00Cad0.00Had0.00Nad0.
45、00Sad0.00Oad0.00表4油页岩元素分析由于Aspen Plus处理非常规物质的复杂性,一般方法是使用RYIELD模块将煤等分解为具有相同质量和发热量的由碳、氢等纯净元素和其他化合物、灰等组成的常规物流混合物. 其中,灰被处理为具有特定物性的纯元素,然后再通到平衡反应器中进行计算. 但通常这与实际的反应过程相差较大. 为了更加真实反映油页岩燃烧过程的实际情况,本文以已有文献的研究结果为基础( 温度对油页岩快速热解的影响.王军等, 2010) ,建立了以典型油页岩快速热解产物为主的油页岩裂解收率模型,包括各裂解产物和各产物占总产物的质量分数.裂解产物定为: O2、H2、H2 O 、C
46、、CO 、CO2、CH4、C3H6 (环丙烷) 、CH3OH、C3H6O (丙酮) 、C4H8 (丁烯) 、C2H4O (乙醛) 、C8H8O2 (苯甲酸甲酯) 、HCN、NH3、NO、S和灰.油页岩燃烧过程中,燃料N的释出主要在挥发分燃烧阶段和焦炭燃烧阶段,而这两个阶段N析出的形式有所不同.油页岩挥发分燃烧阶段N析出的主要方式为HCN 和NH3 ;而焦碳燃烧阶段N 的析出主要是NO. 本文在模型中予以区别对待,根据选取的主要产物,设定油页岩燃料N全部转化为挥发分N和焦炭N,而挥发分N转化形式为HCN和NH3 ,焦炭N转化形式为NO.综合有关油页岩燃烧过程中N 在挥发分燃烧阶段和焦炭燃烧阶段析
47、出量的研究结果 ,在模拟中分别设定挥发分N与焦炭N的摩尔比为32和41的两种情况进行研究,发现模拟结果在数值上的变化很小,模型最后设定的挥发分N与焦炭N的摩尔比为32.挥发分N 在燃烧中的转化形式为HCN 和NH3 ,而HCN和NH3的生成量受热解温度、氮的存在形态及氮氧比等诸多因素的影响. 为了简化计算,将NH3和HCN的摩尔比选取为191,从而确定裂解收率模型中3 种NOx 前驱体的摩尔比为n (NO)n (NH3 )n (HCN) = 40573.根据对油页岩燃烧和油页岩快速热解过程中生成物的实验研究结果(宋文丽等, 2010) ,确定收率模型中CO 、CO2、CH4、C3 H6 (环丙
48、烷) 、CH3 OH、C3H6O (丙酮) 、C4 H8 (丁烯) 、C2 H4 O (乙醛) 和C8H8O2 (苯甲酸甲酯) 按质量收率分别定为301629%、5. 922%、12. 309%、3. 314%、5. 272%、61456%、2. 684%、3. 435%和1. 643%. 采用自定义的Fortran模块根据油页岩的工业和元素分析数据控制其余各产物的收率,从而完成裂解模块的设置.油页岩在不同的热解温度下,其典型产物的收率会略有不同,但变化并不明显(王军等, 2010).研究中亦对分解模块进行调整,采用不同的分解产物收率,发现NOx 的产量几乎没有变化,故可认为在不同燃烧温度下分解模型均是稳定不变的. 3. 2. 4燃烧模块燃
