毕业设计（论文）-基于aspen pluse的油页岩CBF燃烧NOx生成模拟.doc

第1章绪论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4750亿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,目前探明储量超过6000亿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、含油率第1章绪论2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（CirculatingFluidizedBed）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。AspenPlus作为流程模拟软件，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。AspenPlus（AdvancedSystemforProcessEngineering）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。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第1章绪论3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,第1章绪论4政府认为“油页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解法。WeiB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)也由该小组建第1章绪论5立，并且在此基础上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、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65t/h低倍率循环床油页岩电厂锅炉。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。AspenPlus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。AspenPlus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”（AdvancedSystemforProcessEngineering，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第1章绪论6Plus。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.ASPENPLUS也可以表示出煤和矿石物流。ASPENPLUS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。一个大的流程可以用许多模块来表示。每一个模块表示了ASPENPLUS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。ASPENPLUS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AspenPlus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ASPENPLUS111中的物性数据库和单元