（热能工程专业论文）循环流化床混烧石油焦脱硫特性数值模拟和实验研究.pdf

堡塑查兰堡主堡苎 摘要 百油焦是炼油工艺的副产品 与煤相比 石油焦是一种灰分较低 具有一定挥发份的高热值燃料 石油焦着火迟 燃烧困难t 属于劣质燃料 随着世界石油重质化 劣质化和原油深度加 二的发展 石油焦 产量不断上升 如何经济 离效和清洁利用石油焦是各国共同关注的问题 硫含量在2 5 的高硫打油焦 通常认为是燃料级石油焦t 由于大多数石油焦都属于高硫石油焦 所以在石油焦的利用上 通过燃烧回收 热最是主导方向a 目前 利用循环流化床技术将煤石油焦和煤混烧是一种高效 清洁利用石油焦的有效方 法 石油焦和煤燃烧产生的二氧化硫排放导致了严重的酸雨污染和人类健康问题 这种状况将随着我国能 源需求的增加和石油焦产量的扩大而日益严重 为了研究石油焦和煤混合燃料在循环流化床中二氧化硫的 排放特性 本文首次对循环流化床混烧石油焦和煤的脱硫特性进行了数值模拟 为了能够精确地模拟和预测循环流化床脱硫过程 本文首先建立了一个可靠的单颗粒脱硫模型 该单 颗粒脱硫模型建立在比较成熟的s u r e 2 模型基础上 并充分考虑到反应温度 反应物浓度以及脱硫剂孔闭 塞等因素对脱硫效率的影响 由于单颗粒脱硫模型需要耦合到循环流化床整体动态数学模型中 才能对循环流化床锅炉的脱硫特性 和脱硫效率进行模拟和验证 本文的第二项工作就是建立循环流化床整体动态数学模型 主要是建立燃烧 系统的数学模型 燃烧系统数学模型主要包括气固流动模型 煤和石油焦燃烧模型 传热模型以及固体颗 粒物磨耗模型等若干子模型 本文建立的循环流化床锅炉炉内环核结构的气同流动模型 不仅可以反映炉 内气固浓度沿轴向的分布 还可以体现气固浓度分布的径向不均匀性 建立了完整的煤和石油焦燃烧过程 数学模型 包括煤干燥 挥发分析出和燃烧 以及焦炭和石油焦的燃烧模型 建立了循环流化床锅炉受热 面传热的完整数学模型 包括密相区传热 稀相区传热以及炉膛上部悬挂受热面的传热 在建立循环流化 床锅炉燃烧系统子模型时 考虑到了循环流化床内物料的宽筛分特性 根据颗粒的粒径将各种物料划分为 若干档 分别建立各档物料的模型 然后根据各档颗粒的尺寸分布叠加得到锅炉的各种实际参数 在整体动态模型的基础上 通过耦合单颗粒脱硫模型 以东南大学热能工程研究所0 6 t 洲 t h 循环流化 床热态试验装置为模拟对象 对循环流化床锅炉的脱硫特性进行模拟 对该试验装置的二氧化硫排放浓度 以及各种运行参数 如钙硫比 一次风率 床温以及过量空气系数对脱硫效率的影响进行了仿真计算 仿真结果与试验结果在数值和变化趋势上获得一致 基本反映了本文模型建立的准确性平l 可信性 关键词 脱硫 循环流化床 石油焦 数值模拟 混合燃料 变堕查兰堡主造苎 a b s t r a c t p e t r o l e u mc o k e sa r eb y p r o d u c t so fs o l i dr e s i d u a l sf r o mt h ec r u d er e f i n i n gp r o c e s s c o m p a r e dw i t ht h ec o a l p e t r o l e u mc o k ew i t hl i r l ea s hc o n t e n ta n dl o wv o l a t i l ec o n t e n ti sd i f f i c u l tt oi g n i t ea n db u mc o m p l e t e l yw i t ht h e c a p a b i l i t yd e v e l o p m e n t o f c r u d er e f i n i n g m o r ea n dm o r e p e t r o l e u mc o k ei sp r o d u c e d i tb e c o m e st h eu r g e n ti s s u e h o wt od i s p o s et h eg r e a td e a lo fi n d u s t r i a lw a s t ec l e a n l y e c o n o m i c a l l ya n de f f i c i e n t l yf o rm o s to fc o u n t r i e s t h e c o k ew i t ht 1 1 es u l f u rc o n t e n tb e t w e e n2 0 0 a n d5 0 0i s u s u a l l y u s e da sf u e l b e c a u s em o s to fc o k eh a sh i g h s u l f u rc o n t e n t i ti sq u i t ep o p u l a rt ob u mp e t r o l e u mc o k ea n dm a k eh e a tr e c o v e r nc u r r e n t l y i ti sc l e a n e ra n dm o r e e f f e c t i v ew a yt ob u r np e t r o l e u mc o k eb l e n d e d 州伽c o a li nc i r c u l a t i n gf i u i d i z e db e d c f b b o i l e r t h es 0 2e m i s s i o nf r o mc o a la n dh i g ls u l f u rp e t r o l e u mc o k ec o m b u s t i o nc a u s e ss e r i o u sh u m a nh e a l t h p r o b l e ma n da c i d r a i n p r o b l e m t h i ss i t u a t i o nw o u l dg e te v e nw o r s ew i t hi n c r e a s i n ge n e r g yd e m a n da n d p e t r o l e u mc o k eo u t p u ti nc h i n ai no r d e r t os t u d yt h es 0 2e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc f bb o i l e rb u r n i n gc o a la n d p e t r o l e u mc o k e as y s t e m a t i ca n dd y n a m i cn u m e r i c a lm o d e lo nt h ed e s u l f u r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nc f b b o i l e r b u r n i n g c o a la n dp e t r o l e u mc o k ew a s d e v e l o p e d f o rt h ea c c u r a t es i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no ft h ec f bb o i l e rd e s u l p h u r i z a t i o n f i r s t l y ar e l i a b l es i n g l e s o r b e n tp a r t i c l ed e s u f u r i z a t i o nr e a c t i o nm o d e jw a sd e v e l o p e d t h i sm o d e li se s t a b l i s h e do nt h eb a s eo ft h e s u r e 2m o d e l w h i c hi sam a t u r em o d e l t h ee f f e c t so ft h er e a c t i o nt e n p e r a t u r e t h er e a c t a n tc o n c e n t r a t i o n a n d t h ep o r eb l o c k i n gp r o p e r e o f t h el i m e s t o n ep a n i c l e sw e r ec o n s i d e r e di nt h em o d e l i no r d e rt oc o u p l et h es i n g l ep a r t i c l ed e s u f u r i z a t i o nm o d e lw i t ht h eo v e r a l ld y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e lo f c f bb o i l e r t h en e x ts t e pi nt h et h e s i sw a st od e v e l o pa no v e r a l ld y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e l m a i n l yi n c l u d i n gt h e c o m b u s t i o ns y s t e mm o d e l c f bb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e mm o d e lc o n s i s t so fs e v e r a ls u b m o d e l s i n c l u d i n gf l u i d d y n a m i c s c o c o m b u s t i o no f c o a la n dp e t r o l e u mc o k e h e a tt r a n s f e r p a r t i c l ea t t r i t i o na n ds oo n ac o r e a n n u t u s f l u i dd y n a m i c sm o d e li sp r e s e n t e di nt h et h e s i s w h i c hc a l lm o d e lb o t ht h ea x i a la n dt h er a d i c a lp r o f i l e so f g a sa n d s o l i d si nt h ef u l a c e c o a la n dp e t r o l e u mc o k ei nt h ec f bb o i l e rf u r n a c eu n d e r g oh e a t i n ga n dd r y i n g d e v o l a t i l i z a t l o na n dv o l a t i l e c o m b u s t i o n s w e l l i n ga n dp r i m a r yf r a g m e n t a t i o n a n dc h a rb u r n i n g i ns u c c e s s i o n c o m p r e h e n s i v eh e a tt r a n s f e r m o d e lw a sd e v e l o p e d i n c l u d i n gh e a tt r a n s f e ro fm e m b r a n ew a l la n dt u b eb u n d l e sm o u n t e di nt h eu p p e rp a no f f u r n a c e t h ep a n i c l e sw i t hw i d es i z ed i s t r i b u t i o nw e r ec o n s i d e r e di na l lt h es u b m o d e l s t h et h e s i st o o kt h eo 6 m w t hc f bp i l o t s c a l ef a c i l i t yo fs o u t h e a s tu n i v e r s i t yf o rt h em o d e lo b j e c ta n d s i m u l a t e dt h ed e s u l p h u r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f c f bb o i l e rt h r o u g hc o u p l i n gt h eo v e r a l lm o d e la n ds i n g l ep a r t i c l e d e s u f u r i z a t i o nm o d e l f u r t h e rm o r e e f f e c t so fs e v e r a lp a r a m e t e r s s u c ha st h ec a sr a t i o t h ep r i m a r ya i rf r a c t i o n t h ef u r n a c et e m p e r a t u r ea n dt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n to nt h ed e s u l p h u r i z a t i o ne f f i c i e n c y w e r ea l s os i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n td a t ai n t h et r e n d w h i c hi n d i c a t e st h e p r e c i s i o na n dc r e d i t a b i l i t yo f t h e m o d e l d e v e l o p e di nt h et h e s i s k e y w o r d s d e s u f u r i z a t i o n c f b p e t r o l e u m c o k e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m i x e df u e l s i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 益至挞日期 型 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论 文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 缢牢壶k 导师签名 豳垂目期 竺兰 一 东南人学硕士论文 第一章绪论 1 1 洁净燃烧技术在我国的发展状况 1 1 1 世界及我国的能源 环境现状 迄今为 t 世界上的能源消费仍以化石燃料为主 而煤是世界上储量最多的化石燃料 根据国际能源 署 1 e a 的统计和预测 煤炭在全世界总的一次能源结构中的份额在今后几十年内不会有很大的变化 全世界总的一次能源结构如表1 1 所示 而煤炭发电在世界电力生产中所占的份额也是最高的 表1 2 为 1 9 7 3 年和1 9 9 9 年全世界电力生产的结构情况 表1 1全世界一次能源的构成情况 年份煤炭 石油 天然气 核能 水能 可再生能源及废弃物能源 其它 9 7 32 4 94 5 01 62o91 8l l1ol 1 9 8 82 3 53 5 02 0 76 8231 1 10 5 2 0 1 0 2 2 73 6 92 1 g5 62 31 06 2 0 2 02 263 7 02 3 9 4 22 31 0 0 表1 2 全世界电力生产结构 1年份煤炭 石油 天然气 核能 水能 其它 1 9 7 3 3 832 4 6 1 2 13 32 1 00 7 l 1 9 9 93 8 18 51 7 11 7 21 7 5 1 6 煤炭是我国的主要能源 1 9 9 6 年我国原煤产量达1 3 9 7 o b t t 在一次能源中占7 4 8 它提供了7 6 的发电能源 7 5 的工业燃料和动力 8 0 的民用能源和6 0 的化工原料 根据国家科委中国科技促进 发展研究中心1 9 9 0 年对我国的能源结构所作的预测 到本世纪5 0 年代 煤炭仍将是我国主要的一次能源 煤在一次能源中的比重很难低于5 0 这一比例在今后很k 时间内都不会有很人的改变 煤炭的大最开采和利用带来了严重的环境问题和生态问题 中国煤炭资源的一火特点是高硫煤的比重 很大 据调查 在保有储量中 高硫煤占1 3 主要集中在西南和中南地区 煤燃烧后会产生大量的灰 渣以及二二氧化硫 氨氧化物 粉尘 重金属等有害排放物污染环境 调查结果显示 绝人部分环境污染都 与能源的开采和利用有关系 尤为突出的是 近年来由于 二氧化硫排放引起的酸雨污染己十分严重 而且星现加重的趋势 1 9 9 7 年 全国降水年均p h 值范围在3 7 4 7 7 9 之间 从全国城市的酸雨统计数字上看 降水年平均p h 低于5 6 的城市有4 4 个 占统计数字的4 7 8 其中 7 5 的南方城市降水年平均p h 值低丁 5 6 在统计的城市 中 7 1 7 的南方城市出现过酸雨 部分城市酸雨出现频率甚至人于9 0 从全国各个区域的统计数字来 看 华中是全国酸雨污染最严重的地区 降水年平均p h 值低于50 酸雨出现的频率大于7 0 西南酸 雨污染也很严重 除重庆外 中心区域降水年平均p h 值低丁 5 9 酸雨出现的频率为7 0 华南酸雨区 主要分布于珠江三角洲以及广西中东部地区 1 9 9 7 年部分城市降水酸度有所降低 但酸雨出现的频率较上 年有所上升 以宜宾 贵阳 重庆为代表的西南高硫煤地区的城市和北方能源消耗量大的山西 山东 河 北 辽宁 内蒙古及河南部分地区的城市也是二氧化硫污染较为严重i 勺地区 1 根据1 9 9 9 年的调查 酸雨 覆盖面积已经 1 国土面积的4 0 以上 更令人担忧的是 随着煤层开采深度的增加 煤中含硫量将逐年增大 加上煤炭产簧的逐年提高 总 豹s o 年排放量也将运年增人 表 3 说明了这种增长趋势 从表中同样可以看出来 火力发电站的s o 东南大学硕士论文 排放量占全国总的排放量的比例也逐年提高 表1 3 我国s o 2 年排放数据 全国火电站 年份 煤耗量1 0 t平均硫 s 0 排放蠡1 0 t煤耗量1 0 1 t平均硫 s 0 排放量1 0 t t 9 8 26l2 51 2 0 0 111 6 2 3 0 1 9 8 68 9l 2 6 1 8 0 0 l61 7 24 0 0 2 0 0 01 4l6 03 6 0 0 4 02 0 01 4 0 0 除了s o 排放导致的酸雨污染外 燃煤造成的其它污染也很严重 除了环境问题外 能源短缺已经成为制约我国经济发展的主要因素 作为能源消费大国 中国每年都 需消耗大量的矿物燃料 尤其是近年来 随着国民经济的发展 每年的能源消耗量也随之迅速增加 到九 十年代 我国每年的能源消耗量已超过1 0 亿吨标准煤 在全国的能源总消耗中 煤炭约占7 5 石油约 占1 7 1 1 作为我国的主要能源煤和石油 其资源十分有限 据有关部门预计 到下个世纪 煤和石油资 源将逐步枯竭 石油焦是石油炼制过程中的最终产物 随着世界石油需求量的逐年加大 石油焦的产量也逐渐增大a 表1 4 显示出1 9 9 6 年和1 9 9 7 年世界石油焦产量的对比 目前的数据已经远大于这个数据 随着石油焦的 产量增大 如何科学和高效地利用石油焦成为一个世界性的问题 在能源日益短缺的今天 将石油焦作为 燃料回收其热值是最主要的利用方式 石油焦作为燃料有以下的优点 l 由于石油焦的灰分和水分含量 低 减少了燃料和灰渣的运输和处理费用 降低非计划停工频率 2 热值高 约3 2 5 3 x 1 07 j 蚝 而烟煤 一般为2 4 4 0 x1 0 7 3 0 2 1x1 0 7 j k g 3 可利用廉价的粗型石灰石 4 燃用石油焦生产蒸汽的成本比燃煤 要低3 0 4 0 5 给料粒径不需要很小 6 易于粉碎 石油焦h a r d g r o v e 指数约为1 0 0 而煤约5 0 石 油焦作为燃料也有不足之处 1 挥发分含量低 一般为1 0 丽煤为2 0 4 0 着火迟 焦炭难以燃 烬 2 石油焦成份里含有相当多的硫 氮元素和钒 镍等碱金属元素 是造成腐蚀 沾污和污染物排放 的原因 为此 当以石油焦为燃料时 应选择台适的燃烧方式和燃烧设备 以达到高效低污染燃烧目的 面对日益紧张和严重的能源和环境问题 如何高效和洁净利用能源 已经成为一个迫切需要解决的问 题 将煤和石油焦作为混合燃料燃烧成为一个有效的解决途径 1 9 9 6 芷 1 9 9 7 芷 国家加工能力m t a石油焦产量m v a占世界比例 加工能力m a石油焦产量m t a 占世界比例 美国 9 8 02 9 4 6 6 49 78 3 2 96 5 4 前苏联 1 29 33 7 4 1 2933 6 5 中国1 67 l73 8 1 67 l733 阿根廷1 5 2 16 36 5 9 l53l 德国 461 3 29 58 l32 6 世界 1 7 8 84 431 0 0 i8 3 6 5 0 31 0 0 1 1 2 洁净燃烧技术 从2 0 世纪7 0 年代开始 世界各国开始研究和发展高效 洁净的燃烧和发电技术 是典型的方式包括 常规煤粉锅炉电站 烟气脱硫和烟气脱氮装置 p c f g d s c r 采用循环流化床锅炉的发电技术 c f b b 增压流化床联台循环发电技术 p f b c c c 东南大学硕士论文 整体煤气化联合循环发电技术 i g c c 这几种发电技术的优缺点如表i5 所示 表l5 几种洁净煤发电技术的比较 燃煤和发电技术优点缺点 p c f g d技术成熟 副产石膏 能满足环保要求 尺寸大 占地面积多 投资较人 沾污后设备易受腐 蚀 c f b b易于操作 降低污染物排放 有好的性能价 排出的灰未经烧结 而且含有硫酸赫 n o 排放量高 格比 燃料适应 生广 p f b c c c结构紧凑 煤种适应性广 发电效率高 高温除尘有难度 周体添加和排放的技术难度大 需 特殊的燃气轮机 i g c c污染物排放低 发电效率高技术难度大 装置系统复杂 投资较高 1 2 循环流化床技术 1 2 1 流化床锅炉技术的特点 流化床技术是二十世纪2 0 年代德国人发明的 当时是化工领域的一项新技术 由于在流化床中 物 料剧烈混合 充分接触 可以加快化学反应的速度 因而该技术在化工领域得到越来越广泛的应用 到了 6 0 年代 流化床开始被应用于燃烧过程 1 早期发展的流化床锅炉多为鼓泡床锅炉 燃料适应性广 能够通过分级送风和低温燃烧有效控制n o 的生成和排放 通过炉内添加石灰石低成本降低s o 排放等优点 但是 鼓泡流化床锅炉应用过程中 存 在一系列严重的问题和缺陷 如埋管受热面磨损严重 燃烧效率低 难于大型化等等 循环流化床锅炉技术是在常压鼓泡流化床技术的基础上发展起来的 与鼓泡流化床相比 循环流化床 不但具有鼓泡流化床的优点 而且也克服了鼓泡流化床的缺点a 循环流化床锅炉中有大量细灰参与循环 使得它的流动 燃烧和传热与鼓泡流化床有很大区别 大量固体颗粒的循环流化床以及更合理的热最释放分布使温度沿床高分布趋于均匀 不再需要在 密相床中铺设埋管 通过采用分离器将炉膛逸出的颗粒收集并参与再循环 提高了燃烧效率和脱硫效率 更高的风速使得床内气固混合更加剧烈 传热能力更强 更高的稀相区物料浓度大大增强了稀相区受热面的传热系数 提高了燃烧室的使用效率 因此更 易于大型化 另外 与酸泡流化床锅炉相比 循环流化床锅炉具有更好的负荷调节能力 特别是在负荷调节比要求 较高的调峰电厂和负荷波动较大的白备电厂中 循环流化床锅炉是最佳的选择 近年来 循环流化床技术还在石油焦燃烧 垃圾焚烧 生物质燃烧和煤粉炉尾部烟气脱硫等方面得到 人量的应用 这些显著的特点 尤其在 洁净 燃烧方面的优点 是循环流化床锅炉在全世界范嗣内快速发展的重 要原因 1 2 2 循环流化床锅炉技术的发展状况 目前 循环流化床锅炉已经是国外洁净煤技术中一项比较成熟的技术 与其它技术相比发展速度和研 制水平较高 正在向大型化方向发展 国外在八十年代初开始循环流化床燃烧技术的研究开发工作 以环保为基本目标 面向燃烧羊 电力市 场开发循环流化床燃烧技术 到目前为止 已经形成了一些主要的技术流派 查堕查兰堡主笙兰 以德国鲁奇 l u r g i 公司为首开发的以热灰循环 绝热旋风筒 外置换热床为特色的技术在大容塌的 开发道路上走得较快a 世界上晟大的2 5 0 m w 循环流化床锅炉就是采 l 3 这样的技术 而且该技术在不断向其 他的锅炉制造商转让 如a b b s t e i n 等 该技术的特点是凋温 排放特性好 主要缺艏是系统复杂 成 本高 运行水平要求较高 美国福斯特惠勒 f w 从8 0 年代开始循环流化床锅炉的研制1 作 他们开发的带i n t r e x 外部流化床 换热器的循环流化床锅炉是其特色 也是当今流化床的重要流派之一 近年来 祸斯特惠勒公司在循环流 化床锅炉紧凑布置方案的应用利大型化方面做出了很大的贡献 芬兰奥斯龙公司 a h l s t r o m 公司开发的p y r o f l o w 型循环流化床技术采用热灰循环 绝热旋风筒 炉 内布置受热面 d 管等技术 其优点是过程简单 没有外部流化床热交换器 缺陷是旋风筒笨重 易发 生应力破裂 美国福斯特惠勒公司于1 9 9 5 年贝下了奥斯龙公司锅炉部分的全部股份 接管了奥斯龙公司 在全世界各地的业务 德国的巴布考克 b a b c o c k 公司采用被称为c i r c u f l u i d 的技术 其标志是采用中温旋风筒 炉膛上部 布置受热面和炉体呈半塔式布置 优点是旋风筒稳定性好 体积缩小 可靠性增强 缺点是排放指标较高 人型化困难 另外还有美国b a t t e l e 实验宝开发的多种固体循环流化床 m s f b c 和瑞典s t u d s v i k 公司开发的使用惯 性分离器的循环流化床等 目前已经投运的最大容量的循环流化床锅炉为法国g a r d a n n e 电厂的2 5 0 m w 机组 7 0 0 t h 最大容 量带飞灰燃尽床的流化床锅炉是日本竹原电厂的3 5 0 m w e 鼓泡床锅炉 迄今 国外运行 在建和计划建设 的循环流化床发电锅炉有2 5 0 多台 1 0 0 2 5 0 m w 的循环流化床锅炉已经商业运行 正向3 0 0 6 0 0 m w 级发 展 近2 0 年来 循环流化床技术在国内也得到迅速的发展 目前 国内近2 0 个主要锅炉厂都从事着循环 流化床的设计和制造 2 2 0 t h 以下容量的循环流化床锅炉在国内已经得到大面积推广 实现了商品化 大 约已经有几千台在制造和运行中 4 1 0 t h 循环流化床锅炉己开始投入商业运行 引进的再热超高压循环流 化床技术 已经有数十台在制造和运行中 拥有自主知识产权的国产技术2 0 0 m w e 循环流化床锅炉示范工 程也正在积极筹划之中 我国在大力自主开发的同时 加强了国际合作 2 0 0 3 年4 月我国与法国a l s t o n 公司签订了引进2 0 0 3 5 0 b f f l rc f b 锅炉技术的协议 利用引进技术在四川建造世界上最大的3 0 0 m wc f b 锅 炉 我国已经成为世界上循环流化床锅炉总蒸发量最大和台数最多的国家 可以断言 循环流化床锅炉在 我国得到很好的发展 将在不久的将来获得更快的发展 并提高到一个新的水平 但是总的来看 国内在设计 制造中小型循环流化床锅炉方面有一定的经验 但在先进技术的开发和 应用方面与发达国家还有较大的差距 国内对循环流化床的研究还存在以下问题未解决 对循环流化床锅炉内在过程的理解还不够深入 对循环流化床锅炉运行参数的匹配规律不很清楚 对循环流化床锅炉动态特性及控制策略的研究很不充分 对循环流化床锅炉的脱硫机理的研究还有待加强 对循环流化床混烧石油焦及其他燃料的燃烧特性和污染物摊放特性的研究不充分 循环流化床锅炉大型化过程中的许多问题尚未解决 现在国内运行或者国产的循环流化床锅炉中相当部分不添加石灰右脱硫 因此其二氧化硫的排放并不 比一般的锅炉低 如果不添加 灰石脱硫 那么循环流化床锅炉 特别是大量中小型循环流化床锅炉的使 用将无助于环境问题的改善 随着循环流化床大型化和环保要求的e t 益提高 循环流化床锅炉脱硫运行是 大势所趋 就目前来看 国内不但缺乏循环流化床脱硫的经验和脱硫一l 况r 运行的数据 而且对脱硫的机 理和添加脱硫剂对循环流化床锅炉运行整体影响的研究还不是很充分 为了充分发挥循环流化床锅炉洁净 燃烧的优势 必须从工程实践和理论研究两方面对脱硫予以足够的重视 国外的运行经验表明 循环流化床锅炉中脱硫剂的添加不仅对 二氧化硫的排放有影响 而且由于炉膛 d i 臻查兰望圭堕苎 内添加了大量固体脱硫剂 这些脱硫剂对循环流化床中气固两相流的流动状态 排渣 飞灰的成分和粒径 分布 以及床内固体物料的性质都有很大的影响 国外运行的锅炉一般都是通过添加大剂量脱硫剂脱硫 循环流化床锅炉添加大量脱硫剂虽然能够减小 s 0 2 气体的烟气污染 但是大大增加了固体废弃物以及温室气体c 0 2 的排放 带来了废弃物的处置问题 和二次污染 同时 还会增加灰处理成本 降低锅炉效率 妨碍n o 减排等其它不利影响 n n 女n n n 符和控制参数 在减少s o 排放的同时减少脱硫剂的使用量成为当前国外研究的重点 要解决这些问题 开展循环流化床建模与仿真研究特别是脱硫特性的建模和仿真是1 n 常重要的和有意 义的 1 2 3 循环流化床混烧石油焦的应用和研究现状 迄今为止 利用循环流化床锅炉混烧石油焦是最成功的利用石油焦的方法 f o s t e rw h e e l e re n e r g y 公 司 c o m b u s t i o np o w e r 公司 p y r o p o w e r 公司 a b b 公可和h u r g i 公司等是利用流化床燃用石油焦技术的 倡导者 到目前为止 已有多台燃用石油焦的流化床锅炉投入工业运行并获得成功 表1 6 显示了世界上 循环流化床混烧石油焦的一些业绩 在1 9 8 8 年至1 9 9 2 年问 f o s t e rw h e e l e re n e r g y 公司分别为三家公 司提供了四台循环流化床锅炉 容量最大的两台1 0 0 m w 锅炉 是为c i t g op e t r o l e u mc o m p a n y c o n o c o i n c v i s t ac h e m i c a lc o m p a n y c u l fs t a t e su t i l i t i e s 这几家公司合资组建的n i s c o 公司提供的 从1 9 9 0 年开始建设 1 9 9 2 年9 月投入运行 锅炉燃用1 0 0 的延迟焦 采用炉内石灰石脱硫运行 结果表明 由 于燃用石油焦 使生产蒸汽和电力的成本大大下降 而s o n o 等污染物的排放又远远低于美国1 9 9 0 年排放法规限制 其它几家公司的试验及运行结果也同样表明 利用流化床锅炉可以高效率 低污染地利 用石油焦 尤其是高硫石油焦 是处理石油焦的有效途径之一 在国内 将石油焦用作循环流化床锅炉也 已有先例 镇海炼化公司在炼油8 m t a 扩建工程中 其热电站的设计就采用了美国f w 公司循环流化床锅 炉技术 目前这些锅炉己投入运行 南京金陵石化热电联合车间引进的两台美国f w 公司的2 2 0 t h 循环流 化床锅炉 按照煤和石油焦发热量l l 设计 于2 0 0 2 年1 月交付生产 目前各主要设备运行正常 表1 6 循环流化床锅炉烧石油焦业绩表 国家或地区企业容量 t h 投用时间燃料 韩国o r i e n t a l 化工公司1 2 0 1 9 8 4 石油焦1 0 0 煤1 0 0 韩国 k u k d o n g 石油公司 1 2 01 9 8 8石油焦1 0 0 煤1 0 0 韩国 s u n y o n g 纤维公司 1 3 01 9 8 8石油焦1 0 0 油7 0 等 日本o m i k e n s h i 公司3 51 9 8 8石油焦1 0 0 沥青渣1 0 0 等 台湾 y u e nf o o n g y u 造纸公司1 3 01 9 8 8 石油焦1 0 0 沥青渣1 0 0 美国 m o r g a n t o w n 电力公司 1 3 01 9 9 2石油焦1 0 0 沥青渣1 0 0 羹国b i t u m i n o u sp o w e rp a r t n e r s1 8 0 1 9 9 2 石油焦1 0 0 沥青渣1 0 0 荧围 n i s c o 热电厂3 7 5 2 1 9 9 2石油焦1 0 0 美国c i t yo f m a n i l o w o c 9 01 9 9j石油焦1 0 0 烟煤j 0 0 等 韩国 s u n k y o n gf i b r e s 公司 2 0 01 9 8 9石油焦1 0 0 沥青渣1 0 0 等 美国 f o r th o w a r d 纸业公司1 4 51 9 8 8 石油焦 烟煤 美国加州水泥公司 9 01 9 8 5煤1 0 0 石油焦7 0 中国镇海炼化股份公司2 2 0 21 9 9 7石油焦1 0 0 中国盘陵石化热电厂2 2 0 22 0 0 2石油焦5 0 煤5 0 中国镇海炼化股份公司 4 1 0 22 0 0 3石油焦5 0 煤5 0 利用循环流化床锅炉技术燃烧石油焦与煤是高效 低污染处理石油焦的最佳方式 但燃用壬i 油焦c f b 锅炉的发展 与其它工业装备 样 f 业实践领先下科学研究 并对科学研究提出了要求 循环流化床中 石油焦与煤的混烧特性研究还非常薄弱 存在的问题还很多 有的问题直接影响到锅炉的运行和污染物的 查塑茎兰塑 堡壅 排放a 为此 有必要就这一方面作详细 系统的研究 为合理和清洁利用石油焦开辟出一条新路 本文所 研究的课题正是围绕解决这一迫切问题而展开的 东南大学热能工程研究所洁净煤发电与燃烧技术教育部 重点试验室建造了 座中试规模的循环流化床试验装置 对循环流化床混烧石油焦进行了系统性研究 本 文将围绕该试验装置对循环流化床混烧石油焦脱硫特性进行数值模拟和仿真 1 3 循环流化床锅炉建模与仿真 1 3 1 建立循环流化床锅炉数学模型的意义 建立循环流化床脱硫模型及整体动态模型的意义主要有以下几个方面 判断机组动态特性的优劣 也就是 检查它会不会对运行及控制带来特殊困难 是否具备有效 的控制手段和足够的控制裕度 分析改变锅炉结构参数对动态性能的影响 对设计方案进行比 较 从而提出从结构上改善动态特性的根本途径 系统地研究锅炉的运行特性 提出合适的运行规程 设计合理的控制系统 并选择台适的系统 工作参数或状态 提高机组运行的安全性和经济性 目前循环流化床锅炉控制系统的研究还刚 刚起步 特别是对于整体控制策略的研究还十分缺乏 运用循环流化床锅炉的数学模型对锅炉 的运行特性进行系统的分析 将为控制系统的优化打下良好的理论基础 对于循环流化床锅炉建立动态的数学模型以及脱硫模型 可以进一步探索降低二氧化硫和氮氧 化物排放的措施 体现出流化床洁净燃烧的特点 国内外对循环流化床的模型研究已进行了很多年 许多研究者建立了各式各样的数学模型 但是由丁二 循环流化床的燃烧 流动 传热等机理与常规煤粉锅炉有很大的区别 对于这些机理的研究目前还很不充 分 这就给循环流化床锅炉的数学模型尤其是动态数学模型的建立带来的很大的难度 因此目前还没有 建立一个完善的满足各方面要求的模型 往往是针对循环流化床某一方面的特 l 生建立数学模型 如循环流 化床的脱硫性能模型 来研究和模拟循环流化床内脱硫剂的硫化特性 循环流化床混烧石油焦是最近几年才开始的尝试 目前的研究还主要停留在试验上 早在二十世纪六 七十年代 国外就开始了石油焦燃烧特性的基础性研究工作 研究内容包括 石油焦的燃烧特性 燃烧的 反应动力学参数 燃烧速率 着火特性 燃烬特性和污染物排放特性 但是在循环流化床混烧石油焦时的 燃烧特性和污染物排放特性的基础性研究在国内还是空白 为了给循环流化床混烧石油焦试验和j i 业运行 提供参考性数据 以及了解和掌握循环流化床混烧石油焦的燃烧和污染物排放机理 对循环流化床混烧石 油焦展开数值建模和模拟 成为一项迫切的工作 本文上e 是在前人研究循环流化床的动态数学模型的基础 上 建立循环流化床混烧石油焦的动态数学模型和脱硫模型 对循环流化床混烧石油焦时的燃烧和二氧化 硫的排放特性展开研究 1 3 2 一维模型 一维模型最具代表的是德国s i e g e n 大学的循环流化床的数学模型 德国s i e g e n 大学近2 0 年来在循 环流化床模型建设方面做了卓育成效的工作 s i e g e n 大学建立的一维循环流化床模型已经成为目前世界上 最为完善的循环流化床的一维数学模型 清华大学在与德国s i e g e n 大学合作的基础上 建立2 2 0 t h 循环 流化床锅炉动静态数学模型 一维循环流化床的动 静态数学模型虽然比较成熟 但是由于它不能如实地反映循环流化床内横向的 气固浓度分布差别和温度场的横向变化 而循环流化床内的内外循环的存在对于循环流化床的传热和传质 是相当重要的 1 3 3 环核结构模型 为了克服一维模型不能反映循环流化床内横向物料特性的变化 根据循环流化床内存在环形区和核心 区 建立了循环流化床的环核数学模型 我国的浙江大学在循环流化床锅炉的理论 设计以及试验等方面 6 东南大学硕士论文 都进行了卓有成效的研究 建立了循环流化床锅炉的数学模型 对稀相区的气固两相环核结构流动 该模 型是以考虑流化床内各组份轴向扩散的物料平衡为基础的 模型耦合了颗粒燃烧和磨损及气体的均相反 应 最具代表性的环核结构为国际能源署 i e a 建立的循环流化床锅炉燃烧系统的静态数学模型 4 法 国电力公司 e d f 在容量为1 2 5 m w e 和2 5 0 m w e 两台电站循环流化床锅炉运行数据的基础上建立的循环流 化床静态数学模型和动态数学模型 和我国浙江大学建立的循环流化床环核结构的数学模型 虽然许多研究者在将环核结构的数学模型用于循环流化床静态数学模型研究上进行了大量的工作 但 在动态模型和污染物生成及脱除模型尤其是二氧化硫脱除模型上的研究还不是很充分 还有人餐的工作要 做 1 3 4 三维c f d 模型 随着计算机技术的发展 三维的c f d 数学模型也成为研究的重点 三维模型通常采用有限体积法或有 限元法求解 三维模型可以详细地模拟炉内的流场和温度场以及任意气体和固体的浓度分布情况 但循环流化床的整体动态模型以及脱硫模型涉及到燃烧 传热等过程 计算过程十分复杂 针对循环 流化床锅炉燃烧以及化学反应的c f d 模型并不多见 许多研究只模拟了循环流化床的气同两相流动 到目前为止 耦合有循环流化床锅炉内的燃烧 传热 固体物料的破碎 磨损以及化学反应的c p d 模 型还没有出现 所以针对循环流化床的c f d 数学模型 特别是耦合有流动 燃烧 传热 化学反应以及磨 损和破碎的c f d 模型需要进一步的深入研究 1 4 本文的工作任务及内容安排 虽然三维的c f d 模型能够很好地模拟和研究循环流化床内的各种过程 但是建立包含有燃烧 传热 两相流 化学反应以及固体物料磨损和破碎的非常完善的三维c f d 模型目前还存在很大的困难 3 各种技 术准备和研究还不充分 还处在探索之中 远没有达到完善的地步 而且建立三维的c f d 模型需要耗费大 量的计算时间 所以本文将在比较完善的环核模型上建立自己的循环流化床混烧石油焦的动态运行特性和 二氧化硫脱除模型 本文将结合循环流化床的最新研究成果 特别是在动态环核结构数学模型和二氧化硫脱除模型的基础 上 针对以石油焦和煤为混合燃料的0 6 m w 循环流化床中试装置 着重研究循环流化床内气固浓度分布 燃烧 传热等对二氧化硫的生成以及脱除的影响 更充分地发挥循环流化床洁净燃烧的特点 为设计和运 行提供理论基础 本文的研究内容安排如f 1 第一章为绪论 介绍本文工作的选题背景 介绍循环流化床锅炉的发展概况以及国内外对循环流 化床锅炉的数学模型以及循环流化床脱硫数学模型的研究现状及存在的问题 确定本文t 作的重点 2 第二章在s u r e 2 模型的基础上建立一个全面的可靠的单颗粒脱硫模型 3 第三章建立循环流化床锅炉气嘲流动数学模型 主要是根据循环流化床内的环核气固流动结构 分别建立了密相区流动模型和稀相区流动模型 4 第四章建立循环流化床的燃烧子模型 主要包括煤和石油焦干燥 挥发分析出模型 煤和石油焦 颗粒燃烧模型 并给出石灰石的煅烧模型 5 第五章建立循环流化床炉内的传热数学模型 主要建立了循环流化床密相区的传热模型 稀相区 的对流传热和辐射传热数学模型 为t 保 i i e 模型的可扩展性 并能应用到人型的循环流化床锅炉 本 文建立了炉内受热面的传热模型 6 第六章建立循环流化床物料平衡模型 考虑到循环流化床内物料的宽筛分分布 建立了浏体颗粒 的破碎和磨损模型 建立了整体物料平衡模型 并给出循环流化床整体物料平衡计算方法和流程 7 东南火学硕士论文 7 第七章建立循环流化床整体数学模型 给出了建立整体数学模型的方法 整合了前面几章所建立 的单颗粒脱硫模型 燃烧模型 传热模型 气l 剖流动模型和物料平衡模型 为仿真计算提供程序