1、SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348Aspen Plus在循环流化床锅炉模拟中的研究现状*基金项目 山西大学第十九期本科生科研训练项目（2021019060）；山西省高等学校大学生创新创业训练计划项目（2021017）；2021 年省级大学生创新创业训练计划项目（202110108017）收稿日期：20220415；修回日期：20220603作者简介：刘士旸（2000），男，山西霍州人，在读本科，主要从事能源与动力工程研究，E-mail：。刘士旸，李东雄，李锦蓉摘要：本文简单描述了 Aspen Plus 软件与循环
2、流化床锅炉流程，阐述了软件模拟现状，详细介绍了学者们对循环流化床锅炉模拟的模块选择，总结了当前模拟研究的不足，并分析展望了未来发展方向。关键词：Aspen Plus；循环流化床锅炉；流程模拟中图分类号：TP391.9；TK229.6+6文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.01.128（山西大学，山西太原030013）文章编号：1674-9146（2023）0112805循 环 流 化 床 锅 炉（Circulating Fluidized BedBoiler，CFBB）凭借燃料适应性广、燃烧效率高、污染排放低、负荷调节广等优点，现在已经广泛利用于电
3、站锅炉；加之我国“多煤贫油少气”的能源结构决定了循环流化床（Circulating Fluidized Bed，CFB）是劣质燃料期望的燃烧技术，具有广泛的发展前景。然而，由于该技术现仍存在热利用效率低、烟气污染物排放影响因素复杂等问题，因此记录锅炉运行各项数据，寻求提高锅炉效率及降低污染的方法，具有重要意义。Aspen Plus 是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度分析和经济评价的标准大型化工过程模拟软件，具有简易化图形输入的特点，拥有完备的物性数据库，凭借优势广泛应用于石油化工领域，现已逐渐扩展到电力行业1。1软件的应用CFBB 通常包括炉膛、旋风分离器（气旋固体分离器）、固体颗粒再循环装置，
4、此外，再依据实际情况在烟道及之后安装脱硫脱硝除尘装置。其中涉及到固相与气相的混合燃烧、固相颗粒的处理等方面，而 Aspen Plus 恰好具有固体处理模块，如模拟旋风分离器、布袋除尘器的气固分离模型、分离器模型，同时可以模拟煤和灰等非常规物流，具有良好的配合性。煤化工及煤发电行业等进行了模型适应性检验。如赵伟杰等2利用 Aspen 模拟了 CFB 的稳态流程，精确计算出了各模块间每一流股的物性参数。罗志3基于 Aspen 建立了 130 t/h CFB 煤拔头工艺模型，采用不同物性方法，对比验证了热解气体冷却及分离系统的可靠性。赵伟刚等4建立了 CFB 煤气化模型，对照实测数据，检验了软件模拟
5、的准确性。陈宝明等5利用 Aspen 建立了 75 t/h 的 CFBB，分析了未燃尽碳的分布规律，通过实测数据与模拟计算结果的对比，检验了 Aspen 模拟燃煤锅炉的可行性。随后学者们对 Aspen 模型进行了完善，并根据对比分析，得出各因素对烟气的影响。梁慧6建立了 300 MW CFBB 的 Aspen 的模型，模型中具体确定了模型组分设置、煤和灰的物性计算方法，并对反灰温度和分离效率、烟温与煤种的关系进行了分析，分析得出：省煤器出口烟气与炉膛反灰温度偏高是由于热损失考虑不全且忽略了炉膛内部由于物料流动混合导致的温度不均；返灰温度与分离效率呈正相关；校核煤的挥发分高与设计煤种导致燃烧热高
6、，工质在相同吸热量下高温工质温度偏高。颜湘华等7在建模过程中嵌入了 Fortran 语句，利用模拟计算结果，验证了脱硫效率随钙硫比（Ca/S）、增湿水量、颗粒浓度的增加而增大，同时发现高脱硫时模拟值与实验值偏差增大。江成林8在模型中利用计算器模块编写 Fortran 语句来规定煤裂解产物的收率，选定了非常规组分煤和灰的具体计算的焓与密度模型，将热效率和煤燃烧效率的计算公式配合到 Aspen 模型中，利用经验公式同时依据颗粒在炉膛内的分布规律，提出了一种简化的模型计算煤的燃烧效率。王龙飞等9将 CFBB 模型外循环倍率设定为 40，并且细化了煤热解模块的 Fortran 语应用 技 术Appli
7、ed Technology-128-2023 年 1 月总第 348 期句，借助模型分析了 CFBB 的分布，发现锅炉损失主要发生在排烟与机械不完全燃烧，具体变化为 0.13 MW/1。表明提升锅炉热效率应从排烟温度及煤的品质来控制。李娟等10基于 Aspen Plus 建立了 600 MW 超超临界 CFBB，其在产率反应器后增加了化学计量反应器来模拟煤热解产物生成，同时增加了模拟氮还原区的反应器，研究了过量空气系数对排烟气体组分浓度、排烟温度的影响。明祥栋等11-12在 Aspen 中建立了包含石灰石-石膏法脱硫、选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，
8、SCR）脱硝的 0.3 MWth CFB 模型，借此分析得出，燃烧温度升高、过量空气系数增加时 NOX、SOX生成逐渐增加，温度升高脱硝效率升高的同时 SO3生成增加，由数据得出极大值点为 380，脱硫脱硝效率分别随钙硫比（Ca/S）、氨氮比（NH4/N2）升高至 1.05 之后的趋势为先增加后趋于平稳；又建立600 MW 超临界 CFBB 进行分析，探究电站系统耗能分布和煤泥掺烧对机组的影响。LiuZecheng 等13通过建立的具有燃烧和换热过程的 600 MW 超临界CFBB 进行分布分析，着重分析了过量空气系数变化时锅炉效率和换热器热量变化，同时预测了SO2等随之变化的情况。同时，CF
9、B 在其他方面的利用也可以建立模型进行研究。刘忠慧14建立了 CFB 煤气化炉，分析了氧煤比、蒸汽煤比、气化压力、空气/蒸汽预热温度、散热量等单个因素以及过量空气系数、氧气浓度、烟气返回比例对主要气化指标的影响。Shi Yan等15建立了一个以燃煤褐煤加锯末的三燃料 CFBB型燃烧系统，分析了燃料、氧气浓度、烟气循环模式与温度对系统的影响。2CFB 的软件模拟结合文献与山西国峰电厂运行检测报告，以燃烧和烟气处理部分为主，将具体流程分为煤裂解、密 相 区 和 疏 相 区 燃 烧、选 择 性 非 催 化 还 原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）脱硝、旋
10、风分离、物料循环、炉外半干法脱硫、布袋除尘、空气预热和水加热蒸发再热，建立基于 AspenPlus 的 300 MW CFBB 模型，见图 1。2.1物性方法在 Aspen Plus 中，模 型 的 物 性 方 法 选 择“PR-BM”，煤和灰设置为“非常规物质”，其焓模型、密 度 模 型 分 别 设 置 为“HCOALGEN”“DCOALIGT”，煤的焓模型输入“6111”，灰输入“1111”（4 个数字分别代表燃烧热、生成热、热容和焓基准），输入煤对应的工业分析、元素分析、硫分析和燃烧热，完成设置。图 1基于 Aspen Plus 的 300 MW CFBB 模型循环返料分离固体硫酸钙 1
11、灰 1水 2烟气 3给水烟气 4热水再热蒸汽烟气 1空气烟气 5氧化钙 2热空气烟气 6烟气 7灰 2灰 3硫酸钙 2氧化钙 3二次风炉膛流股 2尿素氨水 1过热蒸汽出 口 再 热 蒸 汽氧化钙 1热解产物一次风煤炉膛流股 1烟气 2煤热解区密相区配风装置疏相区脱硝区空气预热器脱硫装置布袋除尘器反灰装置尿素热解区省煤器管式换热器旋风分离器返料分离器应 用 技术Applied Technology-129-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.3482.2模型的简化假设由于实际 CFBB 结构和运行反应都比较复杂，因此基本对
12、模型进行了如下简化假设。1）不考虑散热损失与漏风。2）系统处于稳态，并且所有变量不随时间发生变化。3）煤热解产物完全为单质，燃烧由平衡控制。4）炉膛分为密相区和疏相区两个燃烧区域，换热模块与燃烧模块相分离。5）各流程物料混合均匀，使其具有统一压力、温度。2.3CFBB具体模型煤从煤流股进入煤热解区（产率反应器）模块进行热解，以纯单质（C、H2、O2、N2、S）、灰和未燃尽碳为产物，借助计算器流程选项，输入Fortran 语句模拟煤热解，代码如下。FACT=1-WATER/100FACT2=COAL/(ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)FACT3=CNADD/(ASHADD+C
13、NADD+COAL+BACKCAO)FACT4=ASHADD/(ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)H2O=WATER/100*FACT*FACT2ASH=ULT(1)/100*FACT*FACT2+FACT4C=ULT(2)/100*FACT*FACT2*0.96+FACT3*0.94H2=ULT(3)/100*FACT*FACT2N2=ULT(4)/100*FACT*FACT2S=ULT(6)/100*FACT*FACT2O2=ULT(7)/100*FACT*FACT2CN=ULT(2)/100*FACT*FACT2*0.04+FACT3*0.06CAO=BACKCAO/(
14、ASHADD+CNADD+COAL+BACKCAO)其中，FACT2、FACT3、FACT4 分别为煤、未燃尽碳、灰占输入煤与返料灰、碳、氧化钙之和的比例；ULT()为煤的元素分析中各元素的质量分数；C、S 等为煤热解单质的收率。王龙飞等9在公式中体现了未燃尽碳比例；但以元素分析对应的单质为热解产物可能造成模型中的烟气成分不符合实际情况。许多学者对煤实际燃烧产物进行了研究，证实并非为各元素单质。郑默等16获得的产物为焦炭、焦油和部分气体等煤主要热解产物，以及部分小分子气体、苯、苯酚、萘等特定产物。徐展等17通过气相色谱仪分析，得出枣庄褐煤催化热解的主要气体成分为 H2、CO、CO2、CH4和
15、C2+（C2H4、C2H6、C3H6、C3H8）。除上述气体成分外，脂肪族、萘等含碳碎片会随温度的变化而变化，Zheng Mo 等18基于 GMD-Reax 的 ReaxFF-MD模拟方法，对柳林烟煤进行了分子表征的热解反应，从而研究了不同温度条件下的初始分解机理和产物分布。同时，CFBB 中的 NOX主要来自于燃料型氮19，并非模型中先热解为 N2再转化为 NOX。白浩隆等20利用流化床反应装置研究得出的 4 种主要气态氮产物 HCN、NH3、NO 和 NO2的释放规律也揭露了模型设定的理想性。由上述煤热解产物的变化过程研究可得出煤燃烧过程的复杂性，设定确定的几类产物代表煤热解产物终究会带来
16、模型的局限性，Aspen 模 型 未 来 可 以 将 热 解 产 物 设 定 为ReaxFF-MD 模拟方法的计算产物，以此来模拟更接近真实的热解过程及热解产物。热解产物及一次风先进入密相区模块（吉布斯反应器）模拟密相区燃烧，之后再与二次风一同进入疏相区模块（吉布斯反应器）模拟疏相区燃烧，此反应器依据分相后吉布斯自由能最小化的原则计算平衡1。产生的烟气及固体颗粒伴随着尿素热解区（化学计量反应器）产生的氨气进入脱硝区（吉布斯反应器）模拟脱硝。明祥栋等11-12采用将平推流反应器设置于旋风分离器之后的方式来模拟 SCR 脱硝。烟气随后进入管式换热器（多流股换热器）模块，与从省煤器过来的水换热，以此简化水冷壁、过热器、再热器等换热设备6,9-10。明祥栋等11-12采用换热器冷却烟气以确保烟气之后的温度符合要求。陈宝明等5采用多个换热器来模拟换热流程。而较为详细的蒸汽动力循环子系统模型通常采用换热器模拟冷凝器、两流股换热器模拟高低压加热器、压缩机模块透平机械模拟汽轮机各个压力工况、泵模块模拟水泵等，蒸汽动力循环子系统模型由各模块连接而成12-13,15,21，或配合当作过热器、再热器集合的多