【CFB专刊】西安交通大学杨冬教授团队：基于Aspen Plus的超超临界循环流化床锅炉的性能计算及分析|反应器|洁净煤技术|流化床|超临界|锅炉

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循环流化床(CFB)锅炉的大型化和高参数化具有节能和环保双重效益，从亚临界参数提高到超临界参数，发电效率可提高3.0%，若采用超超临界参数，热效率还可以提高 2%～4%，大型化与高参数化是CFB锅炉技术发展的必然趋势。

目前大型化与高参数化的循环流化床锅炉的基础理论与设计计算还不完善，尤其是超超临界CFB锅炉，因此对于其运行模拟以及在运行条件变化时锅炉主要参数的预测尤为重要。Aspen Plus软件应用于煤解耦燃烧技术，以降低NOx排放，特别是降低N2O排放。

本文建立的煤耦合燃烧模型中，煤解耦燃烧过程分为3个阶段：① 煤颗粒在RYield反应器中热解后，在化学计量RStoic反应器中合成煤热解产物；② 热解产物在GIBBS反应器中烧尽，于CFB顶部安装的旋风分离器中分离气体、灰及未燃烧尽的煤颗粒；③ 煤焦燃烧生成的NOx、N2O与热解气相产物中含氮化合物NH3，在燃烧区上部发生还原反应，降低NOx、N2O的排放。

基于Aspen Plus建立的660 MW超超临界循环流化床锅炉煤解耦燃烧模型中，模拟了循环流化床燃烧室中一次风配比对密相区气体组分浓度以及过量空气系数对排放烟气组分浓度的影响，定量计算了过量空气系数和一次返料比例对中温过热器、低温过热器出口汽温和低温再热器、省煤器出口烟温的影响。

01660MW超超临界CFB锅炉

660 MW 超超临界CFB 采用单炉膛单布风板结构，M型布置，4个汽冷旋风分离器，分别对应4个中温过热器外置床，一次中间再热，尾部双烟道结构，前烟道布置低温再热器，后烟道布置低温过热器，低温再热器温度由挡烟板调节，2台回转式空气预热器，8个排渣口。

图1 660 MW超超临界CFB锅炉汽水流程

基于AspenPlus的CFB锅炉仿真模型构建

等效热解模型

在等效热解模拟过程中，煤颗粒的快速热解过程在Aspen Plus的内置模块反应器(RYield)中完成，煤颗粒先等效分解为元素C、元素S、H2、N2、O2、Ash。若煤全部转化为煤气，则无法计算碳转化率、能量平衡不严格，因此需释放部分煤来模拟煤的不完全转化，定义为UBC(未燃尽碳)，作为非常规物质(NC)，故模块RYield的输出物流组分为C、S、H2、N2、O2、Ash和UBC。

简约解耦燃烧模型

热解产物在热力学平衡反应器GIBBS模块中进行解耦燃烧，燃烧后的气体、UBC(未燃尽碳) 和Ash在循环流化床顶部的旋风分离器(CYCLONE模块)中分离，输出2股物流：一部分为分离出的全部气体和少量固体颗粒的烟气流，进入尾部烟道，与低温过热器、低温再热器和省煤器等尾部受热面进行换热后，经空气预热器和飞灰收集系统，最后由烟囱排入大气；另一部分为大量固体灰分颗粒和未燃尽碳(UBC)，经分离模块(SEP1)分成2股组分相同的物流，分别返回下炉膛用于控制炉膛温度和进入外置床与中温过热器换热后返回下炉膛，以维持主循环回路固体颗粒平衡。返回下炉膛的物流均先经过SSplit模块，将固体灰分颗粒(Ash)和未燃尽碳(UBC)分开，仅允许未燃尽碳(UBC)返回下炉膛进行循环，Ash作为灰渣排出。

系统模型创建

分别通过了RYield 模块和RStoic模块对煤等效热解过程进行建模，GIBBS模块对热解产物燃烧过程进行建模，由于在CFB锅炉中注入二次空气将锅炉大致分为密相区和疏相区，因此通过2个GIBBS模块模拟炉中的燃烧过程。炉膛中水冷壁、高温再热器、高温过热器的换热过程采用MHeatX模块建模，使用CYCLONG模块对旋风分离器的分离过程进行建模，考虑到旋风分离器中的后燃烧，应用GIBBS模块。最后，烟气到达尾部烟道，与低温再热器、低温过热器、省煤器的换热过程用HeatX模块建模。

图2 基于Aspen Plus 的660 MW 超超临界CFB锅炉流程

动态仿真结果与讨论

总风量不变时，随着一次风比例增大(即二次风减少)，密相区CO2浓度增大，CO浓度减少，SO2浓度先增大后减少，这是因为一次风增多，密相区O2含量增多，CO、CH4燃烧生成的CO2量增大；H2S转化为SO2量增大，当O2含量增加到一定程度时，H2S与O2的燃烧反应达到平衡，不再有SO2生成，此时SO2含量达到最大，而密相区气体总量不断增多，故SO2浓度逐渐减少。

图3 一次风比例对密相区组分浓度的影响

增大过量空气系数可明显降低SO2和SO3排放。660 MW超超临界循环流化床煤解耦燃烧过程中，过量空气系数越大，产生的NO和N2O越多。在不影响锅炉燃烧的情况下，应适当减小过量空气系数，以降低NO和N2O的排放量。

图4 SO2、SO3、NO和N2O浓度随过量空气系数变化曲线

过量空气系数增大，对中温过热器和低温过热器出口汽温的影响不大，但对低温再热器出口烟温和省煤器出口烟温的影响较大。随着过量空气系数增加，低温再热器和省煤器的出口烟温随之升高，导致排烟热损失增大，锅炉热效率降低。

一次返料比例对低温过热器出口汽温的影响不大，但对外置床中温过热器的出口汽温影响较大。低温再热器和省煤器出口烟温随一次返料比例的增大而减小，但总体上变化不大。综上，一次返料比例的增大，使锅炉整体换热器的换热效率下降，虽然返回燃烧室的固体物料比例可调节和控制床温，仍应尽可能减少一次返料比例。

图5 过量空气系数、一次返料比例对受热面出口温度的影响

04结论

1)在煤解耦燃烧过程中，预测了循环流化床燃烧室中密相区气体组分浓度分布，研究了过量空气系数对排烟气体组分浓度的影响，通过数值模拟得到，提高过量空气系数会导致排烟气体中NO和N2O浓度增加，但可明显降低SO2和SO3的排放。

2)若仅降低排烟气体中SO2和SO3浓度，根据煤解耦燃烧过程中SO2和SO3排放浓度的模拟结果，可得到最佳过量空气系数。

3)通过建立的过程模拟模型，研究了660 MW超超临界循环流化床锅炉过量空气系数和一次返料比例对中温过热器出口汽温、低温过热器出口汽温和低温再热器出口烟温、省煤器出口烟温的影响。模拟结果表明，随着过量空气系数和一次返料比例的增大，排烟热损失增大，锅炉热效率降低，故应选择合适的过量空气系数，并尽可能减少一次返料比例。

引文格式

李娟，李银龙，牛田田，等.基于Aspen Plus的超超临界循环流化床锅炉的性能计算及分析[J].洁净煤技术，2020,26(3):31-37.

LI Juan,LI Yinlong,NIU Tiantian,et al.Performance calculation and analysis of ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler based on Aspen Plus[J].Clean Coal Technology，2020,26(3):31-37.

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