畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于aspen pluse的油頁巖CBF燃燒NOx生成模擬.doc

第1章緒論1第1章緒論1.1課題的背景當(dāng)今世界，人口、資源和環(huán)境是全人類共同關(guān)心的問題。能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口的膨脹，人類對能源資源的需求日益增加，而目前人類長期依賴的傳統(tǒng)化石燃料煤、石油、天然氣等正在迅速減少。據(jù)世界能源委員會的評估，全球開采成本較低的化石燃料將在本世紀(jì)中期到末期耗盡1。石油，由于其不可再生，人類社會發(fā)展對石油又高度依賴，石油供應(yīng)關(guān)系國計民生，所以被人們稱為“黑色黃金”。美國能源部能源信息管理局預(yù)測全球石油需求將以每年1.9%的速度增長2。由于世界石油資源儲量有限，石油資源消費量龐大，而近幾年中東地區(qū)政治局勢的動蕩，石油供求關(guān)系緊張，不斷地提醒著各國政府要積極開發(fā)其替代能源，以保證各國的能源安全。在構(gòu)建社會主義和諧社會的進(jìn)程中，對急需增強綜合國力的中國來說，能源更是關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會和諧的大事。2007年12月26日，國務(wù)院新聞辦發(fā)表的中國的能源狀況與政策白皮書指出，雖然中國能源總量比較豐富，但人均能源資源擁有量在世界上處于較低水平。其中，煤炭和水力資源人均擁有量相當(dāng)于世界平均水平的50%，石油、天然氣資源人均擁有量僅為世界平均水平的十五分之一左右3。改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)連年穩(wěn)定增長，特別是近十年，我國GDP年增長率始終保持在8%左右，于此同時，我國已經(jīng)成為世界上石油消費增長最快的國家。相對于煤炭資源儲量，我國更是一個貧油的國家，2007年我國石油資源對外依賴度已高達(dá)50%，已進(jìn)入能源預(yù)警期4。石油短缺問題已逐漸成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一，嚴(yán)重威脅著我國能源戰(zhàn)略安全。油頁巖屬于固體化石燃料。在全世界化石燃料中,其儲量折成發(fā)熱量僅次于煤炭而居第二位,折成頁巖油4750億t,為石油可采儲量的514倍。我國油頁巖遠(yuǎn)景儲量約2萬億t,折頁巖油800億t,為石油可采儲量的30倍以上,僅次于美國、巴西、愛沙尼亞,居世界第四位；1989年探明儲量315167億t,其中吉林省17413億t,廣東省54億t,遼寧省36億t,海南省2415億t；據(jù)悉,目前探明儲量超過6000億t。油頁巖具有煤炭的物化特性,可直接燃燒,發(fā)電、供熱均可；又含有石油的組分,可干餾煉制頁巖油人造石油。但是,由于它發(fā)熱值低、含油率第1章緒論2低、灰分高,屬高灰分低發(fā)熱值劣質(zhì)燃料類似于煤矸石,開發(fā)利用成本高,在石油和煤炭價格低廉時經(jīng)濟(jì)上無競爭力。因此,在過去半個多世紀(jì)中一直沒能大規(guī)模開發(fā)利用,只有少數(shù)國家用于煉油、發(fā)電,并探索綜合利用、提高經(jīng)濟(jì)效益之路,中國就是其中之一。從長遠(yuǎn)的觀點分析,由于世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,石油和煤炭消耗量相應(yīng)增長,而資源量是有限的,人類必須尋求替代能源,油頁巖就是最現(xiàn)實的替代者,開發(fā)利用油頁巖是必然的。另一方面,近幾年來國際上石油價格猛漲、居高不下,同時帶動煤炭價格相應(yīng)上揚,使油頁巖煉油和發(fā)電成本相對降低、經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。實踐證明傳統(tǒng)油頁巖能源利用方式由于存在著嚴(yán)重的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題而不能發(fā)展35。其有效的利用必須尋求新的途經(jīng)。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的出現(xiàn)給油頁巖的利用和油頁巖燃燒發(fā)電技術(shù)注入了新的活力,并帶來光明的前景。循環(huán)流行化床鍋爐技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展的一項高效低污染清潔燃燒枝術(shù)。國際上這項技術(shù)在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和廢棄物處理利用等領(lǐng)域已得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用，并向幾十萬千瓦級規(guī)模的大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)展；國內(nèi)在這方面的研究、開發(fā)和應(yīng)用也逐漸興起，已有上百臺循環(huán)流化床鍋爐投入運行或正在制造之中。未來的幾年將是循環(huán)流化床飛速發(fā)展的一個重要時期。油頁巖作為動力燃料主要用于發(fā)電、供熱，而這些都與燃燒有關(guān)，因此，了解油頁巖的燃燒特性是更好的開發(fā)與利用油頁巖資源的關(guān)鍵。換句話說，油頁巖在爐內(nèi)燃燒的好與壞，對油頁巖的綜合利用有一定的影響，循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計就顯的尤為重要。實現(xiàn)油頁巖燃料利用工業(yè)化，顯然對其進(jìn)行循環(huán)流化床燃燒是有效途徑。為避免其對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，破壞生態(tài)平衡，影響人類正常健康發(fā)展，因此對其CFB（CirculatingFluidizedBed）燃燒污染物的生成進(jìn)行研究十分必要。由于油頁巖成分復(fù)雜、實驗成本高等特點，給研究工作帶來不便，需要尋求新的研究途徑。AspenPlus作為流程模擬軟件，近年來已在煤的燃燒、氣化和生物質(zhì)氣化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時也得到了許多有益的模擬結(jié)果，且其模擬結(jié)果與實際試驗結(jié)果對比較好相符，因此作者將其用于油頁巖CFB燃燒燃燒。AspenPlus（AdvancedSystemforProcessEngineering）在油頁巖CFB燃燒的成功應(yīng)用，將會給油頁巖清潔利用的研究帶來許多許多方便和適用參考數(shù)據(jù)，以便緩解當(dāng)前的能源危機，保證我國以及世界的經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展。1.2文獻(xiàn)綜述國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展世界上開發(fā)和利用油頁巖已有200多年的歷史，只是由于近兩個世紀(jì)戰(zhàn)爭頻繁，世界石油市場價格激蕩，影響了油頁巖的開發(fā)利用和技術(shù)研發(fā)10。20世紀(jì)80年代后期，世界石油資源消費量激增，各國又開始重新著眼于各種可再生能源和第1章緒論3其它替代能源的開發(fā)利用，油頁巖工業(yè)也隨之在中國、巴西等國再次興起。目前，愛沙尼亞、中國和巴西都在進(jìn)行頁巖油的商業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)量將近100萬噸，到2015年，世界上頁巖油的年產(chǎn)量預(yù)計將達(dá)到350萬噸11。面對我國石油資源匱乏，油頁巖資源儲量較大的現(xiàn)狀，合理開發(fā)高品質(zhì)的油頁巖將會是對我國石油資源緊缺的有益補充。中共中央、國務(wù)院在關(guān)于實施東北地區(qū)等老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略的若干意見中，非常明確地提出將“油頁巖綜合利用”列為優(yōu)先科技攻關(guān)主題。國土資源部將油頁巖列為重點礦種，加強勘察，明確要求加強油頁巖綜合利用技術(shù)的研究與應(yīng)用12。油頁巖作為一種重要的能源資源，目前世界上利用油頁巖主要有兩大途徑：一是在隔絕空氣的情況下，將油頁巖加熱到450600以提取頁巖油，頁巖油可以直接用作航海燃料油，也可進(jìn)一步深加工提取汽油、柴油、瀝青以及其他化工原料；二是作為燃料直接送入鍋爐燃燒，用于發(fā)電或供熱13。按照干餾工藝的不同，油頁巖低溫干餾技術(shù)可以分為地上干餾技術(shù)和地下干餾技術(shù)。地下干餾技術(shù)又稱為原地干餾，但是該工藝過程控制困難，目前仍處于研發(fā)階段，還未實現(xiàn)工業(yè)化14。地上干餾技術(shù)是指將油頁巖開采出來以后，經(jīng)破碎機破碎后，送入干餾爐加熱，提取頁巖油15。從油頁巖中提煉的頁巖油可以直接作為液體燃料使用，但是頁巖油比天然石油含有更多的不飽和烴及氧、氮、硫等非烴化合物，會導(dǎo)致油品安定性變差、顏色變黑。因此，要獲得較高品質(zhì)的頁巖油，還需要對頁巖油進(jìn)行深加工，將不飽和組分進(jìn)行加氫飽和，并除掉頁巖油中的非烴化合物。俄羅斯彼得堡地區(qū)的油頁巖煉油廠年加工油頁巖150萬噸，生產(chǎn)頁巖油20萬噸，所生產(chǎn)的頁巖油主要用于生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品。巴西Petrosix公司擁有兩臺油頁巖大型工業(yè)化裝置，每臺日處理油頁巖約1萬噸，并從中提取硫和放射性鈾16。2002年11月在愛沙尼亞首都塔林召開的“全球油頁巖的利用與展望”國際會議上,13個國家230位專家一致認(rèn)為“油頁巖的開發(fā)利用潛力巨大”。美國是全球油頁巖儲量最大的國家,第1章緒論4政府認(rèn)為“油頁巖是潛力驚人的能源”,已制定了開發(fā)戰(zhàn)略,并在科羅拉多州西部高原峽谷中建設(shè)了尖端實驗基地,由殼牌石油公司開展研發(fā)工作。愛沙尼亞、澳大利亞、德國、以色列等國也制定了相應(yīng)的研發(fā)計劃。我國在中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要(20062020年)中明確地將“礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用,發(fā)展低品位與復(fù)雜難處理資源高效利用技術(shù)、礦產(chǎn)資源綜合利用技術(shù)”列入重點攻關(guān)領(lǐng)域和優(yōu)先發(fā)展主題。中共中央、國務(wù)院在關(guān)于實施東北地區(qū)等老工業(yè)基地振興戰(zhàn)略的若干意見中,將“支持油頁巖、煤矸石的綜合利用”列入重大攻關(guān)主題。目前,國家已加大了油頁巖資源勘察力度；各省、市、自治區(qū)凡有油頁巖資源的地方,都在啟動或擬啟動油頁巖煉油或發(fā)電工程項目,形勢空前火熱。但是,現(xiàn)有的開發(fā)利用方式,都受傳統(tǒng)行業(yè)經(jīng)濟(jì)的約束,只重視提高煉油效率或者只重視提高發(fā)電效率,而輕視甚至忽視綜合利用和循環(huán)經(jīng)濟(jì)效率。這不僅造成油頁巖能源、資源上的嚴(yán)重浪費和環(huán)境上的嚴(yán)重污染,更主要的是阻礙了油頁巖工業(yè)的發(fā)展。_為了解決這一問題,推動油頁巖工業(yè)的發(fā)展,我們深入分析了油頁巖的物化特性和現(xiàn)有干餾煉油廠、發(fā)電廠存在的問題,通過幾年的科技攻關(guān),研發(fā)出新型油頁巖循環(huán)流化床鍋爐。此種鍋爐可利用干餾煉油廠廢棄的碎屑油頁巖、半焦(渣)和剩余瓦斯混合燃燒發(fā)電,而鍋爐的灰渣具有含碳量低、活性好的特點,可全部送入建材廠制做水泥、砌塊、磚和陶粒等建材。如此,油頁巖礦、干餾煉油廠、循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電廠和建材廠共同組成一個鏈帶式聯(lián)合企業(yè),使油頁巖作為能源轉(zhuǎn)化為頁巖油和電力,又作為資源轉(zhuǎn)化為建材,實現(xiàn)了無固體廢物排放的綜合利用；此即為油頁巖綜合利用集成技術(shù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式,其經(jīng)濟(jì)效益比單純煉油或單純發(fā)電倍增,而環(huán)境和社會效益更好。本集成技術(shù),不是原來油頁巖礦、干餾煉油廠、循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電廠和建材廠四個行業(yè)技術(shù)的機械式串聯(lián)組合,而是互應(yīng)、有機結(jié)合為一個產(chǎn)業(yè)鏈；在這個產(chǎn)業(yè)鏈中不追求某一環(huán)節(jié)的最優(yōu)化,而是追求全局效益的最大化、環(huán)境和社會效益的最優(yōu)化。因此,它的推廣應(yīng)用,可使中國油頁巖工業(yè)即使在石油價格大幅度回落時也具有強大的生命力。油頁巖是一種高灰分、高揮發(fā)份、低熱值燃料，不適宜通常的燃燒方式而將其作為循環(huán)流化床鍋爐燃料是適宜的。循環(huán)流化床鍋爐是近年來在全世界發(fā)展起來的新興清潔能源技術(shù)，其自身可實現(xiàn)高效、低污染的燃燒，內(nèi)部的燃料及脫硫劑經(jīng)過多次循環(huán)、低溫燃燒和脫硫反應(yīng)流化床內(nèi)部的流動、內(nèi)部過程極其復(fù)雜，尚不被人們完全了解。國內(nèi)外學(xué)者都對循環(huán)流化床的燃燒進(jìn)行了研究。國外的研究主要有德國濟(jì)根大學(xué)、加拿大新斯科舍工業(yè)大學(xué)、國際能源署(IEA、法國電力公司等。簡單介紹幾個典型的CFB鍋爐燃燒過程數(shù)學(xué)模型。1.德國濟(jì)根大學(xué)，1980年動力工程研究所建立了一個鼓泡流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型，之后該模型的求解是應(yīng)用開發(fā)的牛頓一拉普森數(shù)值解法。WeiB在此基礎(chǔ)上建立了動態(tài)數(shù)學(xué)模型。此類模型還包括增壓循環(huán)流化床靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和循環(huán)流化床直流鍋爐的動態(tài)數(shù)學(xué)模型等。2.加拿大新斯科舍工業(yè)大學(xué)，P.Basu教授建立了一個適用于250MW的循環(huán)流化床鍋爐模型，該模型研究經(jīng)歷了兩個階段，第一階段是簡單模型沒有考慮NOX反應(yīng)的，第二階段則考慮NOX的生成與分解反應(yīng)。3.國際能源署(工EA),IEA組織了約巧個國家的研究人員組成一個數(shù)學(xué)模型研究組，通過成員的相互交流，使總體數(shù)學(xué)模型融合了彼此的研究成果，并基于此數(shù)學(xué)模擬編制了軟件，在計算機上來預(yù)測和診斷流化床鍋爐的運行。鼓泡流化床鍋爐的模型(IEA-CFB)也由該小組建第1章緒論5立，并且在此基礎(chǔ)上建立了循環(huán)流化床鍋爐綜合數(shù)學(xué)模型。4.法國電力公司(EDF),EDF成立了研究小組，來開發(fā)一維、二維及三維CFB數(shù)學(xué)模型，對電站循環(huán)流化床鍋爐的運行起到了預(yù)測和分析的作用，對設(shè)計的放大也起了一定的作用，典型實例為一維兩相模型(IDTWO-PHASE)o在國外對循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行研究和開發(fā)的同時，國內(nèi)也開始了此項工作，幾大高校提出了循環(huán)流化床燃燒模型，分別是清華大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的循環(huán)流化床鍋爐燃燒模型。李政等人在德國濟(jì)根大學(xué)的CFB模型思想的基礎(chǔ)上考慮寬篩分給煤特性提出了清華大學(xué)的通用靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，此模型燃燒系統(tǒng)內(nèi)的守恒方程是以小室模型為基礎(chǔ)的。該模型中不但細(xì)致考慮了流動、煤揮發(fā)分的釋放與燃燒、焦炭燃燒，而且還考慮污染物生成及還原等問題。此模型對沒有考慮寬篩分給煤的德國濟(jì)根大學(xué)的不足進(jìn)行了彌補，采用環(huán)一核邊壁流動模型，反應(yīng)的情況與實際符合較好12浙江大學(xué)熱能工程研究所與1993年提出了一種綜合數(shù)學(xué)模型隨后又進(jìn)行鍋爐啟動過程數(shù)學(xué)模型的研究。此模型采用顆粒群軌道模型，考慮了各尺寸組顆粒在拉格朗口坐標(biāo)系中的流動、燃燒及能量變化的過程，氣相場和顆粒團(tuán)之的相互作用也得到了考慮。該模型具有普適性和可替換性的特點，但準(zhǔn)確性不是很好，尚待提高。哈工大熱能工程教研室于七五期間開發(fā)了適于燃用煤研石的循環(huán)流化床燃燒模型。該模型考慮到懸浮段具體情況，獨特的模型的建立是基于運動方程和能量方程的，顆粒的溫度得到了更為細(xì)致的處理，彌補上述幾種模型在此方面的不足。前蘇聯(lián)是嘗試直接利用油頁巖燃燒發(fā)電最早國家之一，從上世紀(jì)30年代開始，前蘇聯(lián)就在層燃爐上試燒油頁巖。前蘇聯(lián)首次開發(fā)油頁巖流化床鍋爐，是在愛沙尼亞的阿赫特穆中央熱電站進(jìn)行的，并于1981年第一臺燃用油頁巖的流化床正式投運。1988-1989年，美國、加拿大和匈牙利先后進(jìn)行油頁巖一煤混燒試驗，結(jié)果表明，可以明顯減少燃煤對環(huán)境的影響。1987年在美國西部，電力研究所資助一項含硫中等的西部煤與當(dāng)?shù)孛夯鞜椖俊?988年，在加拿大新布魯斯克查塔姆的循環(huán)流化床示范廠進(jìn)行了高硫煤和含酸鈣的油頁巖的燃燒實驗。1989年，匈牙利利用油頁巖一煤的燃燒研究表明，新第三紀(jì)藻類油頁巖是有效的脫硫劑，1990年進(jìn)行了工廠規(guī)模的實驗。以色列于1993年建成55t/h循環(huán)流化床示范電站。2003-2004年，愛莎尼亞新建了2臺215MW的油頁巖循環(huán)流化床鍋爐，這標(biāo)志著燃燒發(fā)電已開始向大型化發(fā)展。70年代初期,東北電力學(xué)院的流化床燃燒技術(shù)研究在富震宗教授的領(lǐng)導(dǎo)下,為解決白山、紅石兩個水電站建設(shè)的燃料供應(yīng)問題,開始研究樺甸油頁巖的流化床燃燒特性,此后樺甸油頁巖的流化床燃燒進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。并于于1992年開始承擔(dān)原能源部電力工業(yè)重點科技項目,會同東方鍋爐廠和國家電力公司西安熱工研究院共同開發(fā)出65t/h低倍率循環(huán)床油頁巖電廠鍋爐。3臺用于吉林省樺甸油頁巖示范熱電廠,其中1號鍋爐于1996年8月一次點火成功,現(xiàn)已運行三年多,鍋爐運行穩(wěn)定、效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)特性好,受熱面系統(tǒng)無明顯磨損,是目前世界上投入商業(yè)運行的最大容量燃用油頁巖的循環(huán)流化床鍋爐。長期商業(yè)運行實踐表明,該鍋爐總體性能居國際先進(jìn)水平。AspenPlus是一個生產(chǎn)裝置設(shè)計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)。AspenPlus是大型通用流程模擬系統(tǒng)，源于美國能源部七十年代后期在麻省理工學(xué)院（MIT）組織的會戰(zhàn)，開發(fā)新型第三代流程模擬軟件。該項目稱為“過程工程的先進(jìn)系統(tǒng)”（AdvancedSystemforProcessEngineering，簡稱ASPEN）,并于1981年底完成。1982年為了將其商品化，成立了AspenTech公司，并稱之為Aspen第1章緒論6Plus。該軟件經(jīng)過20多年來不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已先后推出了十多個版本，成為舉世公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，應(yīng)用案例數(shù)以百萬計。它的一個重要的特點是可以處理固體和電解質(zhì)物流。例如固體的粉碎和分離、固體的粒度的分布.ASPENPLUS也可以表示出煤和礦石物流。ASPENPLUS使用面向問題的圖形化輸入，比較容易掌握。在進(jìn)行流程模擬時，只要提供1)流程結(jié)構(gòu):2)單元操作和物流的聯(lián)系；3)單元操作的條件；4)由物性庫中所選擇的物性模型，流程的計算就會自動進(jìn)行。一個大的流程可以用許多模塊來表示。每一個模塊表示了ASPENPLUS系統(tǒng)中的一個模型子程序。一個單元操作可以用一個模塊或幾個模塊來表示。ASPENPLUS穩(wěn)態(tài)模擬軟件的平臺己經(jīng)成為計算化工.、冶金行業(yè)強有力的軟件工具.。然而我國對AspenPlus的應(yīng)用主要在化工設(shè)計方向，近年來已在煤的燃燒、氣化和生物質(zhì)氣化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)。陳漢平、趙向富、米鐵、代正華，在氣流床煤氣化工藝的基礎(chǔ)上，采用化工流程模擬軟件ASPENPLUS111中的物性數(shù)據(jù)庫和單元