典型富氧風煙燃燒系統穩態建模研究

劉　杰，　黃勇理，　曾天成，　柳朝暉，　鄭楚光

(華中科技大學 能源與動力工程學院，煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074)

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典型富氧風煙燃燒系統穩態建模研究

劉杰，黃勇理，曾天成，柳朝暉，鄭楚光

(華中科技大學 能源與動力工程學院，煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074)

針對以CO2減排為主要目的的富氧燃燒電站鍋爐，對其風煙燃燒系統穩態過程循環煙氣量和煙氣組分體積分數進行建模分析，給出了風煙燃燒系統運行工藝參數和煙氣調節變量之間的相互作用關系.結果表明：由模型所得煙氣各組分體積分數與實測數據的吻合度較高，兩者誤差在5%以內；該模型為富氧燃燒系統的工藝設計和運行優化提供了合理有效的定量依據,同時也為風煙燃燒系統相關運行參數的測點配置、儀表選型、變量調節和設備操控提供參考.

CO2捕集； 風煙循環； 煙氣組分； 穩態模型； 富氧燃燒

符號說明：

qV,recycle,1——一次循環風量，m3/h

qV,recycle,2——二次循環風量，m3/h

qV,coal——入爐燃料量(煤粉)，m3/h

qV,O2——總氧體積流量，m3/h

qV,O2,react——燃燒消耗氧體積流量，m3/h

α2——產物CO及H2O耗氧比，%

qV,out,f——爐膛出口煙氣量，m3/h

φCO2,f——爐膛出口CO2體積分數，%

φother,f——爐膛出口CO/SO2/NOx體積分數，%

qV,out,g——煙氣處理系統出口煙氣量，m3/h

φCO2,g——煙氣處理系統出口CO2體積分數，%

φH2O,g——煙氣處理系統出口H2O體積分數，%

qV,leak,g——煙氣處理系統空氣泄漏量，m3/h

φO2,in,1——熱一次風氧體積分數，%

φO2,in,2——熱二次風氧體積分數，%

qV,leak,f——爐膛空氣泄漏量，m3/h

φO2——平均總氧體積分數，%

φsystem——機組運行負荷，%

k1——CO2耗氧占據α1的比例，%

qV,H2O,f——爐膛出口H2O體積流量，m3/h

qV,CO2,f——爐膛出口CO2體積流量，m3/h

φH2O,f——爐膛出口H2O體積分數，%

φO2,f——爐膛出口煙氣氧體積分數，%

qV,H2O,g——煙氣處理系統出口H2O體積流量，m3/h

φO2,g——煙氣處理系統出口煙氣氧體積分數，%

k3——CO2占脫除氣體體積比例，%

qV,remove,g——煙氣處理系統氣體脫除量，m3/h

qV,asu,1——一次風理論供氧體積流量，m3/h

η——煙氣循環倍率，%

qV,asu,2——二次風理論供氧體積流量，m3/h

qV,in——入爐風粉混合物量，m3/h

β——燃料消耗比，%

α1——產物CO2/SO2/NO2耗氧比，%

k2——H2O耗氧占據α2的比例，%

qV,H2O,in——燃料帶進水汽體積流量，m3/h

φN2,f——爐膛出口N2體積分數，%

qV,O2,g——煙氣處理系統出口氧體積流量，m3/h

φCO,g——煙氣處理系統出口CO體積分數，%

φN2,g——煙氣處理系統出口N2體積分數，%

k4——煙氣處理系統脫水率，%

電站鍋爐富氧燃燒是一種可有效實現大規模碳減排的新型燃煤技術[1-2].富氧燃燒系統爐側風煙燃燒系統與傳統空氣燃燒系統有較大區別，主要表現在富氧燃燒助燃劑通過高純度氧氣與循環煙氣混合成為組分濃度可變的入爐氣體，形成爐內燃料燃燒條件，因而燃料燃燒前后煙氣各組分濃度調節和燃燒過程控制的復雜程度將大幅提升[3-4].富氧燃燒電站鍋爐借助煙氣循環實現CO2高濃度富集，從而滿足以碳減排為目標的CO2高效捕集條件.

富氧燃燒電站鍋爐風煙燃燒系統以閉式或半閉式循環[5]穩定運行之后，各運行參數趨于穩定，其中物質和能量轉換在鍋爐運行工況下也趨于平衡.筆者參照實際35 MW富氧燃燒電站鍋爐設計和系統結構特點，同時參考放大的200 MW富氧燃燒系統[6-7]預可研設計，建立一套典型富氧燃燒電站鍋爐風煙燃燒系統穩態煙氣流量和組分均衡模型，通過仿真計算為實際富氧燃燒系統工藝設計和運行優化提供指導，同時也為風煙燃燒系統相關運行參數的測點配置、儀表選型、變量調節和設備操控提供定性和定量依據.

1　建模目標與依據

為有效提供富氧燃燒電站鍋爐系統操作和運行優化方面的技術指導，配合測量控制系統設計，建立基于閉式循環煙氣流量和組分均衡的風煙燃燒系統穩態模型.該模型采用機理建模法，依據風煙燃燒過程傳熱傳質基本平衡條件、物質和能量守恒定律以及鍋爐原理和煤粉爐燃燒基本特性，在合理簡化和假設的基礎上，形成較為完整的煙氣量及其組分變量的數學描述和相互作用關系；以實際系統試驗數據為基準，進行了模型驗證，模型精度滿足應用要求.

2　模型結構簡化

圖1為35 MW富氧燃燒電站鍋爐的基本工藝流程[8].圖2給出風煙燃燒系統穩態模型變量關系及其定義.結合圖1可見,富氧燃燒電站鍋爐風煙燃燒系統結構復雜，變量參數繁多，關聯耦合性強.按照建模目的，可對系統進行如下假設和簡化：

(1) 將風煙燃燒系統中各相關設備按功能區段進行集中分段處理，包括燃燒室系統、煙氣處理系統(如空氣預熱器、電除塵器、引風機、增壓風機、煙氣換熱器、脫硫塔和冷凝器)以及一、二次風機等3部分，所取計算節點為燃燒室進口、燃燒室出口和煙氣處理系統出口.

(2) 深冷空分制氧濃度較高(97.5%以上)，模型中將氧氣視為100%純氧，忽略氬氣影響.工業環境空氣氧體積分數取20.5%.

(3) 根據鍋爐實際穩定運行經驗，假定模型爐膛出口煙氣氧體積分數維持在3%左右.根據試驗采樣結果和煤質分析確定燃燒產物的構成，模型將燃燒化學反應過程簡化為如產物耗氧比α1/α2、組分耗氧比k1/k2和脫除比k3/k4等參數，以上參數的具體取值參考試驗和理論數據合理設定.

(4) NOx的生成機理有燃料型、溫度型和快速溫度型3種.考慮到35 MW富氧燃燒電站鍋爐實際運行時爐膛最高溫度低于1 500 ℃，且快速溫度型NOx生成量所占比例較小(≤5%)[9]，模型中僅考慮燃料型NOx的生成，并假定燃料中的氮全部轉化為NOx，故僅有漏風為模型中氮氣單一來源.

圖1　富氧燃燒系統結構示意圖Fig.1　Structure diagram of the oxy-fuel combustion system

圖2　模型變量關系及定義Fig.2　Definition and relationship of model variables

(5) 假定模型中煙氣處理系統效率較高，可脫除煙氣中100%的SO2/SO3及NOx.

(6) 富氧燃燒時，一次循環煙氣一部分作為一次風攜粉入爐，另一部分作為制粉系統(如倉儲式系統)的干燥風.模型中風煙燃燒系統與制粉系統相互獨立，干燥風可計入排煙分量中(直吹式系統無此分量).

3　模型解析

以35 MW富氧燃燒電站鍋爐為建模研究對象，其煤質參數見表1.

表1　煤質參數

3.1系統配風數學描述

模型中參數包括入爐燃料量、燃燒反應所需氧氣量、承擔攜粉入爐功能的一次風量、共同形成燃燒氛圍的二次風量及保證鍋爐對流換熱的總煙氣量.

富氧燃燒一、二次風由循環煙氣與氧氣混合而成.實際系統流量測點安裝在注氧器之后，一、二次循環煙氣量包含注氧流量.依據氧平衡,可得一、二次風理論供氧體積流量為

(1)

(2)

入爐風粉混合物量為

(3)

入爐總氧體積流量為

(4)

鍋爐配風平均總氧體積分數為

(5)

煙氣循環倍率是表征富氧燃燒時進入循環的煙氣占總煙氣體積的比例，其余煙氣或排入大氣或壓縮純化捕集.煙氣循環倍率為

(6)

3.2系統煙氣量及CO2、O2體積分數數學描述

入爐可燃物與部分氧氣發生反應，生成煙氣從爐膛尾部排出.由化學計量數可知，1倍量值氧氣生成1倍體積的CO2/SO2/NO2，1倍量值氧氣生成2倍體積的CO/H2O，則爐膛出口煙氣量為

(7)

其中α1+α2=1(α1、α2與煤種及燃燒狀況有關，當燃料完全燃燒時，據表1煤質參數可得Min(α2)=16.7%，則α2≥16.7%)，β與燃料種類有關，文中設定β≥95%.

爐膛出口煙氣氧體積分數的高低體現了過量氧氣系數的大小以及燃料燃燒是否充分.

(8)

爐膛出口CO2由2部分構成，一部分由燃料燃燒生成，另一部分由一、二次循環煙氣引入，即

(9)

其中，由元素分析可估算k1≈98.9%.

爐膛出口CO2體積分數為

(10)

富氧燃燒系統的漏風主要是指系統負壓區段影響CO2富集的內漏，正壓區段的外漏在實際運行中容易被發現、處理和控制，且大部分區段外漏可作為排煙看待，為合理簡化，故不考慮外漏.富氧燃燒時，為防止爐膛漏風降低尾部CO2的富集濃度，采取微正壓運行，但即使鍋爐采用微正壓運行，省煤器、空氣預熱器、尾部煙道、電除塵器、引風機、冷凝器、脫硫和除濕等工藝設備或流程區段仍處于較低負壓區段，不可避免存在內漏.故煙氣處理系統出口煙氣量為

(11)

煙氣處理系統出口氧體積流量由空氣泄漏氧量和煙氣原氧量構成，即

(12)

煙氣處理系統出口煙氣氧體積分數為

(13)

煙氣處理系統出口CO2體積分數為

(14)

實際系統采用雙堿法脫硫，不可避免會消耗部分CO2，文中假定k3≤3%.

3.3煙氣中H2O體積分數數學描述

燃料帶進水汽體積流量可根據元素成分摩爾質量分數推算：qV,H2O,in≈0.05×qV,coal.富氧燃燒模式下爐膛出口水分由3部分構成：一是燃料攜帶，二是循環煙氣引入，三是燃料燃燒生成.爐膛出口H2O體積流量為

(15)

根據煤種元素構成及燃燒狀況，可假定k2≥95%.

爐膛出口H2O體積分數為

(16)

富氧燃燒時煙氣H2O體積分數較高，進行冷凝、除濕后的煙氣中H2O體積分數為

(17)

(18)

依據模型調試需要，假定k4≥75%.

3.4煙氣中N2體積分數數學描述

富氧代替空氣作為助燃劑，大大減少了煙氣中氮氣的含量，但漏風仍然帶入部分氮氣.爐膛出口氮氣由爐膛本體漏風和循環煙氣中氮氣組成，其體積分數為

(19)

煙氣處理系統出口N2體積分數為

(20)

3.5模型約束條件

出于系統運行安全性考慮，燃燒室平均總氧體積分數取值范圍為21%≤φO2≤32%.循環煙氣量需要滿足建立燃燒輻射傳熱區多相流場、保證對流換熱面熱交換、完成一次風攜粉入爐3大要求，且考慮到注氧安全問題，需要將二次風空分純氧體積分數稀釋至38%以下，故循環煙氣量在特定負荷下有一定的下限.然而，過大的循環煙氣量會導致燃燒室火焰中心后移，使過熱器和空氣預熱器等設備單元面臨超溫考驗.因此，富氧燃燒時循環煙氣量存在一個合理的范圍，根據已有經驗，可用煙氣循環倍率進行表征：65%≤η≤85%.

爐膛出口煙氣組分為CO2、CO、H2O、O2、N2、NOx和SO2，其中CO、NOx和SO2體積分數相對較小，文中將其總和記為φother,f.經過煙氣處理系統脫硫脫硝后，出口煙氣組分為CO2、CO、H2O、O2和N2.系統煙氣組分存在質量守恒約束條件：

(21)

(22)

4　模型驗證

4.1穩態工況下仿真結果與實測數據的對比

模型參照35 MW富氧燃燒電站鍋爐系統結構，在鍋爐燃燒及風煙循環過程物料平衡方程和相關數學約束條件的基礎上，從系統配風量、燃燒化學計量關系和煙氣各組分體積分數3方面建立干循環風煙燃燒系統的穩態模型.為驗證該模型的置信度，在分布式控制系統(DCS)中選取富氧燃燒干循環模式下某一穩態工況3組采樣時間間隔大于1 h的運行操作數據，將其作為模型輸入激勵，得到模型響應

結果.分別計算試驗測量數據和仿真響應數據相對于DCS儀表量程的占比，歸一處理后，進行實測值占比與模擬值占比的比較.

表2給出了富氧燃燒干循環模式下穩定燃燒時所選工況3個時間點的基本參數.表3給出了將該工況參數代入上述模型計算后得到的結果與實測數據的對比.

表2富氧燃燒干循環模式下所選工況的參數

Tab.2Basic parameters in dry flue gas circulation mode with oxy-fuel combustion

參數數值參數數值入爐燃料量/(t·h-1)4.53機組運行負荷/%85熱一次風氧體積分數/%21.5二次循環煙氣量/(m3·h-1)t114825t215563t315219熱二次風氧體積分數/%37.6系統漏風率/%1平均總氧體積分數/%27.5一次循環煙氣量/(m3·h-1)t14979t25054t34953

表3　模型數據與實測數據的對比

從表3可以看出，當輸入表2中穩態工況下3個時間點的參數后，經模型計算得出的結果與實測值歸一化處理后非常接近.二次風理論供氧體積流量偏差稍大，這是因為模型中算法與實際DCS系統中流量溫壓密度補償算法不同，其偏差在可接受范圍內.至于煙氣各組分體積分數的差異，可能是因為本模型為簡化計算采用了部分假設，也可能是因為實際測量儀表存在誤差，故二者不能完全一致，但各組分體積分數差值依然在5%以內，吻合度較高.綜上所述，所建立的模型具有較好的置信度，能夠準確反映富氧燃燒干循環模式下穩定運行時的煙氣狀態.

4.2仿真計算應用實例

煙氣CO2體積分數是富氧燃燒電站鍋爐碳捕集工藝的重要技術指標，在此僅舉例說明循環煙氣量或煙氣循環倍率對爐膛出口CO2體積分數富集的影響.選用t3時刻實際工況的參數作為參考點，對循環煙氣量或煙氣循環倍率的變化進行仿真計算.

仿真計算時，控制一次循環煙氣量和熱一次風氧體積分數不變，僅改變二次循環煙氣量，確保燃燒反應氧消耗量與燃料燃燒理論氧消耗量相等(即燃料完全燃燒)，從而研究總循環煙氣量對煙氣組分的影響，結果見圖3.圖3區域A中若干工作點為小范圍調節二次循環風量，以盡可能維持仿真工作點與參考點的相似性，從而確保模擬結果可靠.區域A之外其余工作點則是二次循環風量調節幅度較大時的結果.

圖3　總循環煙氣量對煙氣組分的影響

Fig.3Influence of total amount of gas circulation on flue gas component

從圖3可以看出，隨著總循環煙氣量的逐漸增加，爐膛出口CO2體積分數、N2體積分數及煙氣循環倍率均呈上升趨勢，爐膛出口H2O體積分數逐漸降低，根據物料平衡方程，可以推測爐膛出口CO2體積分數富集的裕度來自于煙氣不斷循環累積時H2O體積分數的下降.

由此可見，在一定程度上可通過增加循環風量來提高爐膛出口CO2體積分數，與實際運行二次循環風量的調節結果一致.

5　結　論

(1) 建立了一種富氧風煙燃燒系統穩態模型，將實際系統某穩態工況下DCS系統采集參數作為模型輸入值，得到煙氣各組分體積分數，并與實測數據進行對比，結果表明兩者吻合度較高，誤差在5%以內.

(2) 在富氧燃燒干循環模式穩態工況下，系統漏風一定時，適當增加循環風量，煙氣循環倍率增大，可使爐膛出口CO2體積分數上升，爐膛出口H2O體積分數下降.

(3) 模型依靠合理假定簡化燃料燃燒過程，僅能在一定程度上體現煙氣組分體積分數的變化，存在對燃燒化學反應規律及其能量轉換過程無法提供可靠支持等缺陷.

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Study on Steady-state Model of Typical Oxy-fuel Air/Gas Combustion Systems

LIUJie,HUANGYongli,ZENGTiancheng,LIUZhaohui,ZHENGChuguang

(State Key Laboratory of Coal Combustion, School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

For oxy-fuel combustion boilers aiming at reducing CO2emission, a steady-state model was established to measure the flow rate and component of the gas in the air/gas combustion system, and subsequently to find the interrelation between the system operating parameters and the governing way of gas variables. Results show that the gas flow rate and its component calculated by the model are close to actual measurements, with both errors less than 5%. The model is therefore proved to be reasonable and effective in providing quantitative basis for the design and running of oxy-fuel combustion systems, which may also serve as a reference for relevant measurement configuration, instrument selection, quantitative governing and device manipulation of air/gas combustion systems.

CO2capture; air/gas circulation; gas component; steady-state model; oxy-fuel combustion

2015-12-08

2016-01-27

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CB707300)；國家科技支撐計劃資助項目(2011BAC0500)；湖北省科技廳資助項目(2015ACA051)

劉杰(1989-)，江蘇泰興人，碩士研究生，主要從事富氧燃燒系統設計及運行控制方面的研究.

黃勇理(通信作者)，副教授，研究生導師，電話(Tel.)：13697335500；E-mail：huangyl@mail.hust.edu.cn.

1674-7607(2016)09-0677-06

TK229

A學科分類號：470.30