典型富氧风烟燃烧系统稳态建模研究

刘　杰，　黄勇理，　曾天成，　柳朝晖，　郑楚光

(华中科技大学 能源与动力工程学院，煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)



典型富氧风烟燃烧系统稳态建模研究

刘杰，黄勇理，曾天成，柳朝晖，郑楚光

(华中科技大学 能源与动力工程学院，煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)

针对以CO2减排为主要目的的富氧燃烧电站锅炉，对其风烟燃烧系统稳态过程循环烟气量和烟气组分体积分数进行建模分析，给出了风烟燃烧系统运行工艺参数和烟气调节变量之间的相互作用关系.结果表明：由模型所得烟气各组分体积分数与实测数据的吻合度较高，两者误差在5%以内；该模型为富氧燃烧系统的工艺设计和运行优化提供了合理有效的定量依据,同时也为风烟燃烧系统相关运行参数的测点配置、仪表选型、变量调节和设备操控提供参考.

CO2捕集； 风烟循环； 烟气组分； 稳态模型； 富氧燃烧

符号说明：

qV,recycle,1——一次循环风量，m3/h

qV,recycle,2——二次循环风量，m3/h

qV,coal——入炉燃料量(煤粉)，m3/h

qV,O2——总氧体积流量，m3/h

qV,O2,react——燃烧消耗氧体积流量，m3/h

α2——产物CO及H2O耗氧比，%

qV,out,f——炉膛出口烟气量，m3/h

φCO2,f——炉膛出口CO2体积分数，%

φother,f——炉膛出口CO/SO2/NOx体积分数，%

qV,out,g——烟气处理系统出口烟气量，m3/h

φCO2,g——烟气处理系统出口CO2体积分数，%

φH2O,g——烟气处理系统出口H2O体积分数，%

qV,leak,g——烟气处理系统空气泄漏量，m3/h

φO2,in,1——热一次风氧体积分数，%

φO2,in,2——热二次风氧体积分数，%

qV,leak,f——炉膛空气泄漏量，m3/h

φO2——平均总氧体积分数，%

φsystem——机组运行负荷，%

k1——CO2耗氧占据α1的比例，%

qV,H2O,f——炉膛出口H2O体积流量，m3/h

qV,CO2,f——炉膛出口CO2体积流量，m3/h

φH2O,f——炉膛出口H2O体积分数，%

φO2,f——炉膛出口烟气氧体积分数，%

qV,H2O,g——烟气处理系统出口H2O体积流量，m3/h

φO2,g——烟气处理系统出口烟气氧体积分数，%

k3——CO2占脱除气体体积比例，%

qV,remove,g——烟气处理系统气体脱除量，m3/h

qV,asu,1——一次风理论供氧体积流量，m3/h

η——烟气循环倍率，%

qV,asu,2——二次风理论供氧体积流量，m3/h

qV,in——入炉风粉混合物量，m3/h

β——燃料消耗比，%

α1——产物CO2/SO2/NO2耗氧比，%

k2——H2O耗氧占据α2的比例，%

qV,H2O,in——燃料带进水汽体积流量，m3/h

φN2,f——炉膛出口N2体积分数，%

qV,O2,g——烟气处理系统出口氧体积流量，m3/h

φCO,g——烟气处理系统出口CO体积分数，%

φN2,g——烟气处理系统出口N2体积分数，%

k4——烟气处理系统脱水率，%

电站锅炉富氧燃烧是一种可有效实现大规模碳减排的新型燃煤技术[1-2].富氧燃烧系统炉侧风烟燃烧系统与传统空气燃烧系统有较大区别，主要表现在富氧燃烧助燃剂通过高纯度氧气与循环烟气混合成为组分浓度可变的入炉气体，形成炉内燃料燃烧条件，因而燃料燃烧前后烟气各组分浓度调节和燃烧过程控制的复杂程度将大幅提升[3-4].富氧燃烧电站锅炉借助烟气循环实现CO2高浓度富集，从而满足以碳减排为目标的CO2高效捕集条件.

富氧燃烧电站锅炉风烟燃烧系统以闭式或半闭式循环[5]稳定运行之后，各运行参数趋于稳定，其中物质和能量转换在锅炉运行工况下也趋于平衡.笔者参照实际35 MW富氧燃烧电站锅炉设计和系统结构特点，同时参考放大的200 MW富氧燃烧系统[6-7]预可研设计，建立一套典型富氧燃烧电站锅炉风烟燃烧系统稳态烟气流量和组分均衡模型，通过仿真计算为实际富氧燃烧系统工艺设计和运行优化提供指导，同时也为风烟燃烧系统相关运行参数的测点配置、仪表选型、变量调节和设备操控提供定性和定量依据.

1　建模目标与依据

为有效提供富氧燃烧电站锅炉系统操作和运行优化方面的技术指导，配合测量控制系统设计，建立基于闭式循环烟气流量和组分均衡的风烟燃烧系统稳态模型.该模型采用机理建模法，依据风烟燃烧过程传热传质基本平衡条件、物质和能量守恒定律以及锅炉原理和煤粉炉燃烧基本特性，在合理简化和假设的基础上，形成较为完整的烟气量及其组分变量的数学描述和相互作用关系；以实际系统试验数据为基准，进行了模型验证，模型精度满足应用要求.

2　模型结构简化

图1为35 MW富氧燃烧电站锅炉的基本工艺流程[8].图2给出风烟燃烧系统稳态模型变量关系及其定义.结合图1可见,富氧燃烧电站锅炉风烟燃烧系统结构复杂，变量参数繁多，关联耦合性强.按照建模目的，可对系统进行如下假设和简化：

(1) 将风烟燃烧系统中各相关设备按功能区段进行集中分段处理，包括燃烧室系统、烟气处理系统(如空气预热器、电除尘器、引风机、增压风机、烟气换热器、脱硫塔和冷凝器)以及一、二次风机等3部分，所取计算节点为燃烧室进口、燃烧室出口和烟气处理系统出口.

(2) 深冷空分制氧浓度较高(97.5%以上)，模型中将氧气视为100%纯氧，忽略氩气影响.工业环境空气氧体积分数取20.5%.

(3) 根据锅炉实际稳定运行经验，假定模型炉膛出口烟气氧体积分数维持在3%左右.根据试验采样结果和煤质分析确定燃烧产物的构成，模型将燃烧化学反应过程简化为如产物耗氧比α1/α2、组分耗氧比k1/k2和脱除比k3/k4等参数，以上参数的具体取值参考试验和理论数据合理设定.

(4) NOx的生成机理有燃料型、温度型和快速温度型3种.考虑到35 MW富氧燃烧电站锅炉实际运行时炉膛最高温度低于1 500 ℃，且快速温度型NOx生成量所占比例较小(≤5%)[9]，模型中仅考虑燃料型NOx的生成，并假定燃料中的氮全部转化为NOx，故仅有漏风为模型中氮气单一来源.

图1　富氧燃烧系统结构示意图Fig.1　Structure diagram of the oxy-fuel combustion system

图2　模型变量关系及定义Fig.2　Definition and relationship of model variables

(5) 假定模型中烟气处理系统效率较高，可脱除烟气中100%的SO2/SO3及NOx.

(6) 富氧燃烧时，一次循环烟气一部分作为一次风携粉入炉，另一部分作为制粉系统(如仓储式系统)的干燥风.模型中风烟燃烧系统与制粉系统相互独立，干燥风可计入排烟分量中(直吹式系统无此分量).

3　模型解析

以35 MW富氧燃烧电站锅炉为建模研究对象，其煤质参数见表1.

表1　煤质参数

3.1系统配风数学描述

模型中参数包括入炉燃料量、燃烧反应所需氧气量、承担携粉入炉功能的一次风量、共同形成燃烧氛围的二次风量及保证锅炉对流换热的总烟气量.

富氧燃烧一、二次风由循环烟气与氧气混合而成.实际系统流量测点安装在注氧器之后，一、二次循环烟气量包含注氧流量.依据氧平衡,可得一、二次风理论供氧体积流量为

(1)

(2)

入炉风粉混合物量为

(3)

入炉总氧体积流量为

(4)

锅炉配风平均总氧体积分数为

(5)

烟气循环倍率是表征富氧燃烧时进入循环的烟气占总烟气体积的比例，其余烟气或排入大气或压缩纯化捕集.烟气循环倍率为

(6)

3.2系统烟气量及CO2、O2体积分数数学描述

入炉可燃物与部分氧气发生反应，生成烟气从炉膛尾部排出.由化学计量数可知，1倍量值氧气生成1倍体积的CO2/SO2/NO2，1倍量值氧气生成2倍体积的CO/H2O，则炉膛出口烟气量为

(7)

其中α1+α2=1(α1、α2与煤种及燃烧状况有关，当燃料完全燃烧时，据表1煤质参数可得Min(α2)=16.7%，则α2≥16.7%)，β与燃料种类有关，文中设定β≥95%.

炉膛出口烟气氧体积分数的高低体现了过量氧气系数的大小以及燃料燃烧是否充分.

(8)

炉膛出口CO2由2部分构成，一部分由燃料燃烧生成，另一部分由一、二次循环烟气引入，即

(9)

其中，由元素分析可估算k1≈98.9%.

炉膛出口CO2体积分数为

(10)

富氧燃烧系统的漏风主要是指系统负压区段影响CO2富集的内漏，正压区段的外漏在实际运行中容易被发现、处理和控制，且大部分区段外漏可作为排烟看待，为合理简化，故不考虑外漏.富氧燃烧时，为防止炉膛漏风降低尾部CO2的富集浓度，采取微正压运行，但即使锅炉采用微正压运行，省煤器、空气预热器、尾部烟道、电除尘器、引风机、冷凝器、脱硫和除湿等工艺设备或流程区段仍处于较低负压区段，不可避免存在内漏.故烟气处理系统出口烟气量为

(11)

烟气处理系统出口氧体积流量由空气泄漏氧量和烟气原氧量构成，即

(12)

烟气处理系统出口烟气氧体积分数为

(13)

烟气处理系统出口CO2体积分数为

(14)

实际系统采用双碱法脱硫，不可避免会消耗部分CO2，文中假定k3≤3%.

3.3烟气中H2O体积分数数学描述

燃料带进水汽体积流量可根据元素成分摩尔质量分数推算：qV,H2O,in≈0.05×qV,coal.富氧燃烧模式下炉膛出口水分由3部分构成：一是燃料携带，二是循环烟气引入，三是燃料燃烧生成.炉膛出口H2O体积流量为

(15)

根据煤种元素构成及燃烧状况，可假定k2≥95%.

炉膛出口H2O体积分数为

(16)

富氧燃烧时烟气H2O体积分数较高，进行冷凝、除湿后的烟气中H2O体积分数为

(17)

(18)

依据模型调试需要，假定k4≥75%.

3.4烟气中N2体积分数数学描述

富氧代替空气作为助燃剂，大大减少了烟气中氮气的含量，但漏风仍然带入部分氮气.炉膛出口氮气由炉膛本体漏风和循环烟气中氮气组成，其体积分数为

(19)

烟气处理系统出口N2体积分数为

(20)

3.5模型约束条件

出于系统运行安全性考虑，燃烧室平均总氧体积分数取值范围为21%≤φO2≤32%.循环烟气量需要满足建立燃烧辐射传热区多相流场、保证对流换热面热交换、完成一次风携粉入炉3大要求，且考虑到注氧安全问题，需要将二次风空分纯氧体积分数稀释至38%以下，故循环烟气量在特定负荷下有一定的下限.然而，过大的循环烟气量会导致燃烧室火焰中心后移，使过热器和空气预热器等设备单元面临超温考验.因此，富氧燃烧时循环烟气量存在一个合理的范围，根据已有经验，可用烟气循环倍率进行表征：65%≤η≤85%.

炉膛出口烟气组分为CO2、CO、H2O、O2、N2、NOx和SO2，其中CO、NOx和SO2体积分数相对较小，文中将其总和记为φother,f.经过烟气处理系统脱硫脱硝后，出口烟气组分为CO2、CO、H2O、O2和N2.系统烟气组分存在质量守恒约束条件：

(21)

(22)

4　模型验证

4.1稳态工况下仿真结果与实测数据的对比

模型参照35 MW富氧燃烧电站锅炉系统结构，在锅炉燃烧及风烟循环过程物料平衡方程和相关数学约束条件的基础上，从系统配风量、燃烧化学计量关系和烟气各组分体积分数3方面建立干循环风烟燃烧系统的稳态模型.为验证该模型的置信度，在分布式控制系统(DCS)中选取富氧燃烧干循环模式下某一稳态工况3组采样时间间隔大于1 h的运行操作数据，将其作为模型输入激励，得到模型响应

结果.分别计算试验测量数据和仿真响应数据相对于DCS仪表量程的占比，归一处理后，进行实测值占比与模拟值占比的比较.

表2给出了富氧燃烧干循环模式下稳定燃烧时所选工况3个时间点的基本参数.表3给出了将该工况参数代入上述模型计算后得到的结果与实测数据的对比.

表2富氧燃烧干循环模式下所选工况的参数

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

参数数值参数数值入炉燃料量/(t·h-1)4.53机组运行负荷/%85热一次风氧体积分数/%21.5二次循环烟气量/(m3·h-1)t114825t215563t315219热二次风氧体积分数/%37.6系统漏风率/%1平均总氧体积分数/%27.5一次循环烟气量/(m3·h-1)t14979t25054t34953

表3　模型数据与实测数据的对比

从表3可以看出，当输入表2中稳态工况下3个时间点的参数后，经模型计算得出的结果与实测值归一化处理后非常接近.二次风理论供氧体积流量偏差稍大，这是因为模型中算法与实际DCS系统中流量温压密度补偿算法不同，其偏差在可接受范围内.至于烟气各组分体积分数的差异，可能是因为本模型为简化计算采用了部分假设，也可能是因为实际测量仪表存在误差，故二者不能完全一致，但各组分体积分数差值依然在5%以内，吻合度较高.综上所述，所建立的模型具有较好的置信度，能够准确反映富氧燃烧干循环模式下稳定运行时的烟气状态.

4.2仿真计算应用实例

烟气CO2体积分数是富氧燃烧电站锅炉碳捕集工艺的重要技术指标，在此仅举例说明循环烟气量或烟气循环倍率对炉膛出口CO2体积分数富集的影响.选用t3时刻实际工况的参数作为参考点，对循环烟气量或烟气循环倍率的变化进行仿真计算.

仿真计算时，控制一次循环烟气量和热一次风氧体积分数不变，仅改变二次循环烟气量，确保燃烧反应氧消耗量与燃料燃烧理论氧消耗量相等(即燃料完全燃烧)，从而研究总循环烟气量对烟气组分的影响，结果见图3.图3区域A中若干工作点为小范围调节二次循环风量，以尽可能维持仿真工作点与参考点的相似性，从而确保模拟结果可靠.区域A之外其余工作点则是二次循环风量调节幅度较大时的结果.

图3　总循环烟气量对烟气组分的影响

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

从图3可以看出，随着总循环烟气量的逐渐增加，炉膛出口CO2体积分数、N2体积分数及烟气循环倍率均呈上升趋势，炉膛出口H2O体积分数逐渐降低，根据物料平衡方程，可以推测炉膛出口CO2体积分数富集的裕度来自于烟气不断循环累积时H2O体积分数的下降.

由此可见，在一定程度上可通过增加循环风量来提高炉膛出口CO2体积分数，与实际运行二次循环风量的调节结果一致.

5　结　论

(1) 建立了一种富氧风烟燃烧系统稳态模型，将实际系统某稳态工况下DCS系统采集参数作为模型输入值，得到烟气各组分体积分数，并与实测数据进行对比，结果表明两者吻合度较高，误差在5%以内.

(2) 在富氧燃烧干循环模式稳态工况下，系统漏风一定时，适当增加循环风量，烟气循环倍率增大，可使炉膛出口CO2体积分数上升，炉膛出口H2O体积分数下降.

(3) 模型依靠合理假定简化燃料燃烧过程，仅能在一定程度上体现烟气组分体积分数的变化，存在对燃烧化学反应规律及其能量转换过程无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

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB707300)；国家科技支撑计划资助项目(2011BAC0500)；湖北省科技厅资助项目(2015ACA051)

刘杰(1989-)，江苏泰兴人，硕士研究生，主要从事富氧燃烧系统设计及运行控制方面的研究.

黄勇理(通信作者)，副教授，研究生导师，电话(Tel.)：13697335500；E-mail：huangyl@mail.hust.edu.cn.

1674-7607(2016)09-0677-06

TK229

A学科分类号：470.30