流化床设计
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我们用ASPEN 模块库中提供的RGIBBS 反应算法来模拟循环流化床反应器。RGIBBS 反应算法 基于整个反应系统处于Gibbs自由能最小（8）原理。由热力学第二定律,一个反应系统如处于 平衡状态，则系统Gibbs自由能最小。RGIBBS这个模块使用起来很方便,我们没有必要输入系 统独立的反应数目,只要指出可能的反应产物。反应的不平衡的程度可以用平衡温距来表示。 碳的未反应分率取 0.02(重量百分比)。 煤和焦采用 ASPEN 通常的处理方法。在 ASPEN PLUS 中储存了世界各地 500 多种煤样的组 分分析（PROXANAL），元素分析（ULTANAL）和硫分析(SULFANAL) 数据。提供了计算煤的物 性（包括焓、密度、热容等）的计算方法。 输入物流煤和焦必须提供组分分析、元素分析和硫分析数据。 如图 3,采用 RYILD 指定产率反应算法，输入煤和焦的元素分析数据，理论上将其设想分解 成单质(ELEMENT)，其分解热(QDECOM)送到 RGIBBS 反应算法,以确保整个反应过程的热平衡。 石灰石、J 阀返回的循环灰和空气和热损失也要输入反应器。RGIBBS 反应算法可以自动算 出反应器出口的绝热燃烧温度，炉出口的烟气的组成。MIX0 物流表示反应器出口绝热燃烧 物流。 模块 RADIATE1 和 RADIATE2 模拟炉内的传热过程，传热总热量为汽包热负荷和炉内的过热 蒸汽管吸热总和，F1 为 ASPEN 内置 FORTRAN 模块。 F1 计算 RADIATE1 和 RADIATE2 的热量 分配系数，确保 MIX0 物流温度为 900℃左右。模块 SPLIT 模拟了旋风操作，99%左右的飞灰 物流 ASH1 回到 J 阀。 模块 SLAG 模拟了排渣，ASH 是排出的渣物流，绝大部分飞灰 ASH2 回到模拟反应器的模块 BURN。 通过置于旋风内的包覆过热器的蒸汽同时和烟气和循环灰换热，图中内置 FORTRAN 模块 F2 计算包覆过热器热量分配系数，其一部分热量给旋风中的回灰（QA），一部分热量给去烟道 的烟气（QB）。热量分配系数拟合旋风出口的烟气温度。指定流量和温度的锅炉给水物流 WATER0 在烟道加热后，进入模拟汽包的模块 BOILER，在指定的压力下(113.7Bar)全部汽化， 分别进入模拟包覆过热器（模块 SUPH0）、I 级蒸汽过热器（模块 SUPH1）II 级蒸汽过热器 (模 块 SUPH2) 、III 级蒸汽过热器（模块 SUPH3），确保汽机用的蒸汽温度是 540℃，99Bar。
28.15
减温减压器 (H1+H2) 5.8 5.2
项目
设计 计算
气包 出口
884 883
表 3 烟气温度分布(℃)
包 覆 过 III 级蒸 I 级 蒸
热器 出口
汽过热器 汽 过 热
出口
器出口
省煤器 出口
空气预 热器 出口
830
737
472
259
133
832
743
485
257
136
图 2 中，模块之间的各股物流的温度、压力、组成和焓等数据都准确计算出来了。
图1 CFB 烟道流程
3. 模拟的要求和简化假设（5）
模拟的目的是对一个 Foster Wheeler 设计的流程装置进行能量和物料核算。为进一步装置节 能改造提供依据。 模拟的说明： 1) 我们进行的是稳态模拟，所有的变量不随时间变化。不计算流程的压力和压力降，压力
和压力降作为单元模块的设定条件。 2) 在 ASPEN Plus 稳态模拟中,流程中所有的控制用设计规定(DESIN-SPEC)
1. 前言
循环流化床燃烧技术是 80 年代发展起的一种新型燃烧技术。已在我国中小型电厂锅炉得到 应用。开发循环流化床全流程模拟软件对于提高我国自行设计和装置改造水平十分重要。 计算机流程模拟是工业过程获得最大经济效益的基本工具（1）。ASPEN(Advanced System for Process Engineer)PLUS 是第三代过程模拟软件。它的一个重要的特点是可以处理固体和电 解质物流。例如固体的粉碎和分离,固体的粒度的分布.ASPEN PLUS也可以表示出煤和矿石 物流（2）。 ASPEN PLUS 使用面向问题的图形化输入,比较容易掌握。在进行流程模拟时,只要提供 1)流 程结构；2)单元操作和物流的联系;3) 单元操作的条件;4)由物性库中所选择的物性模型,流程 的计算就会自动进行。 一个大的流程可以用许多模块来表示。每一个模块表示了 ASPEN PLUS 系统中的一个模型 子程序。一个单元操作可以用一个模块或几个模块来表示。 ASPEN PLUS稳态模拟软件的平台已经成为计算化工、冶金行业强有力的软件工具（3）. 本文描述了在 ASPEN PLUS 平台来模拟包括流化床,渣处理,蒸汽发生和烟气换热循环流化 床流程。
带有少量粉尘的烟气离开旋风分离器,依次将其 800℃左右的余热传给蒸汽、
锅炉给水、一次风和二次风,由电除尘除灰后,被引风机导入烟囱。炉渣由炉下部排出,经风
冷后排出。
水
4
3
BFW1
12
X1
DRUM
SHII
7
下降管
1
炉膛
889C
12 水
5
X2
BFW1
8
SH3
540C 过热蒸汽 去透平
6
SH1
9
ECO
锅炉给水
-4-
http://www.paper.edu.cn
图中 H1 是模拟第一减温减压器，D1 是 ASPEN 中的设计规定模块，用一个收敛方法调整减温 减压水的量 COO1 物流，来保证的过热蒸汽的出口温度。同样，H2 是模拟第二减温减压器， COO2 是模拟第二减温减压水的物流．表示一次风的物流 AIR1 和表示二次风的物流 AIR2 在 AIRMIX 模块中混合后加热到指定的温度 190℃,和过程用的高压风 AIR3 混合后,进入反应 器．按实际的模拟要求，蒸汽的出口温度是要求的，其等量的热物流 QQ1…QQ6 送到烟气侧， 以保证热平衡．烟气侧用的 ASPEN 的物性集 SYSOP0。
5. 模拟结果分析：
使用 ASPEN 稳态模拟软件,用户只要输入整个流程的外界输入物流和设备参数,模块之间的 物流通过软件就可计算出来。 我们的目的是对 Foster Wheeler 提供的设计进行能量和物料的校核。 煤、焦、锅炉给水为输入物流。采用 Foster Wheeler 提供的设计值。 模拟计算提供了和设计相近的结果。
5． 结论
用 ASPEN PLUS 软件复核 Foster Wheeler 提供的设计数据,模拟的计算得到相近的结果。ASPEN PLUS 软件包括了一般的通用处理模块,又具有处理包括煤的固体物流的能力,如果再补加一 些描述循环流化床的 FORTRAN 模块将会成为热工工程师有利的工具。成为我们进行流程的 改造和优化的计算基础。
-1-
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燃料煤,焦和石灰石被磨碎机磨成很小的颗粒，送入炉膛的下部后,由下部的流化空气吹入旋
风分离器。99%以上的颗粒被旋风分离,落入 J 阀中,由于高压风(AIR3)的松动作用, J 阀中的
灰循环回 CFB 炉, 循环灰一般为进料固体量的的 10-20 倍。
或模块的输入规定来实现。 3) 循环流化床考虑如下反应（6）
循环流化床的炉膛温度都在 800-950℃左右，由于温度很高，煤的颗粒很小，煤的热分解 速度和反应速度都很快，我们认为整个过程由平衡控制。 考虑如下反应：
COAL (CHAR)----Æ C + V.P V.P 包括:H2,SO2,NO 等.
化学工业出版社，2002. (9) Schmidt,L.D., The Engineering of Chemical Reactions, Oxford
-2-
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CACO3 (石灰石) -----Æ CAO + CO2 C + O2 ---Æ CO CO + O2 ---Æ CO2 S + O2 ----Æ SO2 SO2 + CAO + O2 ---Æ CASO4 NO + C ---Æ CO2 + N2 所以产物包括: CO 、 CO2 、 O2 、N2 、NO 、H2 、H2O 、SO2 、C 、 S、SIO2、CACO3 、CASO4、CAO 蒸汽和纯水的物性采用 ASPEN PLUS 物性库中 SYSOP12 物性集(严格的水的物性表格)，以蒸 汽和水的热负荷要求为基准，计算所需要的减温减压水量、烟气组成和温度分布，和 Foster Wheeler 提供的设计数据比较。 4) 由于流量小，J 阀中用于松动灰层的高压风不参加循环灰的热平衡计算。
2. 过程的描述（4）
下图描述了 Foster Wheeler 循环流化床的过程。 锅炉内包括了炉膛, 旋风分离器，固体颗粒再循环装置:J 形阀,气包,置入旋风内的包覆过热 器，三个蒸汽再热器，省煤器,一次风和二次风予热器。炉膛的燃烧室由水冷壁环绕。 炉膛的下部导入燃料、石灰石和循环灰。底部分布多个燃气或者油的喷嘴，用于开车和灰的 排出。大部分的燃烧过程发生在燃烧室的下部，对水冷壁的辐射和对流传热主要发生在燃烧 室的上部。由一次风予热器加热的一次风从下部吹入,起主要的流化作用,二次风由燃烧室的 中部导入,以补充进一步燃烧需要的氧气。气包顶部引出的蒸汽通过置入旋风内的包覆过热 器过热,加入减温水,依次通过置入烟道里的第一过热器, 置入炉膛内的第二过热器,再加入减 温水,以控制蒸汽的过热温度,最后导入置入烟道内的第三过热器,产生 540℃过热蒸汽,驱动 透平发电。
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循环流化床过程的流程模拟
许正宇
中国化工信息中心 华康达公司, 北京(100029)
E-mail：xuzhengyu@bjhkd.com
摘要：本文利用流程模拟软件 ASPEN 对包括灰循环、烟气换热系统的循环化流化床流程进 行了稳态模拟，得出了和 Foster Wheeler 提供的设计相近的模拟结果。并指出 ASPEN 软件 在电厂过程的设计、流程改进和优化方面应用的前景。 关键词:ASPEN; 循环流化床; 模拟计算 中图分类号: TK229.8 文章标识码 A
AIR2 煤 焦
2 AIR1
10
AIR1
一次风
AIR2
11
AIR2
烟囱
二次风
15
13
AIR1
AIR3 高压风
排渣
电除尘
引风 机
14
1 炉膛 2 下降腿 3 气包 4 烟道 5 包覆过热器 6 I级蒸汽过热器 7 II级蒸汽过热器 8 III级蒸汽过热器1 9 省煤器 10 一次风换热器 12 一次风换热器 13 电除尘 14 引风机 15 烟囱
项目 设计 计算
项目ห้องสมุดไป่ตู้
设计 计算
CO2% 14.63 14.65
表 1 出口烟气组成比较
O2%
N2&
3.3
74.82
3.24
74.87
H2O% 7.22 7.22
SO2% 0.02 0.017
气包
103.4 102.
表 2 热负核比较（MW）
蒸汽过热器 省煤器
(1+2+3)
64.79
28.23
63.1
-5-
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参考文献 (1) ASPEN PLUS Introductory Manual, ASPEN Technology, Inc., (2) Cambridge, Massachusetts 1994. (3) 许正宇.化工冶金,1987,8(3):32-37. (4) 许正宇,吴宝琛.钢铁,1987,22(12):8-12 (5) 岑可法等。循环流化床锅炉设计与运行.北京：中国电力出版社，1998。 (6) 张斌,李政等.化工学报,2003,54(8):1179-1182. (7) 徐越,吴一宁等.西安交通大学学报,2003,37(7):692-694 (8) Warren D.Seider et aL., Process Design Principles, 北京：
4. 循环流化床的ASPEN PLUS 模拟（7）
对上述流程 ASPEN PLUS 模拟的框图如图 2 所示。
我们用下列模块来模拟 CFB 炉的反应过程：
-3-
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在 ASPEN 模拟模块图中上一行是模块名，带括号下面一行是 ASPEN 单元操作的算法名。模 块之间由物流联系起来。物流是单元操作之间的信息流，包括组成、 温度、压力、流量和热力学状态参数等。
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减温减压器 (H1+H2) 5.8 5.2
项目
设计 计算
气包 出口
884 883
表 3 烟气温度分布(℃)
包 覆 过 III 级蒸 I 级 蒸
热器 出口
汽过热器 汽 过 热
出口
器出口
省煤器 出口
空气预 热器 出口
830
737
472
259
133
832
743
485
257
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图 2 中，模块之间的各股物流的温度、压力、组成和焓等数据都准确计算出来了。
图1 CFB 烟道流程
3. 模拟的要求和简化假设（5）
模拟的目的是对一个 Foster Wheeler 设计的流程装置进行能量和物料核算。为进一步装置节 能改造提供依据。 模拟的说明： 1) 我们进行的是稳态模拟，所有的变量不随时间变化。不计算流程的压力和压力降，压力
和压力降作为单元模块的设定条件。 2) 在 ASPEN Plus 稳态模拟中,流程中所有的控制用设计规定(DESIN-SPEC)
1. 前言
循环流化床燃烧技术是 80 年代发展起的一种新型燃烧技术。已在我国中小型电厂锅炉得到 应用。开发循环流化床全流程模拟软件对于提高我国自行设计和装置改造水平十分重要。 计算机流程模拟是工业过程获得最大经济效益的基本工具（1）。ASPEN(Advanced System for Process Engineer)PLUS 是第三代过程模拟软件。它的一个重要的特点是可以处理固体和电 解质物流。例如固体的粉碎和分离,固体的粒度的分布.ASPEN PLUS也可以表示出煤和矿石 物流（2）。 ASPEN PLUS 使用面向问题的图形化输入,比较容易掌握。在进行流程模拟时,只要提供 1)流 程结构；2)单元操作和物流的联系;3) 单元操作的条件;4)由物性库中所选择的物性模型,流程 的计算就会自动进行。 一个大的流程可以用许多模块来表示。每一个模块表示了 ASPEN PLUS 系统中的一个模型 子程序。一个单元操作可以用一个模块或几个模块来表示。 ASPEN PLUS稳态模拟软件的平台已经成为计算化工、冶金行业强有力的软件工具（3）. 本文描述了在 ASPEN PLUS 平台来模拟包括流化床,渣处理,蒸汽发生和烟气换热循环流化 床流程。
带有少量粉尘的烟气离开旋风分离器,依次将其 800℃左右的余热传给蒸汽、
锅炉给水、一次风和二次风,由电除尘除灰后,被引风机导入烟囱。炉渣由炉下部排出,经风
冷后排出。
水
4
3
BFW1
12
X1
DRUM
SHII
7
下降管
1
炉膛
889C
12 水
5
X2
BFW1
8
SH3
540C 过热蒸汽 去透平
6
SH1
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锅炉给水
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图中 H1 是模拟第一减温减压器，D1 是 ASPEN 中的设计规定模块，用一个收敛方法调整减温 减压水的量 COO1 物流，来保证的过热蒸汽的出口温度。同样，H2 是模拟第二减温减压器， COO2 是模拟第二减温减压水的物流．表示一次风的物流 AIR1 和表示二次风的物流 AIR2 在 AIRMIX 模块中混合后加热到指定的温度 190℃,和过程用的高压风 AIR3 混合后,进入反应 器．按实际的模拟要求，蒸汽的出口温度是要求的，其等量的热物流 QQ1…QQ6 送到烟气侧， 以保证热平衡．烟气侧用的 ASPEN 的物性集 SYSOP0。
5. 模拟结果分析：
使用 ASPEN 稳态模拟软件,用户只要输入整个流程的外界输入物流和设备参数,模块之间的 物流通过软件就可计算出来。 我们的目的是对 Foster Wheeler 提供的设计进行能量和物料的校核。 煤、焦、锅炉给水为输入物流。采用 Foster Wheeler 提供的设计值。 模拟计算提供了和设计相近的结果。
5． 结论
用 ASPEN PLUS 软件复核 Foster Wheeler 提供的设计数据,模拟的计算得到相近的结果。ASPEN PLUS 软件包括了一般的通用处理模块,又具有处理包括煤的固体物流的能力,如果再补加一 些描述循环流化床的 FORTRAN 模块将会成为热工工程师有利的工具。成为我们进行流程的 改造和优化的计算基础。
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燃料煤,焦和石灰石被磨碎机磨成很小的颗粒，送入炉膛的下部后,由下部的流化空气吹入旋
风分离器。99%以上的颗粒被旋风分离,落入 J 阀中,由于高压风(AIR3)的松动作用, J 阀中的
灰循环回 CFB 炉, 循环灰一般为进料固体量的的 10-20 倍。
或模块的输入规定来实现。 3) 循环流化床考虑如下反应（6）
循环流化床的炉膛温度都在 800-950℃左右，由于温度很高，煤的颗粒很小，煤的热分解 速度和反应速度都很快，我们认为整个过程由平衡控制。 考虑如下反应：
COAL (CHAR)----Æ C + V.P V.P 包括:H2,SO2,NO 等.
化学工业出版社，2002. (9) Schmidt,L.D., The Engineering of Chemical Reactions, Oxford
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CACO3 (石灰石) -----Æ CAO + CO2 C + O2 ---Æ CO CO + O2 ---Æ CO2 S + O2 ----Æ SO2 SO2 + CAO + O2 ---Æ CASO4 NO + C ---Æ CO2 + N2 所以产物包括: CO 、 CO2 、 O2 、N2 、NO 、H2 、H2O 、SO2 、C 、 S、SIO2、CACO3 、CASO4、CAO 蒸汽和纯水的物性采用 ASPEN PLUS 物性库中 SYSOP12 物性集(严格的水的物性表格)，以蒸 汽和水的热负荷要求为基准，计算所需要的减温减压水量、烟气组成和温度分布，和 Foster Wheeler 提供的设计数据比较。 4) 由于流量小，J 阀中用于松动灰层的高压风不参加循环灰的热平衡计算。
2. 过程的描述（4）
下图描述了 Foster Wheeler 循环流化床的过程。 锅炉内包括了炉膛, 旋风分离器，固体颗粒再循环装置:J 形阀,气包,置入旋风内的包覆过热 器，三个蒸汽再热器，省煤器,一次风和二次风予热器。炉膛的燃烧室由水冷壁环绕。 炉膛的下部导入燃料、石灰石和循环灰。底部分布多个燃气或者油的喷嘴，用于开车和灰的 排出。大部分的燃烧过程发生在燃烧室的下部，对水冷壁的辐射和对流传热主要发生在燃烧 室的上部。由一次风予热器加热的一次风从下部吹入,起主要的流化作用,二次风由燃烧室的 中部导入,以补充进一步燃烧需要的氧气。气包顶部引出的蒸汽通过置入旋风内的包覆过热 器过热,加入减温水,依次通过置入烟道里的第一过热器, 置入炉膛内的第二过热器,再加入减 温水,以控制蒸汽的过热温度,最后导入置入烟道内的第三过热器,产生 540℃过热蒸汽,驱动 透平发电。
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循环流化床过程的流程模拟
许正宇
中国化工信息中心 华康达公司, 北京(100029)
E-mail：xuzhengyu@bjhkd.com
摘要：本文利用流程模拟软件 ASPEN 对包括灰循环、烟气换热系统的循环化流化床流程进 行了稳态模拟，得出了和 Foster Wheeler 提供的设计相近的模拟结果。并指出 ASPEN 软件 在电厂过程的设计、流程改进和优化方面应用的前景。 关键词:ASPEN; 循环流化床; 模拟计算 中图分类号: TK229.8 文章标识码 A
AIR2 煤 焦
2 AIR1
10
AIR1
一次风
AIR2
11
AIR2
烟囱
二次风
15
13
AIR1
AIR3 高压风
排渣
电除尘
引风 机
14
1 炉膛 2 下降腿 3 气包 4 烟道 5 包覆过热器 6 I级蒸汽过热器 7 II级蒸汽过热器 8 III级蒸汽过热器1 9 省煤器 10 一次风换热器 12 一次风换热器 13 电除尘 14 引风机 15 烟囱
项目 设计 计算
项目ห้องสมุดไป่ตู้
设计 计算
CO2% 14.63 14.65
表 1 出口烟气组成比较
O2%
N2&
3.3
74.82
3.24
74.87
H2O% 7.22 7.22
SO2% 0.02 0.017
气包
103.4 102.
表 2 热负核比较（MW）
蒸汽过热器 省煤器
(1+2+3)
64.79
28.23
63.1
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参考文献 (1) ASPEN PLUS Introductory Manual, ASPEN Technology, Inc., (2) Cambridge, Massachusetts 1994. (3) 许正宇.化工冶金,1987,8(3):32-37. (4) 许正宇,吴宝琛.钢铁,1987,22(12):8-12 (5) 岑可法等。循环流化床锅炉设计与运行.北京：中国电力出版社，1998。 (6) 张斌,李政等.化工学报,2003,54(8):1179-1182. (7) 徐越,吴一宁等.西安交通大学学报,2003,37(7):692-694 (8) Warren D.Seider et aL., Process Design Principles, 北京：
4. 循环流化床的ASPEN PLUS 模拟（7）
对上述流程 ASPEN PLUS 模拟的框图如图 2 所示。
我们用下列模块来模拟 CFB 炉的反应过程：
-3-
http://www.paper.edu.cn
在 ASPEN 模拟模块图中上一行是模块名，带括号下面一行是 ASPEN 单元操作的算法名。模 块之间由物流联系起来。物流是单元操作之间的信息流，包括组成、 温度、压力、流量和热力学状态参数等。