（动力工程及工程热物理专业论文）油泥砂流化床焚烧炉工作特性的模拟研究.pdf

s i m u l a t i o ns t u d yo no p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f o i ls a n df l u i d i z e db e di n c i n e r a t o r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d i n g z i f u s u p e r v i s o r ：p r o f l i ua n y u a n c o l l e g eo f a r c h i t e c t u r e & s t o r a g ee n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 心 帆 一叭5 一 8 一 7 一 7 一 哪7 一 y 关于同意使用本人学位论文的授权书 中国科学技术信息研究所是国家科技部直属的综合性科技信息研究和服务 机构，是国家法定的学位论文收藏单位，肩负着为国家技术创新体系提供文献保 障的任务。从六十年代开始，中国科学技术信息研究所受国家教育部、国务院学 位办、国家科技部的委托，对全国博硕士学位论文、博士后研究工作报告进行 全面的收藏、加工及服务，迄今收藏的国内研究生博硕士论文已经达到1 0 0 多 万册。 学位论文是高等院校和科研院所科研水平的体现，是研究人员辛勤劳动成果 的结晶，也是社会和人类的共同知识财富。为更好的利用这一重要的信息资源， 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目： 渔遑壁速丝压苤缝坦王往挂丝鲍搓拯殛究 毕业院校：虫国虿油太堂! 坐丕2 毕业时间：2 q ! q 生z 旦 论文类型：博士论文 口硕士论文 博士后研究报告口同等学力论文 0 。 口 授权人签字：丁囱宅 日期：弘f 刁年占月引日 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 o 荫 学位论文作者签名： 孑目函同期：刈。年厂月lr 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垦蔓 指导教师签名： 斗赶k f t 期：加f u 年，月j 厂同 日期：年月日 摘要 油泥砂是在油田生产活动中产生的，它主要来源于油田开采、原油集输及处理的各 个环节。根据我国石油行业生产的特点，油泥砂既是生产活动中产生的废物，又是有用 的二次资源。胜利油田胜利发电厂开发的流化焚烧炉为无害化、减量化、资源化处理油 泥砂开辟了一条新的途径，本文通过对s h f 2 0 1 3 3 5 0 y n 型焚烧炉工作特性的模拟研 究，为焚烧炉的设计和运行优化打下了良好的基础。 本文简要的概述了油泥砂的性质、危害及其处理方法，并介绍了s h f 2 0 一1 3 3 5 0 y n 型焚烧炉的运行参数、结构及特点。然后利用c + + 语言的面向对象的编程方法建立了焚 烧炉燃烧系统和汽水系统的整体数学模型。 本文建立的燃烧系统的模型是基于“小室 的一维稳态模型，在模型中将炉膛分为 底部的密相区和上部的稀相区，密相区作为一个独立的小室，稀相区沿炉膛高度均匀划 分为多个小室。文中考虑了焚烧炉内气固两相的流动、燃料的燃烧及传热等过程，并以 气体质量守恒、固体质量守恒及能量守恒为基础，以“小室模型来作为建立燃烧系统 内守恒方程的手段。汽水系统的数学模型包括蒸发区和单相介质换热器的数学模型。整 体模型中燃烧系统和汽水系统的衔接是通过受热面的吸热量和炉膛出口烟气参数来实 现的。在所建立的模型的基础上，本文还用c + + b u i l d e r6 编程工具开发了能反映焚烧 炉工作特性的模拟软件，软件操作方便、界面友好。 通过本文所建立的模型，对焚烧炉设计工况下的工作特性进行了模拟研究。结果表 明：焚烧炉炉膛底部温度较低，这是由于一次风没有经过预热并且燃料所含水分汽化潜 热较大造成的；同时，炉内0 2 、c 0 2 浓度分别随炉膛高度单调减少和增加；c o 浓度沿 炉膛高度则是先增加然后逐渐减少。 通过本文所建立的模型，模拟了焚烧炉负荷、过量空气系数以及燃料掺烧比例变化 对焚烧炉工作特性的影响。结果表明：负荷减小时，焚烧炉整体温度降低，燃烧条件变 差；过量空气系数增加时，炉膛下部温度降低，上部温度升高；燃料掺烧比例变化时， 水煤浆掺烧比例越大，炉膛整体温度越高，燃烧条件越好。 关键词：油泥砂，焚烧炉，数学模型，工作特性 s i m u l a t i o ns t u d yo no p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f o i ls a n df l u i d i z e db e di n c i n e r a t o r d i n gz i f u ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f l i ua n y u a n a b s t r a c t o i ls a n di sg e n e r a t e df r o mo i lp r o d u c t i o na c t i v i t i e sa n dm a i n l yf r o mt h ep r o c e s s e so fo i l e x p l o i t a t i o n 、o i l c o l l e c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p e t r o l e u mi n d u s t r yp r o d u c t i o ni nc h i n a , o i ls a n di sak i n do f w a s t ef r o mp r o d u c t i o na sw e l la s ak i n do fu s e f u ls e c o n d a r yr e s o u r c e t h ef l u i d i z e db e di n c i n e r a t o rd e s i g n e db ys h e n g l ip o w e r p l a n t ，w h i c hb e l o n g s t os h e n g l io i l f i e l d ，h a ss u p p l i e dan e ww a yt or e a l i z eh a r m l e s st r e a t m e n t o fo i ls a n d ，c u td o w ni t sb u l ka n dt r a n s f o r mi ti n t oe n e r g y b yt h es i m u l a t i o ns t u d yo nt h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es h f 2 0 1 3 35 0 y nt y p ei n c i n e r a t o r , t h i sa r t i c l em a k e sa w o n d e r f u lb a s ef o rt h ed e s i g na n do p t i m u mo p e r a t i o no fi n c i n e r a t o r t h ea r t i c l es i m p l ys u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r s ，h a r ma n dp r o c e s s i n gm e t h o d so fo i ls a n d i ta l s oi n t r o d u c e st h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，s t r u c t u r e sa n df e a t u r e so ft h es h f 2 0 1 3 35 0 一y n t y p e i n c i n e r a t o r t h e nt h eo v e r a l lm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rc o m b u s t i o ns y s t e ma n d s t e a m w a t e rs y s t e mo fi n c i n e r a t o ri se s t a b l i s h e db yu s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g m e t h o do fc + + l a n g u a g e i nt h i sa r t i c l e ，t h em o d e lo fc o m b u s t i o ns y s t e mi sao n e d i m e n s i o n a ls t e a d ym o d e lw h i c h b a s e so n “c e l l ”i nt h em o d e l ，t h ef u m a c ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ed e n s ez o n ea tt h e b o t t o ma n dt h ed i l u t ez o n ea tt h eu p s i d e t h ed e n s ez o n ei sai n d e p e n d e n tc e l l ，w h i l et h ed i l u t e z o n ei sr e g u l a r l yd i v i d e di n t os o m ec e l l sa l o n gt h eh e i g h to ft h ef u r n a c e t h i sa r t i c l ec o n s i d e r s t h ep r o c e s so fg a sa n ds o l i df l o w 、f u e lc o m b u s t i o n 、h e a tt r a n s f e ra n ds oo n ，a n db a s e so nt h e g a sm a s sc o n s e r v a t i o n 、t h es o l i dm a s sc o n s e r v a t i o na n dc o n v e r s a t i o no fe n e r g y , a n du s e s “t h e m o d e lo fc e l l ”a sam e t h o dt ob u i l dc o n s e r v a t i o ne q u a t i o ni nc o m b u s t i o ns y s t e m t h e s t e a m w a t e rs y s t e mi n c l u d e st w om a t h e m a t i c a lm o d e l s ：t h ee v a p o r a t i o nz o n ea n dt h e s i n g l e - p h a s eh e a te x c h a n g e r i nt h ew h o l em o d e l ，c o m b u s t i o ns y s t e ma n ds t e a m - w a t e rs y s t e m 1 1 a r ec o n n e c t e db yf l u eg a sp a r a m e t e r sa tt h eo u t l e to ft h ef u r n a c ea n dh e a tt r a n s f e ro ft h e h e a t i n gs u r f a c e b a s e do nt h em o d e lt h a th a sb e e nb u i l t ，t h i sp a p e ra l s ou s e sc + + b u i l d e r6 p r o g r a m m i n gt o o l t od e s i g nas o f t w a r ew h i c hc a l lr e f l e c tt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f i n c i n e r a t o r , t h es o r f t w a r ei se a s yt oo p e r a t ea n dh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e a c c o r d i n gt o t h em o d e l st h a th a v eb e e nb u i l t ，t h i sa r t i c l es i m u l a t e sa n ds t u d i e s t h e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n c i n e r a t o ru n d e rd e s i g nc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a ta t t h eb o t t o mo ft h ei n c i n e r a t o rt h et e m p e r a t u r ei sa tal o wl e v e l ，i ti sb e c a u s et h a tt h ep r i m a r ya i r i sn o tp r e h e a t e da n dt h el a t e n th e a to fw a t e ri nt h ef u e li sr a t h e rl a r g e m e a n w h i l e ，t h er e s u l t s a l s os h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no f0 2g r a d u a l l yd e c r e a s e sa l o n gt h eh e i g h to ff u m a c ea n dt h e c o n c e n t r a t i o no fc 0 2i n c r e a s e sa l o n gt h eh e i g h to ff u r n a c e a tf i r s t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fc o i n c r e a s e s ，a n dt h e ng r a d u a l l yd e c r e a s e sa l o n gt h eh e i g h to ff u r n a c e a c c o r d i n gt ot h em o d e l st h a th a v e b e e nb u i l t ，t h ee f f e c t so fi n c i n e r a t o rl o a d 、e x c e s sa i r c o e f f i c i e n t 、f u e lr a t i oo no p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi n c i n e r a t o ra r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y r e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h el o a dd e c r e a s e st h eo v e r a l lt e m p e r a t u r eo fi n c i n e r a t o rw i l ld e c r e a s e a n dt h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o nw i l lb e c o m ew o r s e ；w h e nt h ee x c e s sa i rc o e 街c i e n ti n c r e a s e s t h eb o t t o mt e m p e r a t u r eo ff u r n a c ew i l ld e c r e a s ew h i l et h eu p s i d ew i l li n c r e a s e ；w h e nt h ef u e l r a t i oc h a n g e s ，t h em o r et h ec w sr a t i oi n c r e a s e s ，t h eh i g h e rt h eo v e r a l lt e m p e r a t u r eo ff u m a c e w i l lb ea n dt h eb e t t e rt h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o nw i l lb e k e yw o r d s ：o i ls a n d ，i n c i n e r a t o r , m a t h e m a t i c a lm o d e l ，o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c 1 1 l 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 油泥砂的性质及危害1 1 2 1 油泥砂的性质l 1 2 2 油泥砂的危害2 1 - 3 油泥砂处理技术概述一2 1 4 本文的研究内容5 第二章油泥砂流化床焚烧技术简介。7 2 1 运行参数。7 2 2 焚烧炉结构8 2 3 油泥砂处理工艺流程9 2 4 焚烧炉特点1 0 第三章焚烧炉综合数学模型11 3 1 循环流化床模型的研究现状1 l 3 1 1 数学模型的类型1 2 3 1 2 数学模型研究状况1 3 3 2 本文建立的燃烧系统数学模型简述1 4 3 3 流动模型1 5 3 3 1 密相区流动模型一1 6 3 3 2 稀相区流动模型1 7 3 4 燃烧模型1 9 3 4 1 气体均相反应1 9 3 4 2 焦炭颗粒的燃烧2 0 3 5 传热模型2 3 3 5 1 对流传热系数计算2 3 3 5 2 辐射传热系数计算2 5 3 6 燃烧系统模型平衡方程2 5 3 6 1 气体质量平衡2 8 3 6 2 固体质量平衡2 8 3 6 3 能量平衡2 9 3 7 汽水系统数学模型2 9 3 7 1 蒸发区数学模型3 0 3 7 2 单相介质换热器数学模型3 1 3 8 工质热物性的处理3 3 3 9 综合数学模型的求解。3 5 第四章焚烧炉工作特性模拟软件简介3 6 4 1 软件开发环境。3 6 4 2 软件的功能3 7 4 3 软件的组成。3 7 4 3 1 主界面3 7 4 3 2 菜单栏3 8 4 3 3 工具栏4 5 第五章工作特性模拟计算结果及分析4 6 5 1 设计工况下的工作特性4 6 5 2 负荷变化时的工作特性5 0 5 3 过量空气系数变化时的工作特性5 3 5 4 油泥砂和水煤浆掺烧比例变化时的工作特性一5 6 结论6 0 参考文献6 2 致谢一6 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀了匕 油泥砂是一种原油中所含的油泥、油砂沉淀后形成的污染物，主要来源于油田接转 站、联合站的油罐、沉降罐、污水罐、隔油池的底泥以及钻井、作业、管线穿孔而产生 的含油污泥【1 】。在国内石油石化行业中，胜利油田每年产生油泥砂约1 1 万t 左右，大港 油田每年约产生1 5 万t ，这些油泥砂若不加以处理而直接排放，不但占用大量耕地，而 且会对周围土壤、水体、空气都将造成污染，因此，国家环保总局、经贸委、公安部于 1 9 9 8 年1 月4 日联合颁布的国家危险废物名录中已将其列入危险废物名单。由于我 国长期以来一直奉行以经济发展为中心的政策，片面的追求高产量而忽略了对环境的保 护。严峻的现实已经使油泥砂无害化处理工作迫在眉睫。针对我国一些地方片面追求 g d p ，甚至不惜以牺牲环境为代价的做法，国家有关部f - j a n 强了环保法规方面的约束， 于1 9 9 5 年颁布实施中华人民共和国固体废物环境污染防治法后，2 0 0 3 年7 月又发 布并施行国家排污费征收标准管理办法，并明确要求各级环保部f - j a n 强监察力度。 根据“固体废物及危险废物排污费征收标准”的规定：对没有专用贮存或者处置设施以 及专用贮存或处置设施达不到无防渗漏、防扬散、防流失设施环境保护标准而排放的工 业固体废物，次性地征收固体废物排污费。对以填埋方式处置危险废物并且不符合国 家有关规定的，危险废物排污费征收标准为每次每吨1 0 0 0 元。因此，油泥砂治理逐步 成为制约油田生产发展的焦点问题，寻求建设科学可靠的处理油泥砂技术项目迫在眉 睫。 根据我国石油行业产生的固体废弃物的特点可知，油泥砂既是生产活动中产生的废 物，又是有用的二次资源，如果对这些油泥砂进行有组织的收集，并开发研究出适当的 方法工艺，那么不仅能回收大量的能源和减轻污染，而且会产生很大的经济效益【2 1 。 1 2 油泥砂的性质及危害 1 2 1 油泥砂的性质 1 含水量高，含砂量大。在油田进入深度开发后，油中所含的水，泥砂量越来越 多，在原油脱水罐、贮油罐等设施下存在大量的油泥砂。特别是在稠油开采中，由于稠 油粘度高，相对密度大，凝固点低，因此含泥砂量更大。 2 不容易处理。由于油泥砂来源于不同的原油生产过程中，因此其性质差别较大， 第一章绪论 且在原油生产过程中需要使用化学药剂来辅助采油，这使得油泥砂更难处理。 3 含有较多有害物质，污染环境。在油泥砂的水分中存在石油类、重金属、c o d 、 b o d 、无机盐等有害物质，这些物质如果直接排放入环境，将造成环境污染。 4 含有大量的油和可燃物质。采油企业污水处理系统中的污泥含油质量分数为 2 1 0 ，在除砂器、原油处理的压力容器和大罐中所排出的污泥含油质量分数为 2 5 - 3 0 ，炼厂排出的污泥中含油质量分数高达3 0 - 3 5 ，这些污泥中含有大量的 污油，如不经处理，直接排放，不仅污染环境，而且是一种严重的浪费。 1 2 2 油泥砂的危害 1 污染大气。油泥砂中含有的烃类物质，特别是一些对生态环境毒害较大的芳烃 类物质，挥发进入大气后，容易造成大气污染。而且伴随着时间的推移，油泥砂中所含 有的水分会因挥发而减少，油泥砂会因为干枯而变的结构松散，当遇到大风天气的时候， 就会引起沙尘暴灾害天气。 2 污染土壤和水。在露天环境中堆放的没有任何防渗设施的油泥砂中的有害重金 属及有机物经过风吹雨淋不仅造成土壤盐碱化、毒化，致使土壤破坏而且容易进入地下 水源，最终直接危害人类。 3 影响生产。大量的油泥砂沉积在污水净化设施、油水分离罐中，将影响设备的 正常运行。 1 3 油泥砂处理技术概述 目前，对油泥砂的处理方式主要有固化法、焦化法、分离法、生物法、回注法、掩 埋法、堆放法、焚烧法等。 ( 1 ) 固化法 固化方法是用来处理有害物质的比较理想的一种无害化、减量化处理方法。它是利 用物理化学方法使油泥砂固化或者混合在惰性固化材料中的一种无害化处理技术，经过 处理后有利于运输、使用或者处理。这种处理方法能最大程度地减少含油泥砂中的有害 离子以及有机物质对土壤的腐蚀和破坏，从而减少了对环境的影响和危害。国外发达国 家普遍采用此技术来对有毒固体废物进行处置，并认为这是一种最好的将危险物转变成 为对环境有利的物质的处理方法。国内研究者认为，固化法处理石油污泥不仅不会对土 壤产生不利的影响，而且土壤中的微生物能够分解掉土壤在自净情况下迁移出的少量的 2 该方法是利用土壤中的微生物将含油污泥中的废油、有机物降解并且最终将其转化为 c 0 2 、水及细胞物质，并增加土壤腐殖质含量。堆肥法有堤形堆肥法、静态堆肥法、封 闭堆肥法和容器堆肥法等，它是用自然条件下存在的微生物来将与适当材料混合堆置的 油泥中的烃类降解的过程。生物反应器处理方法是利用微生物的降解来实现的，它可以 人为地控制充氧、温度、营养物质等影响条件，从而使烃类物质的生物降解速度较其他 生物处理过程变快，对于那些驯化过的高效烃类氧化菌，能使烃类物质的生物降解更快 【3 ，4 】。生物反应器法可以用来处理含油污泥，油污土壤及含油钻屑等，经过处理后的液体 可以排入专用储存地或者综合利用，固体可以用来重新在农田中使用。另外，生物反应 器法还可对石油工业废弃物进行预处理从而来减少烃类含量。 ( 5 ) 回注法 回注法是先将油泥砂经过化学处理过程，然后再经过物理过滤最后经过调配后回注 到高渗透地层的一种方法。该方法只在一些特殊的区块适用，并且对油泥砂有较高的要 求，它只能处理极细的油泥砂。 3 第一章绪论 ( 6 ) 掩埋法 该方法是将生产生活中的油泥砂填入掩埋场或者将经过固化、干化、分离出原油后 的泥沙等填入掩埋场所的一种处理方法。 ( 7 ) 堆放法 堆放法是将油泥砂堆放在专门修建的场地集中存放的方法。该种方法长时间的存放 不符合我国环境保护的要求，只能用来临时的存放，所以还要采取其它无害化处理方法 来对其处理。为了防止产生污染环境一般采用有排水系统可以防渗漏的半地下式的存放 场所来临时存放【5 1 。 ( 8 ) 焚烧法 焚烧法是建设专门焚烧设备配合可燃物质对油泥砂进行焚烧，该方法可以对油泥砂 作彻底的处理，但是，传统的焚烧法投资大，需要助燃剂，运行设备不可靠，不能回收 资源，因此一直未能得到推广和有效运用。胜利油田胜利发电厂建成了全国首座年处理 油泥砂能力5 万t 的油泥砂焚烧厂，专门从事油泥砂的储存和大规模的无害化处置。该 项目主要采用集中“流化焚烧法”，可实现对油泥砂的安全无害化处理和综合利用，符 合国家各项处理指标要求，目前在全国还属首创。由于通常情况下石油污泥具有较高的 热值，且焚烧过程中可以用来发电，因此采用焚烧发电的无害化综合利用的方法是很有 前景的。 ( 9 ) 其它处理方法 油泥砂掺入煤粉可以作为烧砖的燃料或者掺入适当的助燃物质生产型煤。此外，河 南油田的石油污泥调剖技术是采用化学处理的方法在含油污泥中加入添加剂并利用含 油污泥与地层的配伍性，使其变成为活性稠化的调剖剂，提高封堵强度，从而用来封堵 高渗透地带地层，该技术不仅不污染中、低渗透层解决了含油污泥污染和利用的问题而 且可以提高回注污水的质量。美国的冷冻解冻法是采用在冷冻过程中从冻格中驱除污泥 表面活性剂分子，达到反乳化；解冻过程中在污泥表面形成活性剂胶束，完成乳化作用， 从油包水的乳状液中来分离油和水实现对油污泥的处理的3 1 。 ( 1 0 ) 处理方法对比 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表1 - 1 油泥砂处理方法对比 t a b l e l 一1 c o m p a r i s o no fo i ls a n dp r o c e s s i n gm e t h o d s 处理方法 适用范围优点缺点 简单处理含油泥砂，污泥简单方便污染环境，不能回收原油 需要处理装置，需加入化学药 含油量在5 0 0 - 1 0 以上的可以回收原油，实现 物理化学处理剂，有污水、废渣产生，处理 含油污泥，油泥砂综合利用 成本高 生物处理含油泥砂，污泥节省投资，环保处理周期长，不能回收原油 含油量在5 l o 以下的需焚烧装置，通常需加入助燃 焚烧处理污泥、油泥砂及含有害有彻底处理有害物质剂，不能回收原油，大多数设 机物的污泥备运行不可靠 作燃料处理部分含油污泥、油泥砂容易操作范围有限，不能回收原油 1 4 本文的研究内容 胜利油田胜利发电厂与上海交通大学联合研发的焚烧炉自2 0 0 7 年1 0 月投产以来已 经取得了巨大的经济和社会效益。油泥砂在经过流化焚烧后，直接送入电厂使用，每小 时可以产生蒸汽2 0 吨，发电1 5 0 0 多度。通过该设备不仅处理了油泥砂，而且还利用燃 烧产生的蒸汽发了电，同时焚烧后的泥、沙还可以用来作为建筑材料和回填土加以全部 回收利用。 但是作为一种新型的燃料焚烧设备，亟待解决的问题还很多，并且出于安全性和经 济性的原因，现场试验改进的方法因具有周期长、风险和投资比较大等特点而不太容易 实现，因此，如何完善和优化焚烧炉的设计并准确而有效的预测系统的工作特性是发展 流化焚烧技术的关键问题。本文就是在这一背景下，以胜利油田胜利发电厂的流化焚烧 炉为研究对象采用建模模拟的方法，根据循环流化床现有的流动、燃烧、传热等理论， 与现场的实际运行相结合，在合理的修正、扩充和细化已有的模型的基础上，建立适合 焚烧炉的模型，完成模型的分解与集成建立系统的整体综合模型，并通过对焚烧炉工作 特性的模拟研究，预测炉膛温度、炉膛烟气成分及尾部对流受热面工质参数的数值、分 布及其变化趋势从而为焚烧炉的设计和优化打下良好的基础。本文的主要内容： 进行系统分析，将系统按功能合理分解成各个子系统，直到基本的设备或过程单 5 第一章绪论 兀o 分析各个基本的设备或过程单元的工作过程，提取其共有属性，通过合理简化， 建立其数学模型。根据焚烧炉的特点，对燃烧、汽水系统进行研究，建立以上系统及其 各子系统的数学模型。对于燃烧系统主要是建立流动、燃烧、传热等模型；对于汽水系 统主要是建立蒸发区及单相介质换热器的数学模型。 编写公用函数库。在热力系统建模的过程中，需要用到工质物性参数等的计算， 这些计算十分的重要但是非常的繁琐。如果将这些物性参数的计算方法，以调试好的函 数子程序的方式放入公用函数库中，在建立过程模型进行数学模拟算法设计时，就可以 直接调用，从而可以避免大量的重复工作，节省建立数学模型的时间。主要包括水、水 蒸汽、烟气的物性和状态参数计算、温压、对流换热及辐射换热系数等的计算。 利用c + + 语言的面向对象的编程方法将数学模型转化为适合在数字计算机上运 行的形式。完成系统的分解与集成，进而建立系统的整体的数值模拟模型。 利用c + + b u i l d e r6 的可视化编程技术，开发焚烧炉的可视化软件平台，为以后 的深入开发及数值模拟实验做好准备。 进行数值模拟实验、分析研究。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章油泥砂流化床焚烧技术简介 我国首个自主研发的年处理油泥砂5 万t 的流化焚烧处理工程于2 0 0 7 年在胜利油田 投产，该流化焚烧炉是胜利发电厂科研人员与上海交通大学联合展开研制的，自投产以 来现己经累计处理油泥砂8 万多t ，取得了巨大的经济和社会效益。油泥砂流化焚烧技 术就是将油泥砂通过专用的特种焚烧炉，根据来砂情况的不同，在炉内实现油泥砂独立 流化燃烧或加入燃料掺烧，在回收利用油泥砂中的石油类物质热量的同时实现对油泥砂 的无害化、减量化、资源化处理，焚烧炉排烟除尘使用布袋除尘器，烟尘排放浓度可完 全满足当地环保排放的要求( 小于5 0 m g m 3 ) ，处理后的灰送入电厂灰厂，同步综合利 用，可以用于建材和绿化。 2 1 运行参数 由于油泥砂的热值波动较大，范围为2 0 0 0 1 3 0 0 0 k j k g ，为了使油泥砂热值在低于 一定限度时候还能维持正常燃烧和确保焚烧炉能稳定运行，设计采用水煤浆作为伴烧燃 料 6 1 。水煤浆通过螺杆泵被送入焚烧炉，采用与油泥砂的给料方式相似的床上给料方式， 可以根据负荷、油泥砂的热值、床温的变化( 8 5 肚1 0 5 0 ) 而调整水煤浆的量，使在消 耗尽量少的水煤浆的基础上燃烧最多的油泥砂。焚烧炉的主要设计参数见表2 1 ，燃料 的元素分析和工业分析见表2 2 。 表2 - 1 焚烧炉的主要设计参数 t a b l e 2 - 1t h em a i nd e s i g np a r a m e t e r so fi n c i n e r a t o r 项目 数值 蒸发量t h a 2 0 出口压力m p a 1 3 出口气温 3 5 0 给水温度* c 1 0 5 冷空气温度* c 2 0 排烟温度 1 6 0 7 第二章油泥砂流化床焚烧技术简介 表2 - 2 设计燃料的元素分析与工业分析 t a b l e 2 - 2t h eu l t i m a t ea n a 眇s i sa n dp r o x i m a t ea n a l y s i so fd e s i g n e df u e l 名称符号油泥砂水煤浆 碳c 日 2 0 8 55 0 5 7 氢 h 日 2 7 0 3 2 7 元素分析( ) 氧 。口 6 0 06 1 3 氮 n 口 o 1 10 9 3 硫s 缸 1 4 0o 5 6 水分m 1 6 9 53 2 9 工业分析( ) 灰分 a 日 5 1 9 95 6 4 挥发分 v 甜 2 8 9 43 2 2 7 低位发热量 q 。州k j k g 8 5 3 01 8 8 7 7 2 2 焚烧炉结构 本焚烧炉为双锅筒横置式自然循环水管锅炉。焚烧炉上锅筒中心高度8 9 m ，炉膛上 联箱高度8 5 3 m ，炉膛出口中心线高度为7 5 m 。燃烧室内自下而上分为：梯形布风板， 锥形断面密相区，稀相区；炉膛出口布置组合式高温旋涡分离器；在分离器后布置一级 过热器，之后是对流管束和尾部对流竖井。 1 燃烧室 自下而上分为流化床、悬浮室，流化床底部为梯形布风板，该板与特定的流化参数 结合构成床内循环燃烧。悬浮室上方设有水冷分离燃尽回输系统。构成空间循环燃烧， 两者结合构成炉内复合循环燃烧。 2 分离器及回输系统 采用炉内高温组合式高温旋涡分离器专利技术及絮状重力滑移回输方式。 3 烟气转折室 炉内设高温组合式旋涡分离器，出口紧接烟气转折室以强化一次燃尽和惯性分离。 4 防渣管 布置在转折室出口。 5 过热器 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 过热器的入出口联箱为一体式，中间由堵板隔开，中部设有螺旋管式面式减温器调 节过热蒸汽温度。 6 锅炉管束 由横置式上、下锅筒间布置对流管束，并用隔墙将对流管束分为前后两部分。 i ，y i ij 。一 鼢 1 2 _ _ 一 _ l l 谰 v& _ l r 纽嘲 l 一一p 一匕 1 一忒 1 _ l l_ 一 10 厂 7 i i i i ll u l l i i lj n y a 、 kl 一 i i “ i l i d1 。 萨 、 塞乡 f 司租町- 1 9 s - ，工j hl 。 l 一 _ _ j _ j-i 一阿 0 第二章油泥砂流化床焚烧技术简介 后排烟经除尘器、烟囱排入大气。采用布袋除尘方式的除尘器，除尘效率可以达到9 9 8 以上，烟尘排放满足环境保护要求；处理后的灰送入电厂灰场，可以集中综合利用。 2 4 焚烧炉特点 图2 - 2 油泥砂处理工艺流程图 f i 9 2 - 2p r o c e s sf l o wd i a g r a mo fd e a l i n gw i t ho i ls a n d 焚烧炉结构的设计是以燃料特性为基础的，通常情况燃料的发热量对燃烧室的尺 寸、受热面的布置会有影响：成灰特性影响燃烧的组织和传热，挥发分的含量会影响燃 烧热量在炉膛高度上的分布，因此影响受热面的布置；灰的熔融特性对运行床温有制约 的作用【丌。根据油泥砂独特的物理和燃烧特性，焚烧炉在设计上具有如下特点： 利用石灰石与石英砂构成的媒体物料辅之于低温燃烧技术实现了油泥砂燃烧过 程中的直接脱硫，脱硫系统简单，成本低。 实现了油泥砂的低温燃烧，有力的抑制了热力型n o x 的生成与排放。 为油泥砂着火、燃烧、燃尽创造了有利条件，具有较高的燃烧效率。 采用循环流化床燃烧方法，油泥砂的异密度燃烧方法处理适应了油泥砂含水量 大，热值波动大的特点，可以稳定安全运行。 处理工艺简单，处理成本低，操作简单维修方便，运行安全，实现对油泥砂废弃 物的资源化利用。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章焚烧炉综合数学模型 油泥砂流化焚烧炉作为胜利发电厂联合开发的一种新型的焚烧设备，为处理油泥砂 等危险物开辟了一种无害化，资源化的方式。但是该焚烧炉作为一种新型的燃烧设备， 是一个大型的复杂系统。其内部过程包括气固两相流动、燃烧、传热和各种化学反应等， 过程是非常复杂的，在目前阶段人们还没有完全了解其内在规律；并且内部参数、外部 操作变量以及输入问存在极为复杂和敏感的相互联系。这种输入和输出间的详细联系和 数量已经不能由人的经验和头脑简单关联。因此，在深入的研究和开发过程中，数学模 型必然成为一种不可或缺的研究方法和工具，具有重要的学术意义和实用价值。数学模