石灰法單塔脫硫系統(tǒng)數(shù)值模擬

杜 軍，張 艷，鄭喜洋

（江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

石灰法單塔脫硫系統(tǒng)數(shù)值模擬

杜 軍，張 艷，鄭喜洋

（江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

通過對(duì)石灰法煙氣脫硫系統(tǒng)工藝進(jìn)行研究，以Aspen Plus模擬軟件為平臺(tái)，對(duì)單塔系統(tǒng)的化工過程進(jìn)行模擬，輸入熱煙氣的熱力學(xué)參數(shù)和操作條件，采用控制變量法，模擬塔內(nèi)發(fā)生的酸堿中和、吸收和氧化反應(yīng)過程。通過模擬入口煙氣流量、SO2濃度、鈣硫比等煙氣參數(shù)變化趨勢，進(jìn)一步分析各因素對(duì)脫硫效率的影響，以期對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)實(shí)際裝置的運(yùn)行情況，優(yōu)化現(xiàn)有的設(shè)備和流程，對(duì)進(jìn)一步完善和改進(jìn)脫硫工藝有著重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

石灰法；煙氣脫硫；煙氣量；Aspen Plus模擬；脫硫效率

近年來，石灰法煙氣脫硫技術(shù)因其脫硫效率高、無二次污染、脫硫副產(chǎn)品利用價(jià)值高等優(yōu)勢而倍受關(guān)注。雖然國內(nèi)外政府和企業(yè)對(duì)煙氣脫硫技術(shù)投資力度較大，并且已有明顯成果，但由于國內(nèi)廠家的生產(chǎn)成本有限、技術(shù)不夠成熟、催化劑效率限制等因素，要想使脫硫效果達(dá)到國外技術(shù)水平，還有很大的發(fā)展空間。所以開發(fā)適合我國電廠及其他行業(yè)生產(chǎn)需要的經(jīng)濟(jì)有效的煙氣治理方法是非常必要的[1]。

本文所介紹的石灰法煙氣脫硫工藝，利用生石灰為脫硫劑，經(jīng)過消化成熟石灰，通過霧化器霧化后變成細(xì)小石灰漿液，噴入脫硫反應(yīng)塔中，與熱煙氣中的酸性組分發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，以達(dá)到脫除SO2的目的。對(duì)于直接從外面購消石灰制成石灰乳液做脫硫劑的方法，用CaO取代Ca(OH)2的效果更好[2]。最后，采用大型通用流程模擬系統(tǒng)Aspen Plus，對(duì)單塔脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)變化進(jìn)行模擬和優(yōu)化，輸入熱煙氣的熱力學(xué)參數(shù)和操作條件，采用控制變量法，模擬實(shí)際裝置的運(yùn)行情況，爭取對(duì)現(xiàn)有的裝置和流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖1）。

圖1 石灰法脫硫工藝流程圖Fig.1 Limestone desulphurization process flow diagram

1 脫硫單塔系統(tǒng)模型建立

煙氣中SO2與堿性漿液Ca（OH）2的化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在緊鄰霧化器噴嘴的區(qū)域，相應(yīng)的反應(yīng)工程式如下：

本文設(shè)計(jì)的脫硫單塔系統(tǒng)模型，主要使用的是Aspen Plus軟件。Aspen是上世紀(jì)70年代由麻省理工學(xué)院（MIT）研制開發(fā)的一款生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬軟件，該軟件可以建立、顯示流程模擬圖及PFD-STYLE曲線圖[3]。根據(jù)軟件模塊分析，該模型將噴淋塔脫硫工藝主要分成四部分：(1)脫硫塔預(yù)洗滌和漿池段，此模塊完成包括煙氣溫度冷卻以及漿液中亞硫酸根的氧化過程。(2)脫硫塔吸收段。此模塊分成兩個(gè)區(qū)域：一是吸收區(qū)，主要負(fù)責(zé)將 SO2吸收使其進(jìn)入堿性小液滴中，為化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行做好準(zhǔn)備條件；二是中和區(qū)，為保證酸堿中和反應(yīng)的進(jìn)行，將煙氣中的SO2、SO3轉(zhuǎn)化成可溶性很強(qiáng)的中性或微酸性鹽類，溶解在堿性漿液池中。堿性漿液在吸收區(qū)和中和區(qū)之間反復(fù)循環(huán)，用以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的脫硫效率。(3)分流器[4]，此部分是負(fù)責(zé)將堿性漿液分成大小不等的兩格部分。從前面兩個(gè)模塊出來的漿液都要先通過分流器，其中一部分通過循環(huán)的方式進(jìn)入塔內(nèi)。(4)分離器，用以實(shí)現(xiàn)氣液分離。煙氣在進(jìn)入脫硫塔后，在預(yù)洗滌階段與堿性漿液混合，在進(jìn)入吸收階段之前需要把二者分離，而且在脫硫反應(yīng)結(jié)束后，在氣體排放之前還需要把煙氣從液體中分離開來，這樣做能夠減少濕度對(duì)下游設(shè)備的腐蝕。具體模型如圖2所示。

圖2 脫硫塔Aspen Plus流程模型Fig.2 Desulfurization tower of Aspen Plus process model

2 脫硫系統(tǒng)模擬計(jì)算

根據(jù)危廢焚燒脫硫系統(tǒng)的特點(diǎn)，熟石灰與二氧化硫的化學(xué)反應(yīng)過程是在液滴表面進(jìn)行的，并且電解質(zhì)組成一直貫穿其中，因此選擇物性模型中的ELECNRTL[5]模型。

為使熟石灰漿液在噴淋塔霧化模擬時(shí)模型簡便，操作軟件運(yùn)行時(shí)花費(fèi)的代價(jià)小，在建立脫硫塔模型前，先對(duì)反應(yīng)器作以下假設(shè)：

1）忽略煙氣中粉塵、重金屬等惰性物質(zhì)的影響，假設(shè)N2和CO、NOx不參與化學(xué)反應(yīng)；

3）吸收和氧化過程分開考慮；

4）脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；

5）設(shè)定外界環(huán)境壓力：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1 atm，模擬平均溫度：20 ℃。

2.1 煙氣初始輸入?yún)?shù)及成分

煙氣工況和煙氣成分見表1和表2。

表1 煙氣工況Table 1 Flue gas condition

表2 煙氣成分Table 2 Flue gas composition

2.2 模擬結(jié)果

系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的物流成分及狀態(tài)參數(shù)等詳細(xì)信息列在表3。

(3) 若μ,ν為偽對(duì)偶測度框架, 則SμSν為Rd上正定算子, 則由廣義Cauchy-Swcharz不等式: ?Rd(不妨x≠0),

表3 模擬結(jié)果Table 3 The simulation results

根據(jù)上面建立的模型，將環(huán)境條件、煙氣工況以及成分等數(shù)據(jù)輸入模擬軟件中，模擬計(jì)算得到：煙氣量為16 500 Nm3/h時(shí)，每小時(shí)處理煙氣成分的如表3所示，系統(tǒng)需消耗熟石灰漿液140 m3/h，液氣比為8.5 L/Nm3，系統(tǒng)的脫硫效率可以達(dá)到97%。

3 對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析

3.1 入口煙氣量對(duì)脫硫率的影響

物料在回轉(zhuǎn)窯中燃燒的時(shí)候，因物料的種類、進(jìn)料量、燃燒時(shí)間的不同，煙氣的產(chǎn)生量也會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)入脫硫塔內(nèi)煙氣量的改變，勢必會(huì)影響和改變 SO2的脫除率，因此研究煙氣量對(duì)脫硫效率的影響還是十分必要的。在保持漿液循環(huán)量為140 m3/h、入口SO2濃度為3 000 mg/Nm3和熟石灰漿液消耗量為72 kg/h均不變的前提下，改變?nèi)肟赟O2濃度，經(jīng)過模擬計(jì)算得到數(shù)據(jù)制成圖表，如圖3所示。

圖3 煙氣量對(duì)脫硫效率的影響Fig.3 The influence of smoke volume on the desulphurization efficiency

在保持其他工況不變的前提下，系統(tǒng)入口煙氣量從10 000 Nm3/h變化至20 000 Nm3/h的過程中，脫硫率呈下降趨勢，最后達(dá)到 95.2%。這是因?yàn)闊煔饬康脑黾?，勢必?huì)引起流速的加快，使得氣液接觸面處的相對(duì)速度增加，氣體分子對(duì)堿性微小液滴的撕扯力變大，單位面積內(nèi)氣液接觸的更加充分，混合的更加均勻，都能對(duì) SO2的吸收起到一定的促進(jìn)作用，但使得有效面積比減小，漿液堿度相對(duì)降低，傳質(zhì)阻力增加。與此同時(shí)隨著煙氣流速的加快，使得煙氣在洗滌塔中停留的時(shí)間減少，相應(yīng)的縮短了酸堿中和反應(yīng)的時(shí)間，而且會(huì)有更多的液滴隨煙氣進(jìn)去除霧器，增加了除霧器的壓力，還會(huì)有一部分微小液滴無法被干燥，繼而進(jìn)入下游設(shè)備，造成腐蝕，脫硫效率大大的降低。因此通常在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)煙氣量變化引起脫硫效率降低時(shí)，應(yīng)該及時(shí)對(duì)噴淋管的堿液供應(yīng)量做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.2 入口煙氣中SO2濃度對(duì)脫硫率的影響

因?yàn)榕欧艧煔獾某煞质鞘謴?fù)雜的，盡管經(jīng)過了配比設(shè)計(jì)，但仍然會(huì)因?yàn)槲锪铣煞植町?、燃燒條件、燃燒區(qū)域的不同，造成煙氣中SO2濃度發(fā)生改變，如果相應(yīng)的脫硫系統(tǒng)未采取任何有效措施，SO2與石灰漿液的中和反應(yīng)將會(huì)受到限制。因此我們需要對(duì)初始SO2濃度進(jìn)行模擬研究，觀察其變化對(duì)化學(xué)反應(yīng)和脫硫率的影響。

實(shí)際煙氣脫硫工程中，通常會(huì)設(shè)置煙氣分析裝置對(duì)某些重要節(jié)點(diǎn)處的煙氣SO2濃度進(jìn)行監(jiān)測，并使用控制系統(tǒng)及時(shí)作出相應(yīng)運(yùn)行調(diào)整，保證脫硫效率達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在穩(wěn)定其他模型參數(shù)不變的前提下，輸入使用Aspen plus軟件對(duì)不斷變化的初始SO2濃度進(jìn)行模擬，經(jīng)過分析計(jì)算得到數(shù)據(jù)制成圖標(biāo)，如圖4所示。

圖4 入口SO2濃度對(duì)脫硫效率影響Fig.4 Effect of inlet SO2concentration on the desulfurization efficiency

在保持其他工況不變的前提下，入口 SO2濃度從1 000 mg/Nm3變化至 5500 mg/Nm3的過程中，隨著入口SO2的濃度的增加系統(tǒng)脫硫效率從98%降到88.7%。產(chǎn)生的變化可以用 W.G.Whitman[6,7]和L.K.Lewis[8]的雙模理論來解釋。針對(duì)SO2被堿性漿液吸收傳質(zhì)的過程，可以看作氣體和液體在相互接觸時(shí)，氣液兩相分別存在氣膜和液膜，SO2以擴(kuò)散的方式到達(dá)液膜表面，被溶解吸收，溶解后再以擴(kuò)散的方式在液體間傳質(zhì)。SO2在氣模中的擴(kuò)散傳質(zhì)阻力極小，幾乎為零。在液膜中的傳質(zhì)則與液體的酸堿度有關(guān)了，兩者成反比關(guān)系。由模擬結(jié)果可以知道，固定其他條件，增加初始 SO2濃度，酸堿中和反應(yīng)的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致熟石灰漿液的pH值甚高，液膜的傳質(zhì)阻力與之相應(yīng)的增加，對(duì) SO2的液相傳遞造成負(fù)面影響，限值酸堿中和吸收的過程的順利進(jìn)行，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的脫硫效率下降。

實(shí)際煙氣脫硫工程中，通常會(huì)設(shè)置煙氣分析裝置對(duì)某些重要節(jié)點(diǎn)處的煙氣 SO2濃度進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)生初始 SO2濃度增加導(dǎo)致脫硫率下降的現(xiàn)象，控制系統(tǒng)及時(shí)作出相應(yīng)運(yùn)行調(diào)整。本模型中的脫硫裝置采用的是噴淋塔，其內(nèi)部設(shè)置了多層噴淋管，可以通過增設(shè)備用噴淋管的數(shù)量，必要時(shí)能夠用來提高熟石灰漿液流量，或者改變堿性溶液濃度使其pH值增加，減少傳質(zhì)阻力，推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的反生，用以保證脫硫效率達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.3 Ca/S對(duì)煙氣脫硫率的影響

鈣硫比（Ca/S）是影響濕法煙氣脫硫的主要因素之一，控制其它參數(shù)不變，調(diào)節(jié)漿液濃度，改變Ca/S，研究Ca/S對(duì)脫硫率的影響。模擬結(jié)果如圖5。

圖5 Ca/S對(duì)煙氣脫硫效率的影響Fig.5 Ca/S influence on flue gas desulfurization efficiency

圖6 液氣比對(duì)脫硫效率的影響Fig.6 Effect of liquid-gas ratio on the desulfurization efficiency

圖5中的工況條件設(shè)定煙氣量為16 500 Nm3/h，漿液循環(huán)量為140 m3/h，入口SO2濃度為3 000 mg/m3時(shí)。通過改變熟石灰漿液的流量，從49.5 kg/h增加到72 kg/h，相應(yīng)的Ca/S從0.85變化到1.05的過程中，隨著Ca/S的增加，脫硫效率提升較為顯著，從80.2%迅速提高到95%左右，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)Ca/S小于1時(shí)，吸收劑Ca（OH）2的噴入量是影響SO2吸收的決定性因素，隨著吸收劑Ca（OH）2量的增加，脫硫反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，脫硫效率隨之提高；當(dāng)Ca/S大于1時(shí)，由于熟石灰漿液流量、液氣比、生成物濃度對(duì)脫硫化學(xué)反應(yīng)的綜合影響最終使得脫硫效率趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榻⒌臒煔鈨艋Ｐ椭忻摿蜃幽Ｐ头謩e了考慮氣膜、液膜以及 Ca(OH)2顆粒溶解過程中的傳質(zhì)阻力對(duì)脫硫效率的影響。當(dāng)Ca/S比增加時(shí)，這意味著單個(gè)漿滴中所含的 Ca(OH)2顆粒將增加，使?jié){滴內(nèi) Ca(OH)2顆?？偟娜芙馔吭黾樱覞{滴中鈣離子及氫氧根離子的濃度升高，Ca(OH)2顆粒溶解過程中的傳質(zhì)阻力將減小，脫硫效率提高。

3.4 液氣比對(duì)系統(tǒng)脫硫率的影響

除了以上因素對(duì) SO2的脫除率有很大影響外，脫硫率也與液氣比密切相關(guān)。它決定了系統(tǒng)反應(yīng)推動(dòng)力和石灰漿液的吸收速率。在保持其他工藝條件不變的情況下，調(diào)整液氣比的大小，經(jīng)過模擬計(jì)算得到液氣比對(duì)脫硫效率的影響關(guān)系圖(圖6)。

由圖6可以看出，在保持其他工況不變的前提下，隨著液氣比的增加，脫硫率呈遞增趨勢，液氣比達(dá)到11.4 L/m3時(shí)，脫硫率在96.8%，之后則基本不再變化。液氣比的變化會(huì)直接影響氣液之間相互接觸的表面積，當(dāng)液氣比提高時(shí)，煙氣與吸收劑液滴混合的更加充分，接觸面積增大，使得單位面積的液體 pH值升高，對(duì) SO2的傳質(zhì)阻力減小，酸堿中和反應(yīng)進(jìn)行的更加徹底，脫硫效率在一定程度上迅速提升。當(dāng)然并不是液氣比越大越好，當(dāng)與煙氣混合的漿液微小液滴達(dá)到一定量時(shí)，液滴之間會(huì)相互凝聚，使其尺寸增大，比表面積變小，使氣液間的接觸變得不充分，混合的不夠均勻，反而會(huì)影響脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，使脫硫效率下降。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，要選取適當(dāng)?shù)臍庖罕龋跐M足環(huán)保要求的同時(shí)，盡可能控制運(yùn)行成本。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)某煙氣進(jìn)行石灰法脫硫工藝研究，模擬其吸收、中和和氧化三個(gè)反應(yīng)過程。從模擬結(jié)果分析可知：

（1）每小時(shí)處理煙氣量16 500 Nm3/h，系統(tǒng)需消耗熟石灰漿液140 m3/h，液氣比為8.5 L/m3，可使系統(tǒng)的脫硫效率達(dá)到95%。

（2）控制Ca/S不變，提高入口煙氣中S02濃度，可以提高脫硝率，達(dá)到一定程度時(shí)，如果不增加漿液中脫硫劑的量，SO2與 Ca（OH）2的反應(yīng)將不再增加。但若脫硫劑過量，無法被充分利用，也會(huì)造成脫硫劑利用率降低和浪費(fèi)。

（3）進(jìn)一步分析脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，煙氣量、入口處煙氣中的 SO2濃度、Ca/S、液氣比對(duì)脫硫效率的影響，以期對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

石灰法煙氣脫硫技術(shù)目前在模擬和實(shí)驗(yàn)方面研究均已深入化、規(guī)?；こ虘?yīng)用價(jià)值高。但提高脫硫劑活性的研究還有很大的空白，有待于后續(xù)學(xué)者繼續(xù)研究。石灰法煙氣脫硫技術(shù)工藝過程的研究，對(duì)進(jìn)一步完善和改進(jìn)脫硫工藝有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］李曉斐,傅大放,馬光.煙道噴射石灰(石)煙氣脫硫技術(shù)綜述[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002，3(1):57-60.

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Numerical Simulation of Single Tower Desulfurization System With Lime Method

DU Jun,ZHANG Yan,ZHENG Xi-yang

（Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003，China）

Through study on flue gas desulfurization system with lime method, using Aspen Plus simulation software as a platform, the chemical process (acid and alkali neutralization, absorption and oxidation reaction processes) of single tower desulfurization system was simulated by inputting hot flue gas thermodynamic parameters and operating conditions and using the control variable method. By analyzing simulation results of desulfurization system running parameters (e.g. gas, SO2concentration in flue gas at the entrance, calcium sulfur ratio, liquid gas ratio), the influence of different factors on the desulfurization efficiency was investigated, which could provide reference for the optimization design of the system.

Lime method；Flue gas desulfurization；Aspen Plus simulation；Desulfurization efficiency

TQ 018

A

1671-0460（2017）04-0775-04

2017-02-07

杜軍（1973-），男，黑龍江省哈爾濱市人，副教授、研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士、博士后，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，研究方向：超臨界二氧化碳萃取納米晶體技術(shù)、太陽能熱利用、廢棄物焚燒處理。E-mail：dujun9988@163.com。

張艷（1990-），女，碩士研究生，研究方向：船舶柴油機(jī)廢氣處理技術(shù)研究。E-mail：2285136363@qq.com。