燒結(jié)煙氣氨法脫硫工藝的模擬與分析*

金豪 王世杰 方紅明 吳梟雄 程新 ALEX ACQUAH

(武漢科技大學(xué)，煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430081)

0 引言

燒結(jié)工序是鋼鐵行業(yè)二氧化硫的主要排放源，占鋼鐵工業(yè)二氧化硫總排放量的60%以上[1]。燒結(jié)煙氣特性與其他工業(yè)煙氣有所不同，其燒結(jié)原料成分、配比以及工藝的改變都會(huì)導(dǎo)致其煙氣量、濕度、溫度及污染物濃度的波動(dòng)，且燒結(jié)煙氣成分復(fù)雜，增加了煙氣脫硫的難度。氨法脫硫具有反應(yīng)速率快、脫硫效率高、適用范圍廣、副產(chǎn)物可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展需求[2]。相比火電行業(yè)成熟的脫硫技術(shù)，氨法脫硫在我國(guó)鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用略顯滯后，脫硫效果和氨損失問(wèn)題還需進(jìn)一步完善[3]。Aspen Plus軟件因其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)化功能在煙氣凈化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，不斷有學(xué)者利用Aspen Plus軟件對(duì)氨法脫硫工藝進(jìn)行了模擬研究。陳茂兵、洪文鵬等[4-6]建立了單塔脫硫模型，對(duì)燃煤煙氣脫硫過(guò)程進(jìn)行了模擬分析；周理明等[7]對(duì)脫硫過(guò)程的補(bǔ)氨方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；TANG Y Y等[8]模擬了一種用于克勞斯尾氣處理的氨法脫硫技術(shù)，對(duì)不同條件下系統(tǒng)的脫硫效率進(jìn)行了分析；楊春和等[9]對(duì)氨法脫硫制亞硫酸氫銨的過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)工藝過(guò)程操作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；齊國(guó)杰、ASIF M等[10-11]對(duì)氨水溶液同時(shí)吸收SO2和CO2的過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，分析了填料塔對(duì)SO2和CO2的吸收性能。由于燒結(jié)煙氣的特殊性，其脫硫工藝多采用雙塔脫硫，先前的研究以燃煤煙氣脫硫?yàn)橹?，單塔脫硫工藝居多，針?duì)燒結(jié)煙氣的模擬分析鮮有報(bào)道，其他優(yōu)化分析過(guò)程難以有效指導(dǎo)燒結(jié)煙氣脫硫工藝的運(yùn)行。因此，本文針對(duì)某企業(yè)燒結(jié)煙氣雙塔脫硫工藝，利用Aspen Plus模擬軟件建立了燒結(jié)煙氣氨法脫硫模型，并在實(shí)際工況下分析了工藝操作條件對(duì)脫硫效率的影響，為燒結(jié)煙氣氨法脫硫工藝運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)流程與特點(diǎn)

1.1 工藝流程說(shuō)明

燒結(jié)車(chē)間高溫?zé)煔鈴臒Y(jié)機(jī)風(fēng)機(jī)出口引出，經(jīng)增壓后進(jìn)入濃縮塔，煙氣在濃縮塔內(nèi)與吸收塔輸送來(lái)的硫酸銨漿液進(jìn)行充分接觸。煙氣與漿液接觸過(guò)程中，高溫?zé)煔獗唤禍?、增濕，煙氣中的粉塵等雜質(zhì)不斷沉積在濃縮塔底部，降低了粉塵等雜質(zhì)對(duì)脫硫過(guò)程的影響，其中少部分酸性氣體被吸收。濃縮塔中漿液被加熱、蒸發(fā)濃縮后，經(jīng)泵輸送到硫酸銨制備系統(tǒng)，既濃縮了硫酸銨漿液，也充分利用了高溫?zé)煔獾臒崃縖12-13]。經(jīng)降溫處理后的煙氣由吸收區(qū)下部進(jìn)入吸收塔內(nèi)與吸收漿液進(jìn)行逆流接觸，煙氣中的二氧化硫被吸收液吸收，脫硫后的煙氣經(jīng)除霧器去除水滴和酸霧再由煙囪排放到大氣中。吸收漿液則落入漿液池中補(bǔ)充氨液后循環(huán)利用，通過(guò)氧化風(fēng)機(jī)在漿液池底部鼓入空氣將生成的亞硫酸銨氧化為硫酸銨，并將硫酸銨漿液引到濃縮塔進(jìn)行濃縮處理。

1.2 二氧化硫吸收模型

氨法脫硫是氣液兩相接觸傳質(zhì)、傳熱及液相內(nèi)伴隨著化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，是一種復(fù)雜的電解質(zhì)體系[14-15]。二氧化硫的吸收過(guò)程遵循雙膜理論，首先煙氣中的二氧化硫從氣相轉(zhuǎn)移到液膜中，然后進(jìn)入液相，進(jìn)入液相后與吸收劑瞬時(shí)反應(yīng)。由于二氧化硫的反應(yīng)使得液相中二氧化硫的濃度下降，增強(qiáng)了吸收驅(qū)動(dòng)力，提高了吸收效率。煙氣中的二氧化硫在進(jìn)入液相時(shí)與吸收劑發(fā)生瞬時(shí)反應(yīng)，可認(rèn)為二氧化硫?qū)庖航缑娴姆謮簾o(wú)限接近于0，氣膜擴(kuò)散速度是吸收反應(yīng)速率的決定因素。二氧化硫吸收過(guò)程主要發(fā)生的反應(yīng)如下所示：

2H2O?H3O++OH-

(1)

NH3+H2O?NH4++OH-

(2)

SO2+2H2O?H3O++HSO3-

(3)

HSO3-+H2O?H3O++SO32-

(4)

SO2+H2O+(NH4)2SO3→2NH4HSO3

(5)

NH4HSO3+NH3→(NH4)2SO3

(6)

由其反應(yīng)原理可知，氨法脫硫過(guò)程實(shí)際上是(NH4)2SO3對(duì)SO2的吸收作用，隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行，吸收漿液中NH4HSO3的濃度不斷增大，吸收液的吸收能力逐漸下降。為了保證吸收液的吸收效果，需要對(duì)脫硫系統(tǒng)不斷補(bǔ)充氨液。通過(guò)氨液調(diào)節(jié)吸收液pH值，將NH4HSO3轉(zhuǎn)化為(NH4)2SO3，使吸收劑循環(huán)利用，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 模擬工況及模型建立

2.1 模擬工況

本次模擬以某企業(yè)燒結(jié)車(chē)間煙氣脫硫現(xiàn)場(chǎng)工況為依據(jù)。當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3 kPa，溫度為20 ℃。燒結(jié)煙氣成分復(fù)雜，具有較高的含氧量和含濕量，煙氣中除含有二氧化硫外，還有一定量的HCl，HF，NOx等酸性氣體及二噁英等有毒氣體污染物。由于原煙氣中HCl，HF，NOx等氣體含量相對(duì)煙氣總量較少，對(duì)脫硫過(guò)程影響較小，本次模擬中可忽略不計(jì)。煙氣成分參數(shù)如表1所示。

表1 入口煙氣組成

吸收塔中補(bǔ)充氨液組成如表2所示。

表2 氨液參數(shù)

2.2 基本假設(shè)

為了簡(jiǎn)化工藝模擬過(guò)程，在本次模擬中作出如下假設(shè)：①假設(shè)脫硫過(guò)程是穩(wěn)定運(yùn)行的；②不考慮粉塵對(duì)系統(tǒng)的影響；③不考慮固體和鹽析；④吸收段考慮吸收作用，氧化段考慮氧化作用。

2.3 模型建立

本次模擬采用序貫?zāi)K法描述該過(guò)程系統(tǒng)。在氨法脫硫過(guò)程中，系統(tǒng)中有電解質(zhì)組分參與反應(yīng)，選擇電解質(zhì)物性模型中的ELECNRTL模型作為流程模擬的主要物性方法。本次模擬將吸收塔分成水洗、吸收、氧化3個(gè)部分，承擔(dān)煙氣凈化和亞硫酸銨氧化的任務(wù)。Aspen Plus模型庫(kù)中常用RadFrac模塊模擬氣液傳熱傳質(zhì)設(shè)備，本文選取RadFrac模塊對(duì)水洗區(qū)和吸收區(qū)進(jìn)行模擬。漿液池氧化區(qū)選取Rstoic模塊模擬氧化反應(yīng)過(guò)程。從氧化器中出來(lái)的產(chǎn)物為氣液混合物，使用Flash 2模塊模擬氣液分離過(guò)程。濃縮塔主要起降溫濃縮的作用，一般用Flash 2模塊來(lái)模擬蒸發(fā)器等單級(jí)分離器。但是在實(shí)際工況中，濃縮塔中存在著少量的吸收過(guò)程，F(xiàn)lash 2模塊不能對(duì)吸收過(guò)程進(jìn)行模擬，因此濃縮塔單元選取RadFrac模塊。用物流股將各模塊連接起來(lái)，搭建起本次模擬過(guò)程模型，如圖1所示。

圖1 氨法脫硫系統(tǒng)模型

流程建模完成后，根據(jù)模擬工況輸入?yún)?shù)即可運(yùn)行模型，該模擬流程運(yùn)行無(wú)誤。在上述假設(shè)前提下，該工況出口煙氣溫度為54.8 ℃，二氧化硫的質(zhì)量流量為61.93 kg/h，其脫硫效率達(dá)到95.0%。模擬過(guò)程出口煙氣組成與實(shí)際工況出口煙氣組成相近，驗(yàn)證了該模型的合理性，可利用該模型對(duì)本次脫硫過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 模擬結(jié)果與討論

Aspen Plus中靈敏度分析模塊是判斷某一操作變量的變化對(duì)工藝有何影響的工具。利用靈敏度分析功能對(duì)工藝操作條件進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)操作條件變化考察不同工況對(duì)脫硫系統(tǒng)的影響，分析脫硫系統(tǒng)合適的運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)保持高效運(yùn)行。

3.1 入口煙氣溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

燒結(jié)煙氣因其特殊性煙氣溫度隨工藝操作狀況的變化波動(dòng)較大，入口煙氣溫度影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。保持其他工藝條件不變，設(shè)定入口煙氣溫度為操作變量，分析入口煙氣溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 入口煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響

圖3 入口煙氣溫度對(duì)氨損失的影響

由圖可知，隨著入口煙氣溫度升高，吸收塔出口煙氣二氧化硫和氨的質(zhì)量流量都增大，系統(tǒng)脫硫效率降低，氨損失增大。煙氣溫度過(guò)高不利于系統(tǒng)吸收過(guò)程的進(jìn)行，也會(huì)對(duì)吸收塔內(nèi)系統(tǒng)部件造成耗損，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。煙氣溫度過(guò)低將降低吸收反應(yīng)速率。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的吸收模型綜合分析可得，煙氣進(jìn)入吸收塔內(nèi)發(fā)生吸收反應(yīng)的溫度應(yīng)保持在50～60 ℃。燒結(jié)煙氣溫度一般較高，具有一定的波動(dòng)性。當(dāng)入口煙氣溫度變化時(shí)，應(yīng)利用濃縮塔良好的降溫功能，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入到濃縮塔內(nèi)漿液的量，使進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度保持在適宜范圍。本系統(tǒng)中進(jìn)入吸收塔內(nèi)煙氣溫度應(yīng)在50～60 ℃，該溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)能保持較好的吸收效果，脫硫系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3.2 入口煙氣質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)的影響

在燒結(jié)工序中，燒結(jié)量的不同會(huì)導(dǎo)致煙氣量的變化，煙氣量的波動(dòng)影響著脫硫系統(tǒng)運(yùn)行。

保持其他操作條件不變，設(shè)定入口煙氣質(zhì)量流量為操作變量，分析入口煙氣質(zhì)量流量變化對(duì)系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 入口煙氣質(zhì)量流量對(duì)脫硫效率的影響

圖5 入口煙氣質(zhì)量對(duì)氨損失的影響

由圖可知，隨著入口煙氣質(zhì)量流量增加，吸收塔出口煙氣中二氧化硫質(zhì)量流量隨之增加，氨的質(zhì)量流量減少，系統(tǒng)脫硫效率下降。入口煙氣流量的增加使進(jìn)入系統(tǒng)的二氧化硫總量增大，煙氣流速也隨之增大，系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)處理負(fù)荷加大，吸收液與煙氣之間接觸時(shí)間變短，不利于氣液間的傳質(zhì)，降低了煙氣中二氧化硫的吸收效果。但增大煙氣流量使得氨液利用更充分，系統(tǒng)氨損失降低。當(dāng)入口煙氣流量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)隨之改變補(bǔ)充氨液流量和吸收液的循環(huán)量，保持系統(tǒng)吸收效率和氨液利用率。

3.3 入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對(duì)系統(tǒng)的影響

在燒結(jié)工序中，原料和配比的不同會(huì)導(dǎo)致煙氣中二氧化硫量的變化，二氧化硫濃度影響著系統(tǒng)的運(yùn)行。保持其他操作條件不變，設(shè)定入口煙氣SO2的質(zhì)量流量為操作變量，即改變煙氣中SO2的質(zhì)量濃度，分析入口煙氣SO2質(zhì)量濃度變化對(duì)系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 入口煙氣SO2質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率的影響

圖7 入口煙氣SO2質(zhì)量濃度對(duì)氨損失的影響

3.4 補(bǔ)水溫度對(duì)系統(tǒng)的影響

為了維持系統(tǒng)平衡，需要不斷向系統(tǒng)中補(bǔ)充工藝水。保持其他工藝條件不變，設(shè)定工藝補(bǔ)水溫度為操作變量，分析水溫變化對(duì)系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 補(bǔ)水溫度對(duì)脫硫效率的影響

圖9 補(bǔ)水溫度對(duì)氨損失的影響

由圖可知，工藝補(bǔ)水溫度對(duì)系統(tǒng)的脫硫效率和氨損失影響較小，在實(shí)際工況中，考慮到工藝的經(jīng)濟(jì)性，采用常溫補(bǔ)水方式即可。

3.5 氨液質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率的影響

在脫硫系統(tǒng)中補(bǔ)充氨液主要用來(lái)調(diào)節(jié)吸收液pH值，維持吸收液吸收能力，氨液濃度影響著系統(tǒng)的運(yùn)行。保持其他操作條件不變，設(shè)定氨液的質(zhì)量流量為操縱變量，通過(guò)調(diào)節(jié)氨液中氨的質(zhì)量流量，分析氨液濃度變化對(duì)系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10 氨液質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率的影響

由圖10所示，隨著氨質(zhì)量流量增加，即增大氨液質(zhì)量濃度，出口煙氣二氧化硫質(zhì)量流量降低，脫硫效率增大。當(dāng)氨液中氨的含量到達(dá)一定量時(shí)，繼續(xù)增加氨的濃度，脫硫效率的增加不明顯，反而增大氨的用量，增加了系統(tǒng)的氨損失，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。在滿足系統(tǒng)脫硫效率情況下，應(yīng)選擇合適的補(bǔ)充氨量。在本研究工況中，當(dāng)氨的質(zhì)量流量保持在660～730 kg/h時(shí)，即氨液濃度為18%～20%時(shí)系統(tǒng)能保持脫硫效率和氨損失高效運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本次模擬中吸收塔出口煙氣溫度為54.8 ℃，脫硫效率為95.0%，其分析結(jié)果可指導(dǎo)燒結(jié)煙氣氨法脫硫過(guò)程的運(yùn)行。由優(yōu)化分析可知，系統(tǒng)各操作條件變化會(huì)對(duì)其脫硫效率和氨損失造成影響，隨著入口煙氣溫度升高、入口煙氣質(zhì)量流量增大、入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度升高會(huì)造成系統(tǒng)脫硫效率下降，氨液質(zhì)量濃度增大會(huì)使脫硫效率升高。工藝補(bǔ)水溫度對(duì)系統(tǒng)影響較小。在燒結(jié)煙氣氨法脫硫過(guò)程中，保持系統(tǒng)一定的脫硫效率時(shí)，不同工況對(duì)應(yīng)的操作條件不同。當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)煙氣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)操作條件進(jìn)行定量調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。在本研究工況中，應(yīng)保持吸收段溫度為50～60 ℃，工藝補(bǔ)水采用常溫進(jìn)料，補(bǔ)充氨液質(zhì)量濃度在18%～20%下運(yùn)行。