洪文鵬， 何慧穎， 劉廣林， 王海剛

（1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林132012；2.廣東省電力設(shè)計研究院，廣州510663；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150090）

近年來，氨法煙氣脫硫技術(shù)因其脫硫效率高、無二次污染、脫硫副產(chǎn)品利用價值高等優(yōu)勢而倍受關(guān)注.我國也計劃在燃燒中、高硫煤的大型火電機(jī)組上大力建設(shè)氨法煙氣脫硫示范工程.對氨法煙氣脫硫技術(shù)工藝過程進(jìn)行研究，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)用價值.

Aspen Plus（Advanced System for Process Engineering）是美國大型通用流程模擬軟件［1］，該軟件經(jīng)過20多年的不斷改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已經(jīng)成為世界公認(rèn)的功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件.Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度分析和經(jīng)濟(jì)評價的大型化工流程軟件，它可以分別針對氣、液、固系統(tǒng)，應(yīng)用于煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)保、動力、節(jié)能、食品加工等諸多領(lǐng)域［2］，但在煙氣凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用至今報道的案例屈指可數(shù).

筆者以Aspen Plus流程模擬軟件為平臺，對氨法脫硫工藝單塔系統(tǒng)的化工過程進(jìn)行了模擬，包括氨法脫硫系統(tǒng)的吸收、中和和氧化過程，分析了各節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)流量及組分、化學(xué)反應(yīng)的參數(shù)條件、脫硫效率和產(chǎn)品的質(zhì)量等，以及該工藝主要運(yùn)行參數(shù)對脫硫效率的影響，以期對系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行提供參考.

1 模擬工況及輸入條件

輸入條件：當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?01 300Pa，當(dāng)?shù)販囟葹?0℃.為簡單起見，假設(shè)吸收劑為純度100%的液氨（溫度為35℃，壓力為102 980Pa），水為不含雜質(zhì)的純水（溫度為20℃，壓力為103 580Pa）.液氣比為7.5L／m3，要求脫硫效率達(dá)到95%.

煙氣工況：入口煙氣量700 000m3／h，入口煙氣溫度130℃，入口煙氣壓力103 500Pa.煙氣成分見表1.

表1 煙氣成分Tab.1 Chemical composition of the flue gas%

2 Aspen Plus模擬流程的建立

為了簡化模擬過程，進(jìn)行以下假設(shè)：（1）煙氣成分中氮?dú)夂投趸疾粎⒓臃磻?yīng)，也不考慮煙塵的影響；（2）不考慮固體和鹽析；（3）在吸收段只考慮吸收作用而不考慮氧化作用，氧化段只考慮氧化作用而不考慮吸收作用；（4）脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行［3］.

在模擬時，主要考慮以下化學(xué)反應(yīng)［4］：

通過分析，將脫硫工藝分解為4部分：（1）脫硫塔預(yù)洗滌和漿池段——承擔(dān)原煙氣降溫和漿液氧化濃縮的任務(wù)，并將亞硫酸根離子氧化成硫酸根離子，選用Rstoic模塊；（2）脫硫塔吸收段——分為2個功能區(qū)，即吸收區(qū)和中和區(qū).吸收區(qū)承擔(dān)將氣相SO2吸收進(jìn)入液相，使煙氣凈化的任務(wù).中和區(qū)承擔(dān)中和作用，生成銨根離子、氫氧根離子和亞硫酸氫根離子的混合溶液.漿液在吸收區(qū)和中和區(qū)循環(huán)，以獲得預(yù)期的脫硫效率和足量的副產(chǎn)品，選用RadFrac模塊；（3）分流器——將漿液分成不等分的2股.從預(yù)洗滌段和吸收段出來的漿液均先經(jīng)過分流器，一部分循環(huán)進(jìn)入塔內(nèi)，另一部分進(jìn)入下一個設(shè)備，選用FSplit模塊；（4）分離器——用來進(jìn)行氣液分離.因為本模擬中預(yù)洗滌段只設(shè)置了1個出口，煙氣和漿液在此處混合，但在進(jìn)入吸收段之前氣液必須分離，故在整個流程中使用了分離器模塊，選用Flash2模塊.Flash2的流程連接如圖1所示.

圖1 Flash2的流程連接Fig.1 Process connection of Flash 2

根據(jù)上述工藝分解所建立的Aspen Plus模型流程如圖2所示.這些模塊與本流程涉及到的工藝設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系見表2.

由于系統(tǒng)中有電解質(zhì)組分參與反應(yīng)，所以流程模擬的全局物性模型選擇電解質(zhì)物性模型中的Elecnrtl模型，即電解質(zhì)NRTL活度系數(shù)模型.選擇好物性模型后，Aspen Plus自動調(diào)用兩元交互參數(shù)、電解質(zhì)對等內(nèi)置參數(shù)［5］.

3 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)信息列于表3和表4中.

圖2 Aspen Plus模型流程示意圖Fig.2 Flow chart of the Aspen Plus model

表2 氨法脫硫工藝設(shè)備與Aspen Plus模塊的對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Flow chart of desulfurization process and the corresponding Aspen Plus modules

輸入必要的已知條件和限制條件，在如前所述假設(shè)條件下，運(yùn)行上面建立的模型得到如下結(jié)果：當(dāng)每小時處理如表2所示成分的煙氣700 000m3時，系統(tǒng)需消耗純氨1.2t，消耗水40t，氧化空氣需要量為2 000kg，液氣比為7.5L／m3，系統(tǒng)的脫硫效率可以達(dá)到95%，并生成含水量為35%的銨肥3.72t.

表4 模擬結(jié)果（二）Tab.4 Simulated results（II）

4 工藝參數(shù)對脫硫效率的影響

4.1 入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響

在實(shí)際煙氣脫硫工程中，由于煤質(zhì)的差異和運(yùn)行條件的改變，煙氣中SO2質(zhì)量濃度會出現(xiàn)變化，從而影響整個系統(tǒng)的脫硫效率，因而分析入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響具有現(xiàn)實(shí)意義.對Aspen Plus模型進(jìn)行靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，調(diào)節(jié)入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度，得出入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響，如圖3所示.計算工況為：煙氣量＝700 000m3／h，吸收液循環(huán)量＝5 250m3／h，液氣比＝7.5L／m3，氨氣質(zhì)量流量＝1 008kg／h.

由圖3可以看出，在其他工況參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)脫硫效率隨著入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度的增加而降低，當(dāng)煙氣中SO2質(zhì)量濃度從1 000mg／m3增加到5 500mg／m3左右時，脫硫效率從98%降低到88.5%.這主要是由于氣相中SO2質(zhì)量濃度的增加對相間傳質(zhì)效果的影響造成的，具體來說，SO2的吸收過程實(shí)際上是從氣相到液相傳遞的過程，傳遞過程的阻力存在于氣膜和液膜中，SO2在氣膜中的擴(kuò)散系數(shù)大于在液膜中的擴(kuò)散系數(shù)，傳質(zhì)阻力也主要為液膜阻力，而液膜傳質(zhì)阻力的大小與湍流程度和液相的堿度成反比.在氨氣質(zhì)量流量不變的情況下，煙氣中SO2質(zhì)量濃度的增加會使吸收液的堿度減小，液膜的傳質(zhì)阻力隨之增大，不利于SO2向液相的傳遞，導(dǎo)致SO2的吸收效率降低，最終系統(tǒng)的脫硫效率也降低［5］.

圖3 入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響Fig.3 Influence of inlet SO2mass concentration on the desulphurization efficiency

在脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度的增加會引起脫硫效率下降，因此應(yīng)及時作出運(yùn)行調(diào)整，可采取以下措施：（1）對于設(shè)置了多層噴淋管的脫硫塔，可以增加所使用的噴淋管數(shù)目；（2）在氨法脫硫系統(tǒng)中，可以增加氨液流量和質(zhì)量濃度，使吸收液堿度增大.

4.2 液氣比對脫硫效率的影響

液氣比指吸收1m3的煙氣所需的液體體積，在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)吸收塔漿液噴淋量和單位時間內(nèi)脫硫吸收塔入口的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)濕煙氣體積流量之比.液氣比的大小反映了吸收過程中推動力和吸收速率的大?。?］.液氣比的大小與煙氣量成反比，與噴淋漿液量成正比.對Aspen Plus模型進(jìn)行靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，調(diào)節(jié)液氣比，得出液氣比對脫硫效率的影響（圖4）.計算工況為：煙氣量＝700 000m3／h，入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度＝2 730 mg／m3，氨液質(zhì)量流量＝1 008kg／h.

由圖4可以看出，在其他工況參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)脫硫效率隨著液氣比的增大而提高，當(dāng)液氣比從2.5L／m3增大到11.5L／m3時，脫硫效率從63%提高到97%.液氣比的變化主要是通過改變液氣比面積來影響系統(tǒng)脫硫效率的，當(dāng)液氣比增大時，不論是由于煙氣量的減小，還是由于噴淋漿液量的增加，液氣比面積都會隨之增大，這也增大了SO2氣體分子與液膜的接觸面積，有利于相間的傳質(zhì).另外，液氣比的增大會使吸收漿液的總堿度增大，即漿液吸收酸性氣體的能力增強(qiáng)，SO2被吸收得更徹底.基于以上兩方面原因，液氣比增大時，系統(tǒng)的脫硫效率會得到一定程度的提高.但并不是液氣比越大越好，如果液氣比的增大是通過增加噴淋漿液量來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)漿液量增加到一定程度時，液滴會大量凝聚，比面積不再增大，反而可能出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，不利于氣體的吸收［6］.在實(shí)際運(yùn)行情況下，綜合考慮脫硫效率和運(yùn)行成本，氨法煙氣脫硫系統(tǒng)中液氣比選取7.5～10L／m3時，能滿足脫硫效率高于95%的要求.

圖4 液氣比對脫硫效率的影響Fig.4 Influence of liquid－gas ratio on the desulphurization efficiency

4.3 煙氣量對脫硫效率的影響

進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣量是由鍋爐負(fù)荷決定的，在實(shí)際運(yùn)行過程中，鍋爐負(fù)荷會根據(jù)實(shí)際需求量的變化而變化，煙氣量也隨之變化，勢必引起脫硫效率變化.對Aspen Plus模型進(jìn)行靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，調(diào)節(jié)入口煙氣量，得出煙氣量對脫硫效率的影響（圖5）.計算工況為：吸收液循環(huán)量＝5 250m3／h，入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度＝2 730mg／m3，氨液質(zhì)量流量＝1 008kg／h.

由圖5可以看出，在其他工況參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)脫硫效率隨著煙氣量的增加而降低，當(dāng)煙氣量從250 000m3／h增加到700 000m3／h時，脫硫效率從99%降低到95%.對于特定的吸收塔，在其他條件不變的情況下，煙氣量增加，則脫硫效率將下降，反之脫硫效率升高.具體地講，增加煙氣量會使吸收塔內(nèi)的煙氣流速增大，這有利于減小液膜的厚度，對于逆流噴淋塔還有助于增大吸收區(qū)液滴密度和停留時間，從而增大了傳質(zhì)系數(shù)，增加了SO2的吸收量.同時，煙氣流速增大，氣液間的相對速度增大，液滴曳力增大，單位體積內(nèi)持液量增加，有利于SO2的吸收.但當(dāng)煙氣流速過大時，煙氣會夾帶較多的液滴穿過除霧器，對吸收塔下游的設(shè)備造成腐蝕和堵塞，甚至?xí)绊懻麄€系統(tǒng)的安全運(yùn)行，脫硫效率也將大大降低.最主要的是，煙氣量的增加會使液氣有效比表面積減小和吸收液的總堿度相對降低，這些都會明顯降低系統(tǒng)的脫硫效率.綜合以上分析得出，煙氣量增加，則煙氣流速增大，系統(tǒng)的脫硫效率降低［7］.故在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化引起煙氣量變化時，應(yīng)及時調(diào)整噴淋層的運(yùn)行方式和加入的氨液量.

圖5 煙氣量對脫硫效率的影響Fig.5 Influence of flue gas flow on the desulphurization efficiency

4.4 氨液量對脫硫效率的影響

在實(shí)際脫硫工程中，氨液量往往容易被忽視，研究發(fā)現(xiàn)，在濕法脫硫系統(tǒng)中，氨液量的大小對SO2的順利吸收有重要影響［8］.對Aspen Plus模型進(jìn)行靈敏度分析，保持其他工藝條件恒定，調(diào)節(jié)氨液量，得出氨液量對脫硫效率的影響（圖6）.計算工況為：煙氣量＝700 000m3／h，吸收液循環(huán)量＝4 735m3／h，入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度＝2 730mg／m3，液氣比＝7.5L／m3.

由圖6可以看出，在其他工況參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)脫硫效率隨著氨液量的增加而提高，當(dāng)氨液量從400kg／h增加到2 200kg／h時，脫硫效率從72%提高到98%.當(dāng)煙氣量不變時，隨著氨液量的增加，液氣比隨之增大，由前面的分析可知，脫硫效率會提高.但當(dāng)氨液量增加到一定程度時，脫硫效率呈下降趨勢，因為氨液量增加，則吸收液的密度增大，使溶液趨于飽和，氣膜向液膜的傳質(zhì)能力就會下降，漿液吸收SO2的能力也就相應(yīng)地下降［9］.

圖6 氨液量對脫硫效率的影響Fig.6 Influence of liquid ammonia quantity on the desulphurization efficiency

5 結(jié) 論

（1）在設(shè)定煙氣條件下，即煙氣量為700 000 m3／h時，系統(tǒng)需消耗純氨1.2t／h，消耗水40t／h，氧化空氣需要量為2 000kg／h，液氣比為7.5L／m3，系統(tǒng)的脫硫效率可以達(dá)到95%，并生成含水量35%的銨肥3.72t／h.

（2）系統(tǒng)的脫硫效率隨著入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度的增加而降低，隨著液氣比的增大而提高，但并不是液氣比越大越好，綜合考慮脫硫效率和運(yùn)行成本，液氣比選取7.5～10L／m3時能滿足脫硫效率高于95%的要求；系統(tǒng)脫硫效率隨著煙氣量的增加而降低，隨著氨液量的增加而提高，但當(dāng)氨液量增加到一定程度時，脫硫效率反而呈下降趨勢［9］.

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