基于Aspen Plus的氨法脫硫單塔系統(tǒng)流程模擬

洪文鵬， 何慧穎， 劉廣林， 王海剛

（1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林132012；2.廣東省電力設(shè)計(jì)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(jià)值高等優(yōu)勢而倍受關(guān)注.我國也計(jì)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(duì)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(jià)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(píng)價(jià)的大型化工流程軟件，它可以分別針對(duì)氣、液、固系統(tǒng)，應(yīng)用于煤炭、醫(yī)藥、冶金、環(huán)保、動(dòng)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(bào)道的案例屈指可數(shù).

筆者以Aspen Plus流程模擬軟件為平臺(tái)，對(duì)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(duì)脫硫效率的影響，以期對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)，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(gè)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(gè)設(shè)備，選用FSplit模塊；（4）分離器——用來進(jìn)行氣液分離.因?yàn)楸灸M中預(yù)洗滌段只設(shè)置了1個(gè)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(gè)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(duì)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(dòng)調(diào)用兩元交互參數(shù)、電解質(zhì)對(duì)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(duì)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(shí)處理如表2所示成分的煙氣700 000m3時(shí)，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(duì)脫硫效率的影響

4.1 入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對(duì)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(huì)出現(xiàn)變化，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的脫硫效率，因而分析入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率的影響具有現(xiàn)實(shí)意義.對(duì)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(duì)脫硫效率的影響，如圖3所示.計(jì)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(shí)，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(duì)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(huì)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(duì)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(huì)引起脫硫效率下降，因此應(yīng)及時(shí)作出運(yùn)行調(diào)整，可采取以下措施：（1）對(duì)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(duì)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(shí)間內(nèi)吸收塔漿液噴淋量和單位時(shí)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(dòng)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(duì)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(duì)脫硫效率的影響（圖4）.計(jì)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(huì)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(shí)，系統(tǒng)的脫硫效率會(huì)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(shí)，液滴會(huì)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(shí)，能滿足脫硫效率高于95%的要求.

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

4.3 煙氣量對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)脫硫效率的影響（圖5）.計(jì)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(shí)，脫硫效率從99%降低到95%.對(duì)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(huì)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(duì)于逆流噴淋塔還有助于增大吸收區(qū)液滴密度和停留時(shí)間，從而增大了傳質(zhì)系數(shù)，增加了SO2的吸收量.同時(shí)，煙氣流速增大，氣液間的相對(duì)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(shí)，煙氣會(huì)夾帶較多的液滴穿過除霧器，對(duì)吸收塔下游的設(shè)備造成腐蝕和堵塞，甚至?xí)绊懻麄€(gè)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(huì)使液氣有效比表面積減小和吸收液的總堿度相對(duì)降低，這些都會(huì)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(shí)，應(yīng)及時(shí)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(duì)脫硫效率的影響Fig.5 Influence of flue gas flow on the desulphurization efficiency

4.4 氨液量對(duì)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(duì)SO2的順利吸收有重要影響［8］.對(duì)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(duì)脫硫效率的影響（圖6）.計(jì)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(shí)，脫硫效率從72%提高到98%.當(dāng)煙氣量不變時(shí)，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(huì)提高.但當(dāng)氨液量增加到一定程度時(shí)，脫硫效率呈下降趨勢，因?yàn)榘币毫吭黾?，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(huì)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(duì)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(shí)，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(shí)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(shí)，脫硫效率反而呈下降趨勢［9］.

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