Aspen Plus軟件在煙氣脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳茂兵 ,繆明烽,盧作基

(中環(huán)工程有限公司,江蘇 南京 211102)

1 引言

Aspen Plus是美國 ASPEN TECH公司于1981年末開發(fā)完成的第3代化工流程模擬系統(tǒng)。經(jīng)過20多年的發(fā)展,該軟件已先后推出了10多個版本,成為屈指可數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件,廣泛應(yīng)用于化工、石化、煉油、冶金、動力、醫(yī)藥 、煤炭 、氣體加工、環(huán)境保護(hù)、食品加工等許多工業(yè)領(lǐng)域。

2 軟件特點(diǎn)

2.1 物性系統(tǒng)完備

數(shù)據(jù)庫和物性模型是流程模擬的到精確可靠結(jié)果的關(guān)鍵,Aspen Plus具有適用于工業(yè)的最完備的物性系統(tǒng)。Aspen Plus的數(shù)據(jù)庫包括5 000余種純組分的物性數(shù)據(jù),900多種離子和分子溶質(zhì)的電解質(zhì)數(shù)據(jù)庫,3 000多種固體的數(shù)據(jù)參數(shù),60多種水溶液中化合物的Henry常數(shù)庫,此外還包括二元交互作用參數(shù)庫,PU RE10數(shù)據(jù)庫等。Aspen Plus擁有完整的狀態(tài)方程和活度系數(shù)方法模型,以及摩爾體積模型、蒸發(fā)潛熱模型等,這些模型可供用戶模擬工藝流程調(diào)用[1～3]。

2.2 豐富多樣的單元操作模型

Aspen Plus擁有完整的單元操作模型庫,可以模擬各種工藝流程。軟件使用了PLEX數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),對于組分?jǐn)?shù)、進(jìn)出口物流數(shù)以及反應(yīng)數(shù)目等都沒有限制,這是Aspen Plus的一大優(yōu)點(diǎn)。此外,用戶還可以根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)自己所需的模型,只須調(diào)用用戶模型(User Model)即可。

2.3 模擬固體系統(tǒng)和電解質(zhì)體系

近年來,隨著軟件的發(fā)展與升級,Aspen Plus可以用于模擬固體系統(tǒng)和電解質(zhì)系統(tǒng)。固體系統(tǒng)主要有煤的凈化與液化,高溫冶金和濕法冶金、流化床燃燒以及食品加工等。電解質(zhì)系統(tǒng)如酸水汽提、濕法冶金、胺凈化氣體、硝酸生產(chǎn)工藝等。

2.4 優(yōu)秀的工藝參數(shù)分析功能和過程優(yōu)化計(jì)算功能

Aspen Plus軟件提供了靈敏度分析、設(shè)計(jì)規(guī)定等工藝參數(shù)分析功能,可以方便的考察各工藝參數(shù)對流程運(yùn)行的影響情況。結(jié)合工程造價,物料價格等經(jīng)濟(jì)參數(shù),用戶可以自己編寫Fortran程序優(yōu)化工藝參數(shù),指導(dǎo)工藝過程更經(jīng)濟(jì)、更可靠的運(yùn)行。

2.5 友好的操作界面,擴(kuò)展性強(qiáng)

從A spen10.0版本開始,Aspen Plus使用了標(biāo)準(zhǔn)化Window s界面,使得軟件的外觀更為友好,讓用戶用起來賞心悅目、得心應(yīng)手。Aspen軟件具有良好的系統(tǒng)開放性與擴(kuò)展性,允許用戶使用VB、VC++、VJ++、Fortran定制用戶模型,支持CAPE-OPEN熱力學(xué)接口,支持OLE自動技術(shù)接口和方法,支持COM接口對原油的虛擬組分和原油混合方法進(jìn)行改進(jìn)。

2.6 新的流程解法器-基于EO(聯(lián)立方程法)

自Aspen11.1版開始,Aspen Plus使用 EO(聯(lián)立方程法)求解,有效的解決了參數(shù)估計(jì)和數(shù)據(jù)調(diào)和、模擬復(fù)雜的熱集成系統(tǒng)或者復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)、過程優(yōu)化求解等問題。

3 基于Aspen Plus軟件的煙氣脫硫系統(tǒng)(FGD)開發(fā)方法

近年來,Aspen軟件已逐漸成功運(yùn)用于煤炭、動力等行業(yè),但用于煙氣脫硫系統(tǒng)研究的示例還不多。孫志翱[4]等人模擬了石灰石濕法脫硫的工藝流程,考察了煙氣流速、吸收劑濃度等工藝參數(shù)對吸收過程的影響。筆者運(yùn)用Aspen Plus軟件對煙氣濕法脫硫工藝做了系統(tǒng)的、全方位的研究,主要包括吸收塔、換熱器、泵的選型以及工藝全流程優(yōu)化等。以期指導(dǎo)脫硫工藝系統(tǒng)的開發(fā)和改造以及工藝參數(shù)的優(yōu)化。

3.1 吸收塔的模擬與優(yōu)化

在煙氣脫硫系統(tǒng)中,吸收塔是整個工藝過程的主體,所有反應(yīng)都發(fā)生在吸收塔中,因此吸收塔的設(shè)計(jì)開發(fā)是脫硫工藝的核心。煙氣脫硫工藝中的吸收塔,在ASPEN軟件中一般選用RADFRAC嚴(yán)格核算模型,當(dāng)然也可以選用DS TWU簡單計(jì)算模型,初步確立重要的工藝參數(shù),再用嚴(yán)格核算模型進(jìn)一步模擬。

輸入好吸收塔的物料參數(shù)和設(shè)備參數(shù),物料參數(shù)主要包括煙氣和吸收液的流量、溫度、壓力以及各組分含量。設(shè)備參數(shù)主要包括理論板數(shù)、進(jìn)料位置、吸收塔的壓降、塔徑。如果是板式吸收塔,還需要塔板類型、降液管數(shù)、堰高等參數(shù);如果是填料塔的話則需要填料高度、填料類型及尺寸、當(dāng)量高度等參數(shù)。由于一般的的脫硫吸收塔的吸收段主要是塔段的上面部分,塔段的下面部分是漿液池,漿液池有一定的液位,塔釜不斷鼓入氧化空氣,以氧化副吸收產(chǎn)物,如石灰石/石膏法工藝中將亞硫酸鈣氧化成石膏,氨法脫硫工藝中將亞硫酸銨氧化成硫酸銨。所以軟件中RADFRAC模型和實(shí)際的吸收塔不盡相同,考慮到塔釜漿液池四周布滿了大型攪拌機(jī),釜內(nèi)液體濃度均勻,因此添加一個RSTOIC模型模擬漿液池,這樣就可以模擬實(shí)際的工藝脫硫塔。

成功運(yùn)行吸收塔模擬后,可以利用Model Analysis Tools模型分析工具中的Sensitivity靈敏度分析功能考察各工藝參數(shù)(包括物料參數(shù)和設(shè)備參數(shù))如煙氣流速、SO2含量、煙氣溫度、吸收液流量、吸收劑濃度、液氣比、塔操作溫度等對塔吸收效率、塔釜產(chǎn)品純度等考察指標(biāo)的影響情況。我們還可以利用吸收塔模塊內(nèi)的DESIGN SPECS做些設(shè)計(jì)規(guī)定,研究要達(dá)到某些生產(chǎn)指標(biāo)時,可操作工藝參數(shù)必須滿足的條件。如研究在保證脫硫效率達(dá)到95%的條件時,保持其他參數(shù)不變,液氣比至少應(yīng)該不低于多少;又如在保證出口SO2含量不超過40×10-6時,保持其他工藝條件不變,吸收劑濃度應(yīng)不低于多少。

結(jié)合物料的單位價格、公用工程的單位耗資、吸收塔材質(zhì)的費(fèi)用以及工程施工造價,運(yùn)用模型分析工具中的Optimization最優(yōu)化功能,通過軟件自帶的程序編寫窗口編寫簡單的Fortran程序(或EXCEL程序),便可實(shí)現(xiàn)在保證運(yùn)行效率的前提下,通過改變設(shè)計(jì)條件,從而使得工程造價或者運(yùn)行操作費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)化程度。當(dāng)然,所編寫的程序也可以是外部軟件編寫,然后用A spen Plus軟件通過數(shù)據(jù)接口連接調(diào)用。

3.2 換熱器(GGH)的核算與設(shè)計(jì)

煙氣換熱器在煙氣脫硫工藝系統(tǒng)中起著重要的作用,煙氣經(jīng)過吸收塔洗滌、凈化后溫度降至50℃以下,這個溫度低于酸的露點(diǎn),為防止煙氣對下游設(shè)備的腐蝕和對環(huán)境的影響,一般需要在熱交換器中將煙氣加熱至80℃以上,然后再由煙囪排出進(jìn)人大氣[5]。

Aspen Plus擁有豐富的換熱器模型,可以用于各種工業(yè)換熱器的模擬。如,Heater模型可以模擬加熱器或冷卻器,HeatX模型可以模擬兩股物流的換熱器,MHeatX模型多股物流的換熱器,Hetran模型可以用于模擬管殼式換熱器,Aerotran模型則一般用于模擬空冷換熱器[6]。濕法煙氣脫硫工藝中,一般采用列管式換熱器或者回轉(zhuǎn)式換熱器,在Aspen Plus模擬系統(tǒng)中,我們可以選用HeatX模型。HeatX模型可以模擬逆流和并流換熱器、弓形隔板換熱器、圓形隔板換熱器、裸管和翅片管換熱器等。

HeaterX有簡捷法(Shortcut)和嚴(yán)格法(Detailed)兩種核算模型。簡捷法(Shortcut)模型可以用于設(shè)計(jì)和模擬兩種計(jì)算,不需要換熱器的結(jié)構(gòu)或幾何尺寸數(shù)據(jù),做設(shè)計(jì)計(jì)算時依據(jù)工藝參數(shù)和總傳熱系數(shù)可以估算出傳熱面積。嚴(yán)格法(Detailed)可以用已知的幾何尺寸去估算換熱器的傳熱膜系數(shù)、總傳質(zhì)系數(shù)、壓降、對數(shù)平均溫差校正因子等,但是該模型不能用于設(shè)計(jì)計(jì)算。

在用Aspen Plus做GGH的設(shè)計(jì)計(jì)算時,我們可以把簡捷法(Shortcut)和嚴(yán)格法(Detailed)結(jié)合起來使用。首先根據(jù)初始條件用簡捷法估算換熱器的傳熱面積,然后參考簡捷法的計(jì)算結(jié)果用嚴(yán)格法進(jìn)行進(jìn)一步核算。上述方法,可以對換熱器進(jìn)行全區(qū)域的分析,還可以用于顯熱、氣泡狀氣化、凝結(jié)膜系數(shù)的計(jì)算,傳熱和壓降的計(jì)算、以及內(nèi)置的或者用戶定義的一些關(guān)聯(lián)式。在FGD系統(tǒng)中,煙囪防腐要求和環(huán)保要求決定了凈煙氣出口溫度,凈煙氣進(jìn)口溫度是已知的,這樣可以計(jì)算出換熱量,確定好換熱器界的結(jié)構(gòu),選擇好材質(zhì)之后,就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。參考換熱器材質(zhì)的價格以及其他相關(guān)費(fèi)用,結(jié)合模型分析工具,可以優(yōu)化換熱器的設(shè)計(jì)成本與工程造價。

3.3 泵的選型與設(shè)計(jì)

在FGD系統(tǒng)中,泵是輸送漿液的主要設(shè)備,也是脫硫系統(tǒng)運(yùn)行中耗能較大的設(shè)備,加上輸送介質(zhì)的成分的復(fù)雜性,因此泵的選型與材質(zhì)的選用顯得尤為重要[7]。在石灰石濕法脫硫系統(tǒng)中,泵輸送的介質(zhì)主要包括石灰石漿液、石膏漿液、濾液水、工藝水等。這些物料中氯離子含量較高,對輸送機(jī)械的防腐蝕性要求很高;其次,石灰石漿液和石膏漿液的含固量很高,因此輸送這些物料的泵需要較強(qiáng)的耐磨性。

在模擬泵時,首先畫出管線流程,輸入必須的工藝參數(shù),如物料流量及組成、溫度、壓力,泵進(jìn)、出口管徑及長度,從而計(jì)算出泵進(jìn)、出口管系阻力。再根據(jù)進(jìn)、出口側(cè)設(shè)備間的位差、壓力差及速度頭損失,可以計(jì)算出泵的揚(yáng)程,再乘以安全系數(shù)(一般取1.05～1.10)。據(jù)此,運(yùn)送介質(zhì)的物性以及流量、揚(yáng)程等都可以確定,從而選出合適的泵型和規(guī)格[8]。

然后在管線圖中加入PUMP模塊,輸入泵的性能曲線參數(shù),就可以進(jìn)行泵的相關(guān)核算,當(dāng)然用戶也可以提供Fortran子程序來計(jì)算特性曲線[6]。Aspen Plus不僅可以計(jì)算正常、最大及最小流量下的出口壓力,也可以計(jì)算指定出口壓力下的流量,即泵的最大輸送能力[8]。PUMP模型的計(jì)算結(jié)果還包括泵的有效汽蝕余量、軸功率等重要參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)需要更高揚(yáng)程或者流量,而現(xiàn)有的泵的規(guī)格不能滿足需要時,用戶可以將若干臺泵串聯(lián)或者并聯(lián)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì),無需再計(jì)算串聯(lián)或者并聯(lián)后性能曲線。

3.4 工藝全流程優(yōu)化

Aspen Plus不僅可以做單個模塊的靈敏度分析、局部設(shè)計(jì)規(guī)定和局部優(yōu)化,還可以做全局性的流程分析、總體工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化與成本優(yōu)化。首先確定優(yōu)化目標(biāo),如果該目標(biāo)參數(shù)在軟件中已經(jīng)定義過,則直接調(diào)用即可,如果是軟件中沒有的參數(shù),則需重新添加或者在Fortran子程序中進(jìn)行定義;然后確定操作變量,如果操作變量僅有一個,則直接調(diào)用之并確定其范圍,但在實(shí)際工藝中,影響目標(biāo)值的參數(shù)往往有很多,而且可能分別屬于不同的模塊或者物流,此時需要確定各操作變量對目標(biāo)變量的關(guān)系,寫出函數(shù)關(guān)系式并編程;或者定義一個新的變量,該變量與目標(biāo)變量存在著簡單的函數(shù)關(guān)系,而且可以用各操作變量的初等函數(shù)結(jié)合表達(dá),這樣就可以方便的進(jìn)行全局工藝流程的分析與優(yōu)化。

如圖1為筆者利用Aspen Plus軟件建立的石灰石-石膏法煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程圖,主要包括煙氣換熱器GG H、吸收塔ABSORBER、漿液循環(huán)泵PUMP、石膏旋流器SSPLIT 1、廢水旋流器SSPLIT 2、工藝水箱 H2OPOOL等模塊。

圖1 石灰石-石膏法煙氣脫硫系統(tǒng)工藝流程圖

4 結(jié)語

Aspen Plus能夠很好的運(yùn)用于濕法FGD系統(tǒng)的流程模擬,可以用于工藝參數(shù)的分析與優(yōu)化,指導(dǎo)脫硫關(guān)鍵設(shè)備的選型、開發(fā)、設(shè)計(jì)與核算,降低脫硫項(xiàng)目的工程造價與設(shè)備造價等。Aspen Plus軟件庫中累積了很多經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù),可用于實(shí)際工況的模擬。運(yùn)用Aspen Plus指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與設(shè)備的開發(fā)等工作,其模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠,而且非常方便,當(dāng)某些參數(shù)改變時,只需在輸入條件中改變該參數(shù)值,便可方便地輸出模擬結(jié)果,節(jié)省了很多人力物力,極大地提高了工作效率。

通過本文,筆者雖然對Aspen Plus軟件在濕法FGD系統(tǒng)中的運(yùn)用作了較為全面的闡述,但是僅介紹了脫硫工藝中關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計(jì)運(yùn)用,對一些輔助設(shè)備如升壓風(fēng)機(jī)、旋流器和結(jié)晶器等設(shè)備尚未深入研究,有待于以后的工作中進(jìn)一步改進(jìn)。

[1]Elan G.Aspen plus user guide version 10.2[M].California：Aspen Technology,1998.

[2]Jim Green.Aspen plus phieal property methods and models[M].California：Aspen Technology,2000.

[3]孫志翱,金保升,李 勇,等.基于 AS PEN PLUS軟件的濕法煙氣脫硫模型[J].潔凈煤技術(shù),2006,12(3)：17～18.

[4]馬宗慶.熱管煙氣換熱器在濕法脫硫工藝中的應(yīng)用及比較[J].電力建設(shè),2008(6)：71～72.

[5]楊育慧,饒思澤,李落成.濕法石灰石/石膏煙氣脫硫泵的選材及選型[J].電力環(huán)境保護(hù),2006,22(1)：161～162.

[6]黃衛(wèi)國.Aspen Plu s在泵選型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].高橋石化,2007,22(2)：27～ 28.