固定床活性炭干法煙氣脫硫過程的模擬研究

李 焱，趙紀(jì)光，凡 明，陶文亮

（1. 貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 畢節(jié)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

廢氣處理

固定床活性炭干法煙氣脫硫過程的模擬研究

李 焱1，趙紀(jì)光1，凡 明1，陶文亮2

（1. 貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2. 畢節(jié)學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

采用流程模擬軟件對固定床活性炭干法煙氣脫硫過程進(jìn)行模擬，并用已公開發(fā)表的文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。模型驗(yàn)證結(jié)果與文獻(xiàn)值吻合較好。利用該模型對活性炭干法煙氣脫硫過程進(jìn)行模擬研究，探討了脫硫過程中床層高度、進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度、吸附溫度等工藝參數(shù)對SO2脫除率的影響。模擬結(jié)果表明：隨床層高度增加，SO2脫除率提高；隨進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度增加，SO2脫除率提高；在吸附溫度為100 ～160 ℃的范圍內(nèi)，隨吸附溫度升高，SO2脫除率逐漸下降。

煙氣脫硫；工藝參數(shù)；數(shù)值模擬

2013年，“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞。此后，中國不少地區(qū)將霧霾天氣作為災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報。霧霾主要由SO2、NOx和可吸入顆粒物組成。其中，SO2主要來源于燃煤過程所產(chǎn)生的煙氣［1］。干法煙氣脫硫技術(shù)因其工藝簡單、占地少、無需廢水處理等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注，特別是活性炭干法煙氣脫硫技術(shù)，具有可資源化、節(jié)水與硫回收等特征［2-3］。

本工作采用流程模擬軟件對固定床活性炭干法煙氣脫硫過程進(jìn)行模擬，分析了脫硫過程中吸附溫度、床層高度、進(jìn)口煙氣中SO2濃度等工藝參數(shù)對脫硫率的影響。

1 活性炭干法煙氣脫硫模型模擬

1.1 數(shù)學(xué)計算方法

吸附流程模擬所進(jìn)行的一系列數(shù)學(xué)計算大多是偏微分方程組的計算。工程數(shù)學(xué)中對偏微分方程計算采用發(fā)散的方法。采用一階上風(fēng)差分法（UDS1），穩(wěn)定性好，收斂較為迅速，基于一階泰勒展開式推導(dǎo)，見式（1）。

式中：Γi為吸附量方程；z為軸向長度，m。

1.2 固定床內(nèi)物料平衡和動量傳遞

固定床內(nèi)氣相總質(zhì)量平衡包括混合氣體經(jīng)過對流和擴(kuò)散由氣相向固相傳遞等傳質(zhì)過程。在壓力和溫度恒定的條件下，模擬穿透曲線的微分方程見式（2）。

式中：vg為氣體表觀速率，m/s；ρg為氣體密度，kmol/m3；ρs為吸附劑堆密度，kg/m3；qk為吸附量，kmol/kg；t為時間，s。

對于流過固定床的煙氣中的任一組分，可以采用式（3）進(jìn)行物料恒算。

式中：εi為床層空隙率，m3/m3；Ezk為軸向彌散系數(shù)，m2/s；ck為氣體濃度，kmol/m3；Erk為徑向彌散系數(shù)，m2/s；r為徑向長度，m；εB為總空隙率，m3/m3；Jk為傳質(zhì)速率，kmol/（m3·s）。

左邊各項(xiàng)分別為：軸向擴(kuò)散項(xiàng)、徑向擴(kuò)散項(xiàng)、對流傳質(zhì)項(xiàng)、氣相積累項(xiàng)和傳遞速率項(xiàng)。實(shí)際模擬中進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕盟幍臓顟B(tài)參數(shù)來計算軸向擴(kuò)散項(xiàng)和徑向擴(kuò)散項(xiàng)，一方面保證模擬的順利進(jìn)行，另一方面保證結(jié)果與實(shí)際更加接近。

1.3 其他假設(shè)

活性炭吸附脫除煙氣中SO2的實(shí)際過程中，吸附溫度為100～180 ℃，壓力為常壓。本文建立的是固定床吸附模型，為了簡化過程，對于氣體在管道中的流動，只考慮軸向速率而不考慮徑向速率，基本假設(shè)條件為：1）低壓下氣體可以看作理想氣體，遵守理想氣體狀態(tài)方程；2）吸附劑顆粒形狀相同，大小均一，內(nèi)部溫度統(tǒng)一，脫硫過程看作等溫吸附過程；3）氣相流動模型忽略軸向擴(kuò)散及濃度分布；4）恒定的氣體流速和恒定的有效擴(kuò)散系數(shù)；5）傳質(zhì)系數(shù)均為常數(shù)；6）吸附劑的活性衰減問題不予考慮。

2 活性炭干法煙氣脫硫過程模型驗(yàn)證

2.1 吸附平衡模型

由于真實(shí)固體表面的能量分布并不均勻，即吸附位是非均勻地分布在吸附質(zhì)的表面。假定在非均勻表面發(fā)生吸附，根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計熱力學(xué)，具有吸附熱（ΔHα，kJ/mol）的吸附位的數(shù)目（nα）為［4］：

式中：n0為常數(shù)；ΔHm為常數(shù)，kJ/mol。

因此，氣體平衡吸附量（q*，kmol/kg）和氣體平衡壓力（p，Pa）的關(guān)系為：

式中：T為溫度，K；a為常數(shù)，mol/（kJ·Pa）；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）。

對其運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程，可簡化為：

式中：c*為吸附平衡時氣相中的氣體濃度，kmol/ m3；K和n為Henry常數(shù)。

式（6）即為Freundlich等溫吸附方程。當(dāng)n接近于1時，該式可以看做Henry吸附式，常數(shù)K和n依賴于吸附劑、吸附質(zhì)的種類和吸附溫度。對式（6）兩邊取對數(shù)可得：

由式（7）可知，lnq*和lnc*呈直線關(guān)系，由直線的截距和斜率可得到K和n的值。

2.2 模型驗(yàn)證

活性炭干法煙氣脫硫過程的模擬計算機(jī)程序流程簡圖見圖1。建立所需的模擬吸附流程，設(shè)置進(jìn)口物流參數(shù)、吸附條件、吸附模型參數(shù)等后進(jìn)行計算機(jī)運(yùn)算，最后對結(jié)果進(jìn)行輸出分析。

圖1 活性炭干法煙氣脫硫過程計算機(jī)程序流程簡圖

根據(jù)文獻(xiàn)［5］提供的活性炭吸附SO2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出Freundlich等溫吸附方程的模型參數(shù)，K=1.59，1/n=1.012。同時采用文獻(xiàn)［5］提供的進(jìn)口物流參數(shù)（見表1）代入Freundlich等溫吸附方程進(jìn)行計算，得出有效吸附時間為13.13 min，文獻(xiàn)值為13 min，二者具有很高的吻合度，表明所建立的模型準(zhǔn)確合理，可用于預(yù)測操作參數(shù)對活性炭脫硫的穿透曲線的影響。

表1 進(jìn)口物流參數(shù)

國內(nèi)外研究活性炭煙氣脫硫技術(shù)的結(jié)果表明，影響煙氣脫硫過程的操作參數(shù)主要有吸附床層厚度、進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度及吸附溫度等［6-11］。本工作采用Freundilch等溫吸附方程對活性炭干法煙氣脫硫過程進(jìn)行模擬研究與分析，可用于分析各種操作參數(shù)對脫硫率的影響以及尋找最優(yōu)操作條件。

3 模擬計算結(jié)果及分析

3.1 SO2吸附量的變化

脫硫塔內(nèi)不同床層高度處的SO2吸附量見圖2。由圖2可見：隨著吸附時間的延長，SO2吸附量逐漸增大；達(dá)到穿透時間（780 s）之后，SO2吸附量趨于飽和，基本不再變化。

圖2 脫硫塔內(nèi)不同床層高度處的SO2吸附量

3.2 操作參數(shù)對SO2脫除率的影響

3.2.1 床層高度

在進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為2 000 mg/L、吸附溫度為120 ℃的條件下，床層高度對SO2脫除率的影響見圖3。由圖3可見，隨床層高度增加，SO2脫除率提高。這是因?yàn)椋矊痈叨仍黾雍筇峁┑奈絊O2的活性位增加，使更多的SO2被吸附。但床層高度越大，所需的穿透時間越長，床層阻力也越大。綜合考慮所需達(dá)到的脫除率和吸附劑成本，選擇床層高度為10 cm較適宜。

圖3 床層高度對SO2脫除率的影響

3.2.2 進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度

在床層高度為10 cm、吸附溫度為120 ℃的條件下，進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對SO2脫除率的影響見圖4。

圖4 進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度對SO2脫除率的影響

由圖4可見，隨進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度提高，SO2脫除率緩慢提高，這是因?yàn)檫M(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度較高時，一部分SO2還未擴(kuò)散到活性炭內(nèi)部時就通過了床層，因此出口煙氣中SO2質(zhì)量濃度也較高，但是對SO2脫除率的影響并不是很大。可以看出，此模型對煙氣中SO2質(zhì)量濃度在較大的跨度內(nèi)都有良好的處理效果。

3.2.3 吸附溫度

在床層高度為10 cm、進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的條件下，吸附溫度對SO2脫除率的影響見圖5。由圖5可見，隨吸附溫度升高，SO2脫除率逐漸下降。這是因?yàn)镾O2分子在活性炭表面的停留時間與溫度成反比，即溫度越高，停留時間越短，沒有足夠的時間被吸附。如果溫度一直升高，會使吸附向反方向進(jìn)行，即溫度較低時，吸附處于主導(dǎo)地位，溫度較高時，脫附速率提高。綜合考慮，選擇吸附溫度為120 ℃較適宜。

圖5 吸附溫度對SO2脫除率的影響

4 結(jié)論

a）用文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對固定床活性炭干法煙氣脫硫過程的模型驗(yàn)證結(jié)果與文獻(xiàn)值吻合較好。

b）采用Freundilch等溫吸附方程對活性炭干法煙氣脫硫過程進(jìn)行模擬研究結(jié)果表明：隨床層高度增加，SO2脫除率提高；隨進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度增加，SO2脫除率提高；在吸附溫度為100 ～160 ℃的范圍內(nèi)，隨吸附溫度升高， SO2脫除率逐漸下降。

［1］ 王慧麗，雷宇，陳瀟君，等. 京津冀燃煤工業(yè)和生活鍋爐的技術(shù)分布與大氣污染物排放特征［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2015，10：1510 - 1517.

［2］ 高繼賢，劉靜，翟尚鵬，等. 活性焦（炭）干法煙氣凈化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展［J］. 化工進(jìn)展，2011，30（5）：1097 - 1105.

［3］ 張蕾，張磊，趙璐，等. 煙氣組分對活性炭脫硫性能的影響［J］. 安全與環(huán)境學(xué)報，2014（3）：271 - 274.

［4］ 近藤精一，石川達(dá)雄，安部郁夫. 吸附科學(xué)［M］. 李國希譯. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：36.

［5］ 蘇青青. 固體吸附劑吸附低濃度二氧化硫氣體試驗(yàn)研究［D］. 武漢：武漢工程大學(xué)，2006.

［6］ Gorken B，Oguz H. Development of an active sorbent from fl y ash for dry desulphurization of simulated fl ue gas in a fl uidized-bed reactor［J］. Chem Eng J，2006，119（2/3）：147 - 152.

［7］ Lopez D，Buitrago R，Lveda-Escribano A，et al. Low temperature catalytic adsorption of SO2on activated carbon［J］. J Phys Chem C，2008，112（39）：15335 -15340.

［8］ 陶賀，金保升，樸桂林，等. 活性焦煙氣脫硫脫硝的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和工藝參數(shù)選擇［J］. 東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，39（3）：635 - 640.

［9］ 閆東杰，柳青，黃學(xué)敏，等. 基于正交實(shí)驗(yàn)的顆粒移動床煙氣脫硫工藝參數(shù)優(yōu)化［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2014（9）：3899 - 3904.

［10］ 郭軍，江松，魏強(qiáng). 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫物料平衡模型研究［J］. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014，S1：457 - 463.

［11］ 朱平. 燒結(jié)煙氣氨法脫硫塔內(nèi)流場模擬與優(yōu)化研究［D］. 武漢：武漢科技大學(xué)，2015.

（編輯 祖國紅）

Process simulation of dry flue gas desulfurization by activated carbon in fixed bed

Li Yan1，Zhao Jiguang1，F(xiàn)an Ming1，Tao Wenliang2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China；2. Bijie University，Bijie Guizhou 551700，China）

The dry fl ue gas desulfurization process by activated carbon in fi xed bed was numerical simulated. The model was validated by experimental data in published literature and the results were in good agreement with literature values. By this model，the process of dry fl ue gas desulfurization by activated carbon was studied and the effects of the operation parameters on SO2removal rate were analyzed，such as：bed height，inlet SO2mass concentration，adsorption temperature，and so on. The simulation results show that the SO2removal rate is increased with the increasing of bed height and inlet SO2mass concentration，but reduced with the increasing of adsorption temperature in the range of 100-160 ℃.

fl ue gas desulfurization；operation parameter；numerical simulation

X701.3

A

1006-1878（2016）03-0317-04

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.03.016

2015 - 10 - 31；

2015 - 11 - 20。

李焱（1974—），女，貴州省貴陽市人，碩士，副教授，電話 0851 - 88297910，電郵 ce.yl@163.com。

國家“863”計劃項(xiàng)目子課題（2011AA060803）。