濕法脫硫塔動態特性仿真建模

王永文， 冷　偉

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

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環保技術

濕法脫硫塔動態特性仿真建模

王永文， 冷偉

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

通過研究分析不同煙氣脫硫系統中脫硫塔的工藝設計與反應過程，建立了濕氨法和石灰石-石膏濕法煙氣脫硫塔動態特性通用數學模型。模型采用基于控制體的模塊化建模方法，模擬脫硫塔動態運行全過程，計算控制體內溫度、壓力、pH值、SO2質量濃度、脫硫率等動態參數。以某熱力發電廠脫硫塔為仿真對象，對模型進行了多次動態仿真試驗。仿真運行結果正確模擬了對象的動態特性，證明了模型的正確性和通用性。

濕法脫硫； 脫硫塔； 動態仿真； 通用建模

電廠由于燃煤而產生的煤煙型污染是我國二氧化硫、氮氧化物和粉塵產生的第一大污染源，因此燃煤電站是脫硫的重點和領軍行業[1]。現在的火電機組普遍安裝脫硫系統，以滿足國家對火電機組SO2排放標準的要求。脫硫塔作為整個脫硫系統運行過程中最為重要的吸收裝置，其運行狀態正常與否直接影響脫硫系統出口SO2質量濃度能否達標。

筆者建立了濕法煙氣脫硫塔動態數學模型，模擬脫硫塔的實際運行過程。模型包括了濕氨法和石灰石-石膏濕法兩種煙氣脫硫方法，并以通用模塊的形式，嵌入電廠仿真支撐平臺。該模型可以用于對仿真對象變工況運行及事故處理演練過程的動態模擬，提高現場人員的運行水平，并且為改善脫硫系統的運行性能以及對異常工況分析提供參考。

1　脫硫塔模型說明

為實現所建模型對脫硫塔動態特性的正確模擬，需要對脫硫塔的結構、內部氣液兩相流動、傳熱傳質和吸收反應過程等進行建模。為此，在模塊設計過程中，需要充分考慮脫硫塔結構參數、氣液流動、傳質傳熱、運行環境等因素的差異性及其對運行特性的影響，以便能夠設計合理的模型邊界條件和影響因素比較全面的數學模型，實現模型的仿真通用化。

1.1 脫硫塔結構分析

脫硫塔從上到下不同高度的內部結構、流體物性、流動、傳熱傳質、組分濃度、反應機理等存在明顯的差異[2]，針對這種結構和運行特點，脫硫塔模塊采用分段建模。分段的作用一是實現對脫硫塔從上而下各段內參數計算，可獲得脫硫塔動態運行過程中不同部位的運行參數；二是滿足通用化設計，各個分段內可以修改模型內結構參數以及加入工質接口實現不同部位可能的工質流入或流出。

脫硫塔分段見圖1。建模時將脫硫塔自下而上分為反應產物循環氧化及排出段、原煙氣入口段、氣液兩相流動及化學反應段、除霧器及噴淋裝置段、凈煙氣排出段等部分。各段再細分為多個控制體，以提高計算精度；各分段內設計多個接口，滿足煙氣、吸收劑工質、工藝水和其他物質的進入與排出，接口可根據仿真對象的工藝設計進行刪減或增添。

1.2 模型參數

為實現模塊通用化，設計模型參數時需考慮不同對象下脫硫塔的正確仿真模擬。為此，將參數設置為結構類參數、基本系數和運行參數三大類(見表1)。可以通過考慮其他因素來適當增添參數以完善脫硫塔模塊的通用性。對不同對象相應設置、修改相關參數，可實現脫硫塔模塊運行特性與實際對象相吻合。

表1　模型參數

1.3 模型通用化說明

模型通用化是為實現對較多不同對象的仿真模擬。為此，該模型使用以下方法實現通用化：

(1) 脫硫塔模型中使用濕氨法和石灰石-石膏濕法兩種煙氣脫硫兩種常用脫硫工藝，可以用于較多脫硫系統的仿真模擬。

(2) 模型中脫硫塔分為多段，每一區段內的結構、接口和基本系數等參數均可根據仿真對象進行修改設置。脫硫塔模型以模塊形式加入仿真平臺后，在仿真系統運行調試過程中，可根據所仿真對象特性直接修改模塊內的部分參數。

2　數學模型的建立

2.1 模型假設

為便于計算，綜合脫硫塔的運行過程和理論分析，對數學模型進行以下假設：煙氣中SO2與吸收液的傳質速率由氣膜和液膜控制；整個化學反應在液膜內完成；脫硫塔任一界面上液滴分布均勻，大小相同，液滴下落過程中均保持為球形；脫硫塔內氣液兩相均為一維流動；液滴及脫硫塔液位下的物質電離瞬間完成；液位下物質的混合瞬間完成[3-4]。

2.2 動態建模

2.2.1 脫硫塔吸收反應模型

脫硫過程要經過一系列復雜的中間反應步驟，兩種脫硫方法基本化學反應式為：

(1) 氨法：

SO2+H2O+(NH4)2SO3→2NH4HSO3

(1)

NH3+NH4HSO3→(NH4)2SO3

(2)

(2) 石灰石-石膏：

CaSO4·2H2O+CO2

(3)

SO2在液膜內進行吸收反應，在液相主體中由于吸收反應為快速反應，SO2易溶于水，可認為在吸收液側SO2的濃度為零，吸收未反應的SO2全部與水轉化為H2SO3，從氣側吸收SO2為慢反應，其速率由傳質方程控制[5]：

NSO2=kG·αA·(pSO2-HSO2·CSO2)

(4)

式中：NSO2為SO2的吸收速率，mol/(m3·s)；pSO2為氣相中SO2分壓，Pa；CSO2為液相中SO2濃度，mol/m3；HSO2為SO2的亨利系數，(Pa·m3)/ mol；αA為脫硫塔的氣液比表面積，m2/m3；kG為SO2的氣相傳質系數，mol/(m2·s·Pa)。

石灰石-石膏中需考慮CO2的吸收速率，其傳質方程為[6]：

(5)

式中：NCO2為CO2的吸收速率，mol/(m3·s)；HCO2為CO2的亨利系數，(Pa·m3)/mol；pCO2為氣相中CO2分壓，Pa；CCO2為液相中CO2濃度，mol/m3；kL為CO2的氣相傳質系數，mol/(m2·s·Pa)。

反應過程中對任一物質組分作物料平衡計算[7]：

(6)

式中：Ci表示i組分的濃度，mol/m3；∑Ni是該組分中的濃度生成或消耗速率，mol/(m3·s)。

2.2.2 液滴內組分及pH計算模型

物質在反應過程中以分子或離子狀態進行均可，但本質是離子在互相結合反應，因此模型中，溶液中對各個離子構建微分方程以計算離子濃度，再根據電離關系式計算溶液中各物質濃度[8]。在給定對象的初始參數下，可用微分方程求解動態運行過程各時刻的離子濃度及pH值。

溶液中SO2吸收微分方程為：

(7)

式中：CH2SO3為溶液中H2SO3的濃度，mol/m3。

離子微分方程通用式可表述為[9]：

(8)

物質或離子團λ電離為正離子λ+和負離子λ-,C為離子濃度，mol/m3；Kλ表示λ的電離常數，mol/m3。

以HSO3-離子為例微分方程可寫為:

(9)

實時pH值使用該時刻H+濃度直接計算[10]：

(10)

2.2.3 氧化、結晶計算模型

對于氨法和石灰石-石膏脫硫，其液位下的氧化主要是對HSO3-及SO32-的氧化，將這兩種離子轉化為穩定的SO42-離子，其氧化速率為[4,11]：

ROX=KOX·(CHSO3-+CSO32-)1.5

(11)

式中：ROX為氧化速率，mol/(m3·s)；KOX為氧化速率常數，m-1.5/( mol0.5·s)。

使用石灰石-石膏，還需考慮液位下石膏的結晶及排出；而使用氨法時因硫酸氫銨的高溶解性不考慮結晶[11-12]。石膏的結晶速率:

Rgy=Kgy·(RSgy-1)

(12)

Kgy=1.1×10-4Agy

式中：Rgy為石膏結晶速率，mol/(m3·s)；Kgy為石膏結晶速率常數，mol/(m3·s)；RSgy表示石膏相對飽和度；Lgy為石膏溶解平衡常數，Lgy=20.33 mol2/m6；Agy表示單位體積溶液中石膏顆粒表面積，m2/m3。

2.2.4 脫硫塔質量與能量建模

脫硫塔內的質量及能量計算分為兩步：第一步，計算各段的質量及能量，分段計算為提高運算精度以及獲得各區段內參數；第二步，在所有區段計算結束后對整個脫硫塔進行質量與能量平衡計算，以計算脫硫塔內整體平均溫度、壓力等相關參數。

區段間物質質量計算中考慮每一區段中反應物質的生成或消耗,以及液滴表面水分的蒸發，計算微分方程：

(13)式中：下標i為某物質組分；下標j為物質所在區段；M為該段內某物質組分的質量，kg；Mri為某物質的摩爾質量，kg/mol；Q為體積流量，m3/s；C為物質的濃度，mol/m3；τ為計算時間步長，s；vi,j為該組分i在區段j內反應生成或消耗的速率，若沒有參與反應則等于零，kg/s；Li,j為該區段內水滴的蒸發速率，i僅當計算的組分是H2O時出現，kg/s。

區段間能量計算微分方程：

Li,j(r+cp·Δt)+ki,j·αD(Tj+1-Tj)

(14)

式中：H為該段內某物質組分的能量，kJ；W為區段間的質量流量，kg/s；hi,j為區段內某物質的比焓，kJ/kg；Ei,j為反應生成熱，kJ/kg；cp為物質比定壓熱容，kJ/(kg·K)；r為水的汽化潛熱，kJ;αD表示脫硫塔的區段間接觸面積，m2；Δt為該區段內的液滴蒸發溫差，K；ki,j為區段間的傳熱系數， kW/(m2·K)；Tj為區段的平均溫度，K。

區段間質量、能量計算后，需對整個脫硫塔進行質量與能量的平衡計算，以獲取脫硫塔整體氣液兩側溫度、壓力等相關參數。以整個脫硫塔為研究對象，氣相和液相側質量平衡計算方程為：

(15)

(16)

式中：下標g為煙氣側參數；下標l為吸收液側參數；Lwater為吸收液側水分蒸發的質量流量，kg/s；Wair為氧化空氣質量流量，kg/s；Wl,new為補充的新鮮吸收工質流量，kg/s；Wfw為工藝水流量，kg/s。

在脫硫塔中整體能量變化為輸入脫硫塔能量-脫硫塔輸出能量=脫硫塔內部能量，以此氣相和液相兩側的能量計算方程分別為：

(r+cp·Δt)-Wg,out·cp,g2·tg2-ΔEloss1

(17)

cp,l2·tl2-Lwater·(r+cp·Δt)-ΔEloss2

(18)

式中：下標g為煙氣側參數；下標l為吸收液側參數；下標in、out分別為進口、出口參數；下標fw為工藝水；tg1、tg2、tl1、tl2分別為煙氣側、吸收液側進出口溫度， ℃；ΔEloss1、ΔEloss2分別為煙氣側、吸收液側對外散熱，kJ/s。

ΔEloss=ΔEloss1+ΔEloss2=

(19)

3　動態仿真測試及模型驗證

3.1 仿真對象初始參數

模型的初始參數參考某熱電廠135 MW機組設計參數，該機組使用濕氨法工藝進行煙氣脫硫。初始參數見表2。

表2　模型初始參數

3.2 仿真試驗及分析

模型仿真測試包括兩方面：一是脫硫塔啟動過程動態特性測試；二是測試不同預設條件下的脫硫塔動態運行過程。

3.2.1 啟動過程動態測試

脫硫塔在啟動前，內部為空氣壓力與外界環境相同，在啟動過程中，煙氣進入脫硫塔內，與噴淋而下的吸收液接觸反應。脫硫塔內煙氣側進出口流量動態運行曲線見圖2。進口煙氣流量在整個啟動過程中由于部分操作，導致了較小幅度地緩慢上升。動態運行開始后，脫硫塔煙氣側進口流量大于出口流量，脫硫塔內煙氣質量增加，壓力隨之增加，出口煙氣流量上升，最后脫硫塔煙氣側達到平衡狀態。

脫硫塔內煙氣與吸收液逆向流動，液滴與煙氣相互接觸進行吸收反應，同時兩相間進行傳質、傳熱(見圖3)，由于兩相對流換熱，煙氣溫度逐漸下降，吸收液側溫度逐漸上升，最終兩側溫度分別達到平衡狀態，由于傳熱過程中經過氣膜與液膜產生一定熱阻，平衡后煙氣側溫度仍大于吸收液側。

脫硫塔主要性能指標之一為出口煙氣中SO2質量濃度或脫硫率。在脫硫塔啟動過程中，煙氣中的SO2質量濃度動態曲線見圖4。煙氣中SO2的脫除與吸收液的pH值緊密聯系。由圖4可見：開始時由于SO2質量濃度較高，吸收工質為新鮮氨水，pH值較高，此時脫硫效率最高，SO2質量濃度和pH值下降速度相對較快。氨水吸收SO2為酸堿中和反應，吸收反應的進行過程中吸收液pH值逐漸下降，吸收能力也隨之下降。隨著煙氣中SO2被吸收，吸收液pH值由中性或弱堿性下降為弱酸性，吸收速率逐步降低，最后達到動態平衡狀態。

3.2.2 動態運行測試

(1) 較大的液氣比會給SO2的吸收提供相對較大的傳質比表面積，所以液氣比的增加有利于促進SO2的吸收。圖5為不同液氣比下煙氣出口SO2質量濃度隨時間變化曲線。從圖5中可看出：在穩定后，不同液氣比下煙氣中的SO2質量濃度隨著液氣比增加而降低，且吸收開始階段，大液氣比下煙氣SO2脫除速率也相對較快。

(2) 在運行穩定后，分別在1 300 s和1 500 s時刻加入少量新鮮氨水，兩次氨水加入持續時間分別為60 s和120 s，對動態過程產生擾動，其他條件不變。動態運行過程曲線見圖6。在穩定運行后，出口煙氣中的SO2質量濃度維持在較低水平，加入新鮮氨水后，由于吸收液中氨含量增加，pH值降低，可以吸收煙氣中更多的SO2，但新鮮氨水停止供應后，隨著吸收液循環，吸收液工質的pH值回歸擾動前水平，曲線平衡后與穩定時基本一致。

3.3 石灰石-石膏濕法脫硫仿真測試

在使用濕氨法進行仿真測試后，使用模塊中的石灰石-石膏濕法脫硫(WFGD)模型對該對象進行仿真測試。模型的初始參數仍參考某熱電廠135 MW機組設計參數，部分參數做以下修改：設計脫硫效率η=95%，吸收工質初始pH=7.0，設計液氣比為12 L/m3。

(1) 隨著脫硫過程進行，煙氣中SO2質量濃度逐漸降低，脫硫效率隨之上升，最后達到平衡狀態，同時吸收液的pH值隨著脫硫效率的升高而減小。

當pH 值大于6.0時，繼續增大pH值，脫硫效率增加量非常??；當pH值小于6.0時，隨著pH值的降低，脫硫效率下降明顯。WFGD模型下pH與SO2質量濃度隨時間變化曲線見圖7。由圖7可見：高pH值的漿液環境有利于SO2的吸收，脫硫效率增大；而低pH值，氫離子的增多會抑制脫硫反應的進行。過高的pH值會降低脫硫劑活性，石灰石利用率降低，所以脫硫效率不會增大很多；相反，pH 值過低，有助于石灰石的溶解及其較高鈣利用率的實現，但系統脫硫率低。

(2) 圖8為WFGD模型下不同液氣比下煙氣出口SO2質量濃度隨時間變化曲線。由圖8可見：液氣比小于12時，脫硫率對循環漿液的流量較為敏感，該值越小，對脫硫效率的影響越大；而液氣比大于12后再繼續增大，脫硫效率增加非常小。產生該現象的原因為：系統的脫硫效率隨著循環漿液流量的增加而增加，煙氣在通過脫硫塔過程中能被霧化的液滴所吸收，洗滌下來的 SO2也相對越多，因而系統的脫硫效率越高。但液滴停留時間隨液氣比的增大而減小，減弱了脫硫效率增長的速度。因此液氣比達到一定程度時，脫硫效率的增長速率減緩，同時因提高液氣比而帶來的運行費用增加，經濟性下降。

4　結語

以濕法煙氣脫硫塔為研究對象，根據其物理、化學機理建立了動態數學模型，并實現了氨法及石灰石-石膏兩種脫硫方式集于一個模塊。建立了煙氣脫硫系統的化學反應過程模型、氣液兩相流動模型、pH計算模型，通過模塊化建模方法，使得仿真算法具有更強的通用性，提高了其在系統建模中的使用率。通過動態仿真試驗分析，驗證了該模型的正確性。此模型的建立，為濕法煙氣脫硫系統的仿真開發提供了參考價值。

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Simulation and Modeling on Dynamic Characteristics of a Wet Desulfurization Tower

Wang Yongwen, Leng Wei

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A general mathematical model was set up to study the dynamic characteristics of a wet desulfurization tower respectively by wet ammonia method and wet limestone-gypsum method, based on analysis of the technological design and reaction process of the tower in different flue gas desulfurization systems, using lumped parameter modeling method and modular modeling method, with which the dynamic process of desulfurization tower in the whole operation process can be simulated, while the real-time dynamic operation data within control objects can be calculated, such as the temperature, pressure, pH value, SO2mass concentration and the desulfurization efficiency, etc. Taking the desulfurization tower in a thermal power plant as an object of study, dynamic simulations were repeatedly conducted on the tower, and the simulation results conformed to the design requirements on dynamic characteristics of the tower, proving the model to be correct and universal.

wet desulfurization; desulfurization tower; dynamic simulation; general modeling

2016-02-23

王永文(1990—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為鍋爐系統動態特性仿真建模。

E-mail: wangyongwen717@163.com

X511

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1671-086X(2016)05-0319-06