雙效氣液并流工藝中海水脫硫特性的模擬研究

孫雙雙，張少峰，唐 猛，劉 燕

（1.河北工業大學 化工學院，天津 300130；2.河北工業大學 海洋科學與工程學院，天津 300130）

雙效氣液并流工藝中海水脫硫特性的模擬研究

孫雙雙1，張少峰2，唐 猛1，劉 燕2

（1.河北工業大學 化工學院，天津 300130；2.河北工業大學 海洋科學與工程學院，天津 300130）

為了研究氣液并流海水脫硫過程中各工藝參數對脫硫效率的影響，對氣液并流海水脫硫過程進行了模擬．運用Aspen Plus流程模擬軟件自主構建并流模型，提出并流模型建立方法，并用實驗驗證了模型的準確性．以單效并流工藝為基礎，對河北工業大學研發的雙效并流工藝進行了模擬研究，并與逆流工藝進行了對比，運用靈敏度分析功能對3種工藝分析了液氣比、煙氣溫度、海水堿度以及海水溫度對脫硫效率的影響．結果表明：在相同的操作條件下，雙效并流工藝的脫硫效率高于逆流工藝和單效并流工藝的脫硫效率．

雙效；氣液并流；逆流；海水脫硫；脫硫效率；Aspen Plus

0 引言

濕法煙氣脫硫工藝依據吸收劑種類的不同來分類，主要有氨法、石灰石法、雙堿法、海水脫硫等，國內濱海電廠多采用海水脫硫技術，海水脫硫是一種很有前途的控制電廠SO2排放的方法[1-2]，海水脫硫工藝是基于海水的弱堿性（pH值為8.1～8.3），來吸收酸性氣體SO2．煙氣中的SO2首先成為可溶解的SO2，進而轉化成亞硫酸氫根離子和硫酸氫根離子，最終經氧化成為硫酸根離子，從而達到凈化煙氣的目的[3-4]．

氣液傳質吸收的操作方式主要有氣液逆流和氣液并流2種，目前，海水煙氣脫硫技術大多采用ALSTOM公司的Flakt-Hydro工藝，其核心設備脫硫塔多采用氣液兩相逆流操作，其容易受液泛、霧沫夾帶、漏液、氣速等流體力學條件的限制，有壓降阻力大、操作彈性小、設備投資高等缺點[5]．與逆流操作相比，并流操作具有處理量大、無液泛、壓降小等優點，李衛娟[6]等用實驗研究了氣液并流操作的流體力學特性，結果表明：全塔采用并流的操作方式避免了液泛和返混等不利現象的發生．氣液并流從設備入口到設備出口兩相的狀態變化類似于單級接觸操作，其實質是單級接觸的連續進行，兩者的操作線相同，單級接觸操作的吸收極限是兩相平衡，即達到理論級的分離程度，氣液并流的分離極限也是一個理論級，而且氣液并流比錯流接觸時間長故傳質效率高[7]．并流操作與逆流操作兩者操作線不同，逆流吸收的塔模型不能應用到并流模擬當中，目前學者們對于并流操作流程模擬方面的研究很少，因此對氣液兩相并流操作過程進行模擬研究很有必要．

本研究以Aspen Plus流程模擬軟件為平臺，只對海水脫硫工藝的吸收部分進行了模擬研究，自主建立了組合模型，其作用等效于并流操作，并用氣液并流工藝（簡稱單效工藝）實驗驗證了并流組合模型的可行性，對河北工業大學自主研發的雙效并流工藝（簡稱雙效工藝）進行了模擬研究，并與逆流工藝進行了比較，分別分析了工藝操作參數對3種工藝脫硫效率的影響，以及3種工藝的優劣，為進一步對開發工藝的設計以及實驗研究提供參考與指導．

1 雙效氣液并流海水脫硫工藝

為了研究并流操作在海水脫硫中的優勢，河北工業大學李衛娟、荊瑞靜等人對單效并流工藝的壓降和海水煙氣脫硫特性進行了實驗研究[5-6]，流程簡圖如圖1．

工藝流程：新鮮海水自塔頂噴淋而下，含SO2煙氣自塔頂與海水并流向下，兩者接觸傳質，經過傳質元件，兩相接觸傳質吸收，在塔底部氣液兩相經分離板分離，潔凈煙氣自塔底氣體出口排出，洗滌后的海水自塔底排液口排出．

為了進一步提高單效并流工藝的海水脫硫效率，提高海水資源的利用率，河北工業大學對單效氣液并流海水脫硫工藝進行了改進，將單效塔設備中間加一隔板，單效塔設備分成上下2部分，氣液兩相2次并流經過塔設備，故將此工藝命名為雙效氣液并流工藝，流程簡圖見圖2．

圖1 單效氣液并流工藝Fig.1 single-effectand gas-liquid cocurrent flow process

圖2 雙效氣液并流工藝Fig.2 Double-effectand gas-liquid cocurrent flow process

工藝流程：含硫煙氣首先進入下塔與海水并流經過傳質元件，初次凈化，降溫；而后半清潔的氣體與新鮮的海水進入上塔塔頂，再次并流經過傳質元件凈化，凈化后煙氣經上塔排出，海水經下塔底排出．

新工藝的創新點：雙效并流工藝借鑒了單效并流工藝的優點，氣速不受嚴格的限制，氣速較大時不會出現液泛或帶水現象，而且在一定的氣量下需要的設備直徑和高度較逆流小．煙氣經兩次洗滌，第1次洗滌后的海水循環利用，避免了一次洗滌吸收不完全，使海水高效利用，煙氣經過第1次洗滌后煙氣溫度降低，有利于二次的吸收，兩次洗滌使煙氣潔凈度提高．雙效串聯，塔設備同時具備逆流塔和并流塔的操作特性，清潔液洗半清潔氣，臟液洗臟氣的工藝特點節約大量的吸收劑，該吸收塔工藝集預洗滌和噴淋吸收于一體，雙效并流工藝增加了煙氣海水的接觸時間，可以實現高效吸收．

2 模擬工況

本次模擬的是單效并流工藝的實驗工況，實驗裝置為河北工業大學海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心海水脫硫實驗平臺[5-6]，吸收塔為直徑250mm×5mm的有機玻璃制成，實驗范圍為：液體流量為1.6～5.8m3/h，空塔氣速為0.54～1.62m/s，最大煙氣通量為262m3/h．

2.1 煙氣特性

模擬輸入條件：大氣壓為1.01×105Pa，煙氣溫度25℃，煙氣量取設備最大通量值262m3/h，煙氣密度取空氣密度 =1.293 g/cm3，煙氣為自制的SO2、N2和O2的氣體混合物，煙氣的組成及組分含量見下表1．

表1 煙氣成分Tab.1 Chem ical composition of the flue gas

2.2 海水特性

模擬使用標準海水，海水黏度7×10-3Pa s，海水表面張力0.072N/m，海水密度1 025 kg/m3，其中和總量約為2.2mmol/l，且總量保持不變，標準海水的pH值在7.9～8.4范圍內，海水的參數值來源于參考文獻[8]．

3 模型的建立

3.1 系統的定義

3.1.1 組分的定義

海水組成極其復雜，為簡化模擬，以海水堿度為基礎，采用與其等堿度的碳酸氫鈉水溶液，由于水（H2O）和碳酸氫鈉（NaHCO3）是以電解質溶液的形式存在的，使用Aspen Plus軟件的ElectrolyteWizard（電解質智能工具）定義各種存在的組分，見下表2．

表2 定義組分Tab.2 Define the components

3.1.2 物性方法的選擇

物性方法的正確選擇是Aspen Plus計算熱力學性質和傳遞性質的基礎，因此選擇恰當的物性方法對于流程模擬的準確性和可靠性至關重要，海水系統為無機電解質系統，本研究選擇電解質的活度系數模型ELECNRTL模型，該模型能很好的適用于具有多溶劑和溶解氣體的溶液[9]．

3.1.3 收斂方法的選擇

Aspen Plus提供的收斂方法有WEGSTEIN法、DIRECT法、割線法、BROYDEN法、NEWTON法、COMPLEX法和 SQP法等[10]．不同的模塊采用不同的收斂方法，本研究流程模擬計算的收斂方法采用WEGSTEIN方法．這種方法可同時運用于任何數目的流股，而且具有快速可靠的特點．

3.2 模擬假設

為簡化模擬過程，模擬中假定：1）不考慮固體和鹽析；2）只考慮吸收作用而不考慮氧化作用；3）不考慮SO2的自然氧化和強制氧化；4）不考慮海水中相關離子的催化氧化作用；5）煙氣中SO2吸收反應充分，考慮如下反應[11-12]：

3.3 并流組合模塊的選擇

Aspen Plus軟件模塊庫中含有幾乎全部的單元操作模型，使用不同的基礎單元操作模型，依據質量守恒和能量守恒基本原理可對不同的工藝流程進行模擬計算[13]．在Aspen Plus軟件的塔模型中，吸收操作單元模塊均為逆流操作，沒有并流操作吸收單元模型，并且學者們對并流流程模擬研究很少，為模擬并流操作，根據并流吸收操作和軟件中提供的各模塊的特點，建立了等效并流組合模型，模塊庫中分離模塊Flash2為單級相平衡分離模塊，適用于吸收、蒸餾和其他單級分離操作，并流操作的分離極限也是相平衡分離，因此Flash2模塊可以用于并流操作的模擬．

為模擬并流吸收，簡化模型，不考慮工藝中塔體內部結構，不考慮塔板數，僅考慮并流流程，將并流海水煙氣脫硫工藝分為兩個部分：1）預洗滌段，煙氣和海水在此處混合，主要承擔煙氣降溫，氣相 SO2進入液相，選擇M ixers模塊．2）吸收段，分為兩個功能區：吸收區和分離區．吸收區選擇RStoic模塊主要承擔將液相二氧化硫到亞硫酸的轉化以及亞硫酸根離子氧化成硫酸根離子；分離區承擔氣液分離，選擇Flash2模塊．2個部分3個模塊組合，其作用等效氣液并流吸收工藝，選擇的組合模塊功能信息如表3．

表3 Aspen Plus模塊介紹Tab.3 Introduction of the Aspen Plusmodules

3.4 單效并流工藝模型的建立

為了研究雙效并流工藝首先以單效并流工藝為基礎，依據單效并流工藝流程圖和3.3的Aspen plus基礎模塊選擇，建立單效并流工藝流程模型如圖3．

圖3 單效氣液并流工藝模擬流程圖Fig.3 Simulation flow diagram of single-effectand gas-liquid cocurrent flow process

含SO2氣體G1和新鮮海水L1經混合器M IXER1混合接觸后，經反應器RSTOIC1吸收反應，最后經分離器FLASH2分離得到清潔氣體G2和洗滌后海水L2．

3.5 單效并流工藝模擬值與實驗值的對比

運用上述2的實驗裝置以及實驗參數對單效工藝進行海水脫硫實驗，研究了液氣比為8 L/m3，10 L/m3，12L/m3下的脫硫效率，同時運用Aspen plus軟件在同樣的實驗參數下進行模擬，物性方法的選擇、收斂方法的選擇和模擬假設與3.1和3.2相同，模擬結果與實驗值進行比較，結果如表4．

通過表4可知：模擬結果與實驗結果基本吻合，由于模擬中存在3.2所述的模型假設問題和模擬的理想性使相同的液氣比下實際脫硫效率低于模擬值，隨著液氣比的增加，兩者的誤差有增加的趨勢，由于實驗過程中有不可避免的壓力損失，而模型沒有考慮塔內件造成壓力損失的影響，所以因液氣比增大而提高的脫硫率幅度實驗值低于模擬值，所以誤差會有略微增大的趨勢，由于實驗操作誤差而造成誤差的存在，使實驗值低于模擬值，但誤差均在5%以內，數據結果基本吻合．因此，本研究所建立的并流吸收等效模型能夠很好的模擬單效并流海水脫硫工藝的工作狀態，雙效并流工藝流程為單效工藝的改進，其基本原理均為并流單元操作，建立并流組合模型的方法同樣可以運用于雙效并流工藝的模擬研究中．

表4 實驗值與模擬值的對比Tab.4 Comparison between the experimental value and Simulation value

3.6 雙效并流工藝模型的建立

以3.4單效并流工藝模型的建立方法為基礎，對應于圖2建立雙效并流工藝流程模型如圖4．含 SO2氣體G1與上塔排出的洗滌海水L3依次經過混合器M IXER2、反應器RSTOIC2，而后經分離器FLASH2分離，半清潔氣體G2再次進入混合器M IXER1與新鮮海水L1混合，經反應器RSTOIC1和分離器FLASH1反應分離，清潔氣G3直接排出，清洗液L3進入混合器M IXER2，重復利用．

3.7 逆流吸收模型的建立

逆流吸收塔模型在Aspen plus模塊庫中有現有模型，選擇RadFrac模塊[9,13]，并建立逆流吸收模型如圖5所示．

圖4 雙效氣液并流工藝模擬流程圖Fig.4 Simulation process flow diagram of double-effectand gas-liquid cocurrent flow process

圖5 逆流吸收工藝模擬流程圖Fig.5 Simulation process flow diagram of counter-currentprocess

4 工藝參數對脫硫效率的影響

利用軟件的靈敏度分析功能可以考察不同的工藝參數對目標值的影響程度．定義恰當的操縱變量和因變量，并設置操縱變量的調節范圍，經初始化運行便可得到操縱變量對因變量的影響情況，其結果還可以用PlotWizard繪圖專家向導繪成曲線，可以直觀的觀察變量之間的關系[14]，下面利用靈敏度分析功能研究了雙效工藝、單效工藝以及逆流工藝中工藝參數對脫硫效率的影響．

4.1 液氣比對脫硫效率的影響

液氣比是衡量吸收塔操作性能的重要參數，液氣比數值上等于單位時間內吸收塔海水噴淋量和入口標準狀態煙氣體積流量之比，液氣比指的是吸收1 m3的含硫煙氣所需要的吸收劑體積，液氣比的大小反映了吸收過程的推動力和吸收速率的大小．

利用靈敏度分析功能分別對3種工藝進行模擬分析，保持其他工藝條件不變，改變液氣比，得到液氣比對脫硫效率的影響，結果如圖6．

根據圖6的3條曲線的比較可知，液氣比在7L/m3時，單效工藝脫硫效率為72%，雙效工藝脫硫效率可達到90%以上，效率明顯提高．在液氣比較低的值段，3種工藝的脫硫效率均隨著液氣比的增加而顯著增大，當液氣比增加到一定值后，其對脫硫效率的影響逐漸減弱，脫硫效率的增加也趨于平緩，原因是：液氣比越大，和總量越多，促進吸收反應正向進行，有利于吸收速率的增加，加快SO2的吸收，但當液氣比增大到一定程度后，氣液接觸較充分，吸收速率相對穩定，脫硫效率的變化趨于平緩；

在液氣比為2L/m3～4 L/m3范圍內單效并流工藝的脫硫效率高于逆流工藝，當液氣比大于4 L/m3時逆流工藝的脫硫效率逐漸高于單效工藝，這是因為，當液氣比值較小時，雖然逆流傳質推動力較大，但由于并流是氣液兩相相向流動，所以單效并流操作氣液兩相接觸時間較逆流操作時更長，氣液傳質較充分，故在初始階段，單效并流工藝的脫硫效率較逆流工藝高；隨著液氣比的增大即海水噴淋密度的增大，并流時氣液接觸時間較低液氣比時縮短，并且，與逆流工藝相比，單效并流工藝的傳質推動力相對較小，故傳質效果不如逆流工藝，這也導致了單效并流工藝脫硫效率低于逆流工藝的脫硫效率．

在整個液氣比范圍內，雙效工藝的脫硫效率始終高于單效工藝和逆流工藝的脫硫效率，且明顯高于單效工藝．原因是：雙效工藝為單效工藝的改進工藝，雙效工藝中雙效串聯，塔設備同時具備逆流塔和并流塔的操作特性，該吸收塔集預洗滌和噴淋吸收于一體，具有“凈液洗凈氣，臟液洗臟氣”的工藝特點，氣液兩相2次混合接觸，接觸時間增加，故脫硫效率高于單效工藝和逆流工藝．

圖6 液氣比對脫硫效率的影響Fig.6 The influenceof liquidgas ratioon thedesulfurization

4.2 煙氣溫度對脫硫效率的影響

經燃煤電廠排放的煙氣溫度一般較高，溫度過高會對吸收設備造成損壞，煙氣需經換熱器冷卻到適宜溫度來減少對吸收塔的腐蝕，在保持其他的工藝條件不變情況下，僅改變入口煙氣溫度，考察入口煙氣溫度對脫硫效率的影響，以期對換熱器設計提供指導，運行結果如圖7．

圖7 煙氣溫度對脫硫效率的影響Fig.7 The influenceof fluegas temperatureon desulfurization efficiency

根據圖7可知，在相同的操作條件下，隨著溫度的升高，3種吸收工藝的脫硫效率均明顯下降，溫度的增加與脫硫效率的降低基本成線性關系．這是因為 SO2的吸收過程屬于放熱反應，溫度升高促進反應逆向進行，海水中和溶解量減少，不利于 SO2的吸收，因此低溫有利于二氧化硫的吸收；溫度對3種工藝的影響程度基本相同，但雙效工藝的脫硫效率明顯高于單效工藝與逆流工藝，可見雙效工藝優于單效工藝與逆流工藝，在實際吸收操作中在保證設備不易被腐蝕的情況下應盡量降低煙氣溫度，也應綜合考慮換熱器的經濟效益．

4.3 海水堿度對脫硫效率的影響

海水的化學吸收能力理論上由海水的堿度值代表，根據海水的主要成分和堿度的計算公式，海水的堿度值約等于和總量[8]，模擬時僅改變海水的堿度值，其余主要成分濃度不變，結果如圖8．

圖8 海水堿度對脫硫效率的影響Fig.8 The influenceof the seawateralkalinity on the desulfurization efficiency

根據圖8中3條曲線比較可以看出，隨著海水堿度值的增加，脫硫效率明顯增大，并且雙效工藝的脫硫效率明顯高于單效工藝與逆流工藝的脫硫效率，因為堿度增加，和的含量都增加，故化學吸收能力也明顯提高，從而脫硫效率提高，因此為提高海水脫硫的效率，實際生產中，可以考慮在海水體系中添加堿性物質來提高海水的堿度，提高SO2的吸收率．

4.4 海水溫度對脫硫效率的影響

其他工藝參數不變的條件下，只改變海水溫度，得到海水溫度的變化對脫硫效率的影響結果如圖9．

圖9 海水溫度對脫硫效率的影響Fig.9 The influenceof seawater temperatureon desulfurization efficiency

根據圖9比較可知，隨著海水溫度的升高脫硫效率均逐漸下降，0～20℃時脫硫效率變化較平緩，20℃以上時脫硫效率變化較顯著，整體的脫硫效率雙效工藝明顯高于單效工藝與逆流工藝，這是因為海水溫度升高海水中溶解的CO2部分溢出，CO2的溶解度降低，溶解的和H總量減少，化學吸收能力降低，同時海水溫度升高還會使吸收塔內的反應溫度升高抑制SO2物理吸收過程；實際生產中應該盡量使海水溫度不要高于環境溫度，盡量的使海水溫度低，也應綜合考慮經濟效益．

5 結論

1）通過自主建立并流組合模型，并驗證了組合模型的可行性，為并流流程模擬研究提供依據．

2）通過研究液氣比、煙氣溫度、海水堿度和海水溫度對脫硫效率的影響，得知：隨著液氣比的增加，脫硫效率明顯升高；隨著煙氣溫度的升高，脫硫效率明顯呈下降趨勢，說明低溫有利于SO2的吸收；隨著海水堿度的增加，脫硫效率逐漸升高；隨著海水溫度的升高，脫硫效率逐漸下降，且海水溫度在20℃以上時脫硫效率變化較顯著．

3）通過單效工藝、雙效工藝以及逆流工藝模擬對比，得知雙效工藝的脫硫效率高于逆流工藝的脫硫效率，且明顯高于單效工藝，充分體現了雙效工藝的工藝特點以及結構優勢，模擬結果為雙效工藝的進一步的實驗研究以及設計優化提供了理論依據與指導．

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[責任編輯 田 豐 夏紅梅]

Simulation on desulfurization characteristicsby seawater in doubleeffectand gas-liquid cocurrent flow process

SUN Shuangshuang1，ZHANG Shaofeng2，TANGMeng1，LIU Yan2

(1.School of Chem ical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.School of Marine Science and Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

In order to study the influenceof some parameterson desulfurization efficiency,the processof desulfurization w ith gas-liquid cocurrentby seawaterwas simulated.Using Aspen Plus process simulation software to build cocurrent flow model independently,themethods to build cocurrent flow model is put forward,and the accuracy of themodelhas been verified by experiments.Based on theprocessof thesingle-effectand gas-liquid cocurrent flow,theprocessofdoubleeffectand cocurrent flow researched by HebeiUniversity of Technologywere simulated,and comparedw ith counter-currentprocess.The influenceof liquid gas ratio,fluegas temperature,seawateralkalinity and seawater temperatureon desulfurization efficiency of three processeswereanalysedw ith the function of sensitivity analysis.Resultsshow thatunder thesameoperating conditions,thedesulfurizationefficiency ofdouble-effectprocessishigher than counter-currentprocess and single-effectprocess.

double-effect;gas-liquid cocurrentflow;counter-current;seawaterdesulfurization;desulfurizationefficiency; Aspen Plus

TQ053.5

A

1007-2373(2016)02-0055-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.010

2015-01-21

河北省科技計劃項目（14273105D）

孫雙雙（1988-），女（漢族），碩士生．通訊作者：張少峰（1965-），男（漢族），教授，博士生導師．

數字出版日期：2016-04-26 數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160426.0945.010.htm l