石灰法單塔脫硫系統數值模擬

杜 軍，張 艷，鄭喜洋

（江蘇科技大學， 江蘇 鎮江 212003）

石灰法單塔脫硫系統數值模擬

杜 軍，張 艷，鄭喜洋

（江蘇科技大學， 江蘇 鎮江 212003）

通過對石灰法煙氣脫硫系統工藝進行研究，以Aspen Plus模擬軟件為平臺，對單塔系統的化工過程進行模擬，輸入熱煙氣的熱力學參數和操作條件，采用控制變量法，模擬塔內發生的酸堿中和、吸收和氧化反應過程。通過模擬入口煙氣流量、SO2濃度、鈣硫比等煙氣參數變化趨勢，進一步分析各因素對脫硫效率的影響，以期對系統的優化設計提供參考。根據實際裝置的運行情況，優化現有的設備和流程，對進一步完善和改進脫硫工藝有著重大的理論意義和實用價值。

石灰法；煙氣脫硫；煙氣量；Aspen Plus模擬；脫硫效率

近年來，石灰法煙氣脫硫技術因其脫硫效率高、無二次污染、脫硫副產品利用價值高等優勢而倍受關注。雖然國內外政府和企業對煙氣脫硫技術投資力度較大，并且已有明顯成果，但由于國內廠家的生產成本有限、技術不夠成熟、催化劑效率限制等因素，要想使脫硫效果達到國外技術水平，還有很大的發展空間。所以開發適合我國電廠及其他行業生產需要的經濟有效的煙氣治理方法是非常必要的[1]。

本文所介紹的石灰法煙氣脫硫工藝，利用生石灰為脫硫劑，經過消化成熟石灰，通過霧化器霧化后變成細小石灰漿液，噴入脫硫反應塔中，與熱煙氣中的酸性組分發生酸堿中和反應，以達到脫除SO2的目的。對于直接從外面購消石灰制成石灰乳液做脫硫劑的方法，用CaO取代Ca(OH)2的效果更好[2]。最后，采用大型通用流程模擬系統Aspen Plus，對單塔脫硫系統的穩態參數變化進行模擬和優化，輸入熱煙氣的熱力學參數和操作條件，采用控制變量法，模擬實際裝置的運行情況，爭取對現有的裝置和流程進行優化設計（圖1）。

圖1 石灰法脫硫工藝流程圖Fig.1 Limestone desulphurization process flow diagram

1 脫硫單塔系統模型建立

煙氣中SO2與堿性漿液Ca（OH）2的化學反應主要發生在緊鄰霧化器噴嘴的區域，相應的反應工程式如下：

本文設計的脫硫單塔系統模型，主要使用的是Aspen Plus軟件。Aspen是上世紀70年代由麻省理工學院（MIT）研制開發的一款生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬軟件，該軟件可以建立、顯示流程模擬圖及PFD-STYLE曲線圖[3]。根據軟件模塊分析，該模型將噴淋塔脫硫工藝主要分成四部分：(1)脫硫塔預洗滌和漿池段，此模塊完成包括煙氣溫度冷卻以及漿液中亞硫酸根的氧化過程。(2)脫硫塔吸收段。此模塊分成兩個區域：一是吸收區，主要負責將 SO2吸收使其進入堿性小液滴中，為化學反應的進行做好準備條件；二是中和區，為保證酸堿中和反應的進行，將煙氣中的SO2、SO3轉化成可溶性很強的中性或微酸性鹽類，溶解在堿性漿液池中。堿性漿液在吸收區和中和區之間反復循環，用以實現設計要求的脫硫效率。(3)分流器[4]，此部分是負責將堿性漿液分成大小不等的兩格部分。從前面兩個模塊出來的漿液都要先通過分流器，其中一部分通過循環的方式進入塔內。(4)分離器，用以實現氣液分離。煙氣在進入脫硫塔后，在預洗滌階段與堿性漿液混合，在進入吸收階段之前需要把二者分離，而且在脫硫反應結束后，在氣體排放之前還需要把煙氣從液體中分離開來，這樣做能夠減少濕度對下游設備的腐蝕。具體模型如圖2所示。

圖2 脫硫塔Aspen Plus流程模型Fig.2 Desulfurization tower of Aspen Plus process model

2 脫硫系統模擬計算

根據危廢焚燒脫硫系統的特點，熟石灰與二氧化硫的化學反應過程是在液滴表面進行的，并且電解質組成一直貫穿其中，因此選擇物性模型中的ELECNRTL[5]模型。

為使熟石灰漿液在噴淋塔霧化模擬時模型簡便，操作軟件運行時花費的代價小，在建立脫硫塔模型前，先對反應器作以下假設：

1）忽略煙氣中粉塵、重金屬等惰性物質的影響，假設N2和CO、NOx不參與化學反應；

3）吸收和氧化過程分開考慮；

4）脫硫系統穩定運行；

5）設定外界環境壓力：標準大氣壓1 atm，模擬平均溫度：20 ℃。

2.1 煙氣初始輸入參數及成分

煙氣工況和煙氣成分見表1和表2。

表1 煙氣工況Table 1 Flue gas condition

表2 煙氣成分Table 2 Flue gas composition

2.2 模擬結果

系統各節點的物流成分及狀態參數等詳細信息列在表3。

(3) 若μ,ν為偽對偶測度框架, 則SμSν為Rd上正定算子, 則由廣義Cauchy-Swcharz不等式: ?Rd(不妨x≠0),

表3 模擬結果Table 3 The simulation results

根據上面建立的模型，將環境條件、煙氣工況以及成分等數據輸入模擬軟件中，模擬計算得到：煙氣量為16 500 Nm3/h時，每小時處理煙氣成分的如表3所示，系統需消耗熟石灰漿液140 m3/h，液氣比為8.5 L/Nm3，系統的脫硫效率可以達到97%。

3 對模擬結果進行分析

3.1 入口煙氣量對脫硫率的影響

物料在回轉窯中燃燒的時候，因物料的種類、進料量、燃燒時間的不同，煙氣的產生量也會在一定范圍內波動，進入脫硫塔內煙氣量的改變，勢必會影響和改變 SO2的脫除率，因此研究煙氣量對脫硫效率的影響還是十分必要的。在保持漿液循環量為140 m3/h、入口SO2濃度為3 000 mg/Nm3和熟石灰漿液消耗量為72 kg/h均不變的前提下，改變入口SO2濃度，經過模擬計算得到數據制成圖表，如圖3所示。

圖3 煙氣量對脫硫效率的影響Fig.3 The influence of smoke volume on the desulphurization efficiency

在保持其他工況不變的前提下，系統入口煙氣量從10 000 Nm3/h變化至20 000 Nm3/h的過程中，脫硫率呈下降趨勢，最后達到 95.2%。這是因為煙氣量的增加，勢必會引起流速的加快，使得氣液接觸面處的相對速度增加，氣體分子對堿性微小液滴的撕扯力變大，單位面積內氣液接觸的更加充分，混合的更加均勻，都能對 SO2的吸收起到一定的促進作用，但使得有效面積比減小，漿液堿度相對降低，傳質阻力增加。與此同時隨著煙氣流速的加快，使得煙氣在洗滌塔中停留的時間減少，相應的縮短了酸堿中和反應的時間，而且會有更多的液滴隨煙氣進去除霧器，增加了除霧器的壓力，還會有一部分微小液滴無法被干燥，繼而進入下游設備，造成腐蝕，脫硫效率大大的降低。因此通常在實際運行中，當煙氣量變化引起脫硫效率降低時，應該及時對噴淋管的堿液供應量做適當的調整。

3.2 入口煙氣中SO2濃度對脫硫率的影響

因為排放煙氣的成分是十分復雜的，盡管經過了配比設計，但仍然會因為物料成分差異、燃燒條件、燃燒區域的不同，造成煙氣中SO2濃度發生改變，如果相應的脫硫系統未采取任何有效措施，SO2與石灰漿液的中和反應將會受到限制。因此我們需要對初始SO2濃度進行模擬研究，觀察其變化對化學反應和脫硫率的影響。

實際煙氣脫硫工程中，通常會設置煙氣分析裝置對某些重要節點處的煙氣SO2濃度進行監測，并使用控制系統及時作出相應運行調整，保證脫硫效率達到預期目標。在穩定其他模型參數不變的前提下，輸入使用Aspen plus軟件對不斷變化的初始SO2濃度進行模擬，經過分析計算得到數據制成圖標，如圖4所示。

圖4 入口SO2濃度對脫硫效率影響Fig.4 Effect of inlet SO2concentration on the desulfurization efficiency

在保持其他工況不變的前提下，入口 SO2濃度從1 000 mg/Nm3變化至 5500 mg/Nm3的過程中，隨著入口SO2的濃度的增加系統脫硫效率從98%降到88.7%。產生的變化可以用 W.G.Whitman[6,7]和L.K.Lewis[8]的雙模理論來解釋。針對SO2被堿性漿液吸收傳質的過程，可以看作氣體和液體在相互接觸時，氣液兩相分別存在氣膜和液膜，SO2以擴散的方式到達液膜表面，被溶解吸收，溶解后再以擴散的方式在液體間傳質。SO2在氣模中的擴散傳質阻力極小，幾乎為零。在液膜中的傳質則與液體的酸堿度有關了，兩者成反比關系。由模擬結果可以知道，固定其他條件，增加初始 SO2濃度，酸堿中和反應的發生會導致熟石灰漿液的pH值甚高，液膜的傳質阻力與之相應的增加，對 SO2的液相傳遞造成負面影響，限值酸堿中和吸收的過程的順利進行，最終導致系統的脫硫效率下降。

實際煙氣脫硫工程中，通常會設置煙氣分析裝置對某些重要節點處的煙氣 SO2濃度進行監測，一旦發生初始 SO2濃度增加導致脫硫率下降的現象，控制系統及時作出相應運行調整。本模型中的脫硫裝置采用的是噴淋塔，其內部設置了多層噴淋管，可以通過增設備用噴淋管的數量，必要時能夠用來提高熟石灰漿液流量，或者改變堿性溶液濃度使其pH值增加，減少傳質阻力，推動化學反應的反生，用以保證脫硫效率達到預期目標。

3.3 Ca/S對煙氣脫硫率的影響

鈣硫比（Ca/S）是影響濕法煙氣脫硫的主要因素之一，控制其它參數不變，調節漿液濃度，改變Ca/S，研究Ca/S對脫硫率的影響。模擬結果如圖5。

圖5 Ca/S對煙氣脫硫效率的影響Fig.5 Ca/S influence on flue gas desulfurization efficiency

圖6 液氣比對脫硫效率的影響Fig.6 Effect of liquid-gas ratio on the desulfurization efficiency

圖5中的工況條件設定煙氣量為16 500 Nm3/h，漿液循環量為140 m3/h，入口SO2濃度為3 000 mg/m3時。通過改變熟石灰漿液的流量，從49.5 kg/h增加到72 kg/h，相應的Ca/S從0.85變化到1.05的過程中，隨著Ca/S的增加，脫硫效率提升較為顯著，從80.2%迅速提高到95%左右，然后趨于穩定。當Ca/S小于1時，吸收劑Ca（OH）2的噴入量是影響SO2吸收的決定性因素，隨著吸收劑Ca（OH）2量的增加，脫硫反應持續進行，脫硫效率隨之提高；當Ca/S大于1時，由于熟石灰漿液流量、液氣比、生成物濃度對脫硫化學反應的綜合影響最終使得脫硫效率趨于穩定。這是因為建立的煙氣凈化模型中脫硫子模型分別了考慮氣膜、液膜以及 Ca(OH)2顆粒溶解過程中的傳質阻力對脫硫效率的影響。當Ca/S比增加時，這意味著單個漿滴中所含的 Ca(OH)2顆粒將增加，使漿滴內 Ca(OH)2顆粒總的溶解通量增加，石灰漿滴中鈣離子及氫氧根離子的濃度升高，Ca(OH)2顆粒溶解過程中的傳質阻力將減小，脫硫效率提高。

3.4 液氣比對系統脫硫率的影響

除了以上因素對 SO2的脫除率有很大影響外，脫硫率也與液氣比密切相關。它決定了系統反應推動力和石灰漿液的吸收速率。在保持其他工藝條件不變的情況下，調整液氣比的大小，經過模擬計算得到液氣比對脫硫效率的影響關系圖(圖6)。

由圖6可以看出，在保持其他工況不變的前提下，隨著液氣比的增加，脫硫率呈遞增趨勢，液氣比達到11.4 L/m3時，脫硫率在96.8%，之后則基本不再變化。液氣比的變化會直接影響氣液之間相互接觸的表面積，當液氣比提高時，煙氣與吸收劑液滴混合的更加充分，接觸面積增大，使得單位面積的液體 pH值升高，對 SO2的傳質阻力減小，酸堿中和反應進行的更加徹底，脫硫效率在一定程度上迅速提升。當然并不是液氣比越大越好，當與煙氣混合的漿液微小液滴達到一定量時，液滴之間會相互凝聚，使其尺寸增大，比表面積變小，使氣液間的接觸變得不充分，混合的不夠均勻，反而會影響脫硫反應的進行，使脫硫效率下降。因此，在實際生產中，要選取適當的氣液比，在滿足環保要求的同時，盡可能控制運行成本。

4 結 論

本文通過對某煙氣進行石灰法脫硫工藝研究，模擬其吸收、中和和氧化三個反應過程。從模擬結果分析可知：

（1）每小時處理煙氣量16 500 Nm3/h，系統需消耗熟石灰漿液140 m3/h，液氣比為8.5 L/m3，可使系統的脫硫效率達到95%。

（2）控制Ca/S不變，提高入口煙氣中S02濃度，可以提高脫硝率，達到一定程度時，如果不增加漿液中脫硫劑的量，SO2與 Ca（OH）2的反應將不再增加。但若脫硫劑過量，無法被充分利用，也會造成脫硫劑利用率降低和浪費。

（3）進一步分析脫硫系統運行參數，煙氣量、入口處煙氣中的 SO2濃度、Ca/S、液氣比對脫硫效率的影響，以期對系統的優化設計提供參考。

石灰法煙氣脫硫技術目前在模擬和實驗方面研究均已深入化、規模化，工程應用價值高。但提高脫硫劑活性的研究還有很大的空白，有待于后續學者繼續研究。石灰法煙氣脫硫技術工藝過程的研究，對進一步完善和改進脫硫工藝有重大的理論意義和實用價值。

［1］李曉斐,傅大放,馬光.煙道噴射石灰(石)煙氣脫硫技術綜述[J].環境污染治理技術與設備，2002，3(1):57-60.

［2］Ishizuka Tomohiro，Tsuchiai Hiroaki，Murayama Takeshi，et a1．Preparation of Active Absorbent for Dry-Type Flue Gas Desulfurization from Calcium Oxide，Coal Fly Ash and Gypsum[J].Industrial and Engineering Chemistry Research 2000，39(5):1390-1396.

［3］Weisnicht W L, Overman J, Wang C C, et al. 58 Calcium sulfite oxidation in a slurry reactor[J]. Chemical Engineering Science, 1980, 35(80):463-468.

［4］劉廣林.氨法煙氣脫硫塔內氣液流場及過程的數值模擬[D].東北電力大學碩士論文,2012-03-01.

［5］李章平，孫秋榮.Apsen Plus軟件在含硫廢水汽提工藝設計中的應用[J].化工環保,2004，A1（24）：81-83.

［6］W.K.Lewis,W.G.Whitman,Ind.Eng.Chem.Principles of Gas Absorption[J] Industrial & Engineering Chemistry,1924,16(12):1215-1220.

［7］李定或，吳元欣，鐘康年,丁一剛.化學工程方法在浮選機放大中的應用[J].武漢化工學院學報，1993，15（3)：6-12.

［8］劉波.石油脫氮脫硫的基礎性研究[D].南京工業大學，2007.

Numerical Simulation of Single Tower Desulfurization System With Lime Method

DU Jun,ZHANG Yan,ZHENG Xi-yang

（Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003，China）

Through study on flue gas desulfurization system with lime method, using Aspen Plus simulation software as a platform, the chemical process (acid and alkali neutralization, absorption and oxidation reaction processes) of single tower desulfurization system was simulated by inputting hot flue gas thermodynamic parameters and operating conditions and using the control variable method. By analyzing simulation results of desulfurization system running parameters (e.g. gas, SO2concentration in flue gas at the entrance, calcium sulfur ratio, liquid gas ratio), the influence of different factors on the desulfurization efficiency was investigated, which could provide reference for the optimization design of the system.

Lime method；Flue gas desulfurization；Aspen Plus simulation；Desulfurization efficiency

TQ 018

A

1671-0460（2017）04-0775-04

2017-02-07

杜軍（1973-），男，黑龍江省哈爾濱市人，副教授、研究生導師，工學博士、博士后，畢業于哈爾濱工業大學，研究方向：超臨界二氧化碳萃取納米晶體技術、太陽能熱利用、廢棄物焚燒處理。E-mail：dujun9988@163.com。

張艷（1990-），女，碩士研究生，研究方向：船舶柴油機廢氣處理技術研究。E-mail：2285136363@qq.com。