石灰法单塔脱硫系统数值模拟

杜 军，张 艳，郑喜洋

（江苏科技大学， 江苏 镇江 212003）

石灰法单塔脱硫系统数值模拟

杜 军，张 艳，郑喜洋

（江苏科技大学， 江苏 镇江 212003）

通过对石灰法烟气脱硫系统工艺进行研究，以Aspen Plus模拟软件为平台，对单塔系统的化工过程进行模拟，输入热烟气的热力学参数和操作条件，采用控制变量法，模拟塔内发生的酸碱中和、吸收和氧化反应过程。通过模拟入口烟气流量、SO2浓度、钙硫比等烟气参数变化趋势，进一步分析各因素对脱硫效率的影响，以期对系统的优化设计提供参考。根据实际装置的运行情况，优化现有的设备和流程，对进一步完善和改进脱硫工艺有着重大的理论意义和实用价值。

石灰法；烟气脱硫；烟气量；Aspen Plus模拟；脱硫效率

近年来，石灰法烟气脱硫技术因其脱硫效率高、无二次污染、脱硫副产品利用价值高等优势而倍受关注。虽然国内外政府和企业对烟气脱硫技术投资力度较大，并且已有明显成果，但由于国内厂家的生产成本有限、技术不够成熟、催化剂效率限制等因素，要想使脱硫效果达到国外技术水平，还有很大的发展空间。所以开发适合我国电厂及其他行业生产需要的经济有效的烟气治理方法是非常必要的[1]。

本文所介绍的石灰法烟气脱硫工艺，利用生石灰为脱硫剂，经过消化成熟石灰，通过雾化器雾化后变成细小石灰浆液，喷入脱硫反应塔中，与热烟气中的酸性组分发生酸碱中和反应，以达到脱除SO2的目的。对于直接从外面购消石灰制成石灰乳液做脱硫剂的方法，用CaO取代Ca(OH)2的效果更好[2]。最后，采用大型通用流程模拟系统Aspen Plus，对单塔脱硫系统的稳态参数变化进行模拟和优化，输入热烟气的热力学参数和操作条件，采用控制变量法，模拟实际装置的运行情况，争取对现有的装置和流程进行优化设计（图1）。

图1 石灰法脱硫工艺流程图Fig.1 Limestone desulphurization process flow diagram

1 脱硫单塔系统模型建立

烟气中SO2与碱性浆液Ca（OH）2的化学反应主要发生在紧邻雾化器喷嘴的区域，相应的反应工程式如下：

本文设计的脱硫单塔系统模型，主要使用的是Aspen Plus软件。Aspen是上世纪70年代由麻省理工学院（MIT）研制开发的一款生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟软件，该软件可以建立、显示流程模拟图及PFD-STYLE曲线图[3]。根据软件模块分析，该模型将喷淋塔脱硫工艺主要分成四部分：(1)脱硫塔预洗涤和浆池段，此模块完成包括烟气温度冷却以及浆液中亚硫酸根的氧化过程。(2)脱硫塔吸收段。此模块分成两个区域：一是吸收区，主要负责将 SO2吸收使其进入碱性小液滴中，为化学反应的进行做好准备条件；二是中和区，为保证酸碱中和反应的进行，将烟气中的SO2、SO3转化成可溶性很强的中性或微酸性盐类，溶解在碱性浆液池中。碱性浆液在吸收区和中和区之间反复循环，用以实现设计要求的脱硫效率。(3)分流器[4]，此部分是负责将碱性浆液分成大小不等的两格部分。从前面两个模块出来的浆液都要先通过分流器，其中一部分通过循环的方式进入塔内。(4)分离器，用以实现气液分离。烟气在进入脱硫塔后，在预洗涤阶段与碱性浆液混合，在进入吸收阶段之前需要把二者分离，而且在脱硫反应结束后，在气体排放之前还需要把烟气从液体中分离开来，这样做能够减少湿度对下游设备的腐蚀。具体模型如图2所示。

图2 脱硫塔Aspen Plus流程模型Fig.2 Desulfurization tower of Aspen Plus process model

2 脱硫系统模拟计算

根据危废焚烧脱硫系统的特点，熟石灰与二氧化硫的化学反应过程是在液滴表面进行的，并且电解质组成一直贯穿其中，因此选择物性模型中的ELECNRTL[5]模型。

为使熟石灰浆液在喷淋塔雾化模拟时模型简便，操作软件运行时花费的代价小，在建立脱硫塔模型前，先对反应器作以下假设：

1）忽略烟气中粉尘、重金属等惰性物质的影响，假设N2和CO、NOx不参与化学反应；

3）吸收和氧化过程分开考虑；

4）脱硫系统稳定运行；

5）设定外界环境压力：标准大气压1 atm，模拟平均温度：20 ℃。

2.1 烟气初始输入参数及成分

烟气工况和烟气成分见表1和表2。

表1 烟气工况Table 1 Flue gas condition

表2 烟气成分Table 2 Flue gas composition

2.2 模拟结果

系统各节点的物流成分及状态参数等详细信息列在表3。

(3) 若μ,ν为伪对偶测度框架, 则SμSν为Rd上正定算子, 则由广义Cauchy-Swcharz不等式: ∀Rd(不妨x≠0),

表3 模拟结果Table 3 The simulation results

根据上面建立的模型，将环境条件、烟气工况以及成分等数据输入模拟软件中，模拟计算得到：烟气量为16 500 Nm3/h时，每小时处理烟气成分的如表3所示，系统需消耗熟石灰浆液140 m3/h，液气比为8.5 L/Nm3，系统的脱硫效率可以达到97%。

3 对模拟结果进行分析

3.1 入口烟气量对脱硫率的影响

物料在回转窑中燃烧的时候，因物料的种类、进料量、燃烧时间的不同，烟气的产生量也会在一定范围内波动，进入脱硫塔内烟气量的改变，势必会影响和改变 SO2的脱除率，因此研究烟气量对脱硫效率的影响还是十分必要的。在保持浆液循环量为140 m3/h、入口SO2浓度为3 000 mg/Nm3和熟石灰浆液消耗量为72 kg/h均不变的前提下，改变入口SO2浓度，经过模拟计算得到数据制成图表，如图3所示。

图3 烟气量对脱硫效率的影响Fig.3 The influence of smoke volume on the desulphurization efficiency

在保持其他工况不变的前提下，系统入口烟气量从10 000 Nm3/h变化至20 000 Nm3/h的过程中，脱硫率呈下降趋势，最后达到 95.2%。这是因为烟气量的增加，势必会引起流速的加快，使得气液接触面处的相对速度增加，气体分子对碱性微小液滴的撕扯力变大，单位面积内气液接触的更加充分，混合的更加均匀，都能对 SO2的吸收起到一定的促进作用，但使得有效面积比减小，浆液碱度相对降低，传质阻力增加。与此同时随着烟气流速的加快，使得烟气在洗涤塔中停留的时间减少，相应的缩短了酸碱中和反应的时间，而且会有更多的液滴随烟气进去除雾器，增加了除雾器的压力，还会有一部分微小液滴无法被干燥，继而进入下游设备，造成腐蚀，脱硫效率大大的降低。因此通常在实际运行中，当烟气量变化引起脱硫效率降低时，应该及时对喷淋管的碱液供应量做适当的调整。

3.2 入口烟气中SO2浓度对脱硫率的影响

因为排放烟气的成分是十分复杂的，尽管经过了配比设计，但仍然会因为物料成分差异、燃烧条件、燃烧区域的不同，造成烟气中SO2浓度发生改变，如果相应的脱硫系统未采取任何有效措施，SO2与石灰浆液的中和反应将会受到限制。因此我们需要对初始SO2浓度进行模拟研究，观察其变化对化学反应和脱硫率的影响。

实际烟气脱硫工程中，通常会设置烟气分析装置对某些重要节点处的烟气SO2浓度进行监测，并使用控制系统及时作出相应运行调整，保证脱硫效率达到预期目标。在稳定其他模型参数不变的前提下，输入使用Aspen plus软件对不断变化的初始SO2浓度进行模拟，经过分析计算得到数据制成图标，如图4所示。

图4 入口SO2浓度对脱硫效率影响Fig.4 Effect of inlet SO2concentration on the desulfurization efficiency

在保持其他工况不变的前提下，入口 SO2浓度从1 000 mg/Nm3变化至 5500 mg/Nm3的过程中，随着入口SO2的浓度的增加系统脱硫效率从98%降到88.7%。产生的变化可以用 W.G.Whitman[6,7]和L.K.Lewis[8]的双模理论来解释。针对SO2被碱性浆液吸收传质的过程，可以看作气体和液体在相互接触时，气液两相分别存在气膜和液膜，SO2以扩散的方式到达液膜表面，被溶解吸收，溶解后再以扩散的方式在液体间传质。SO2在气模中的扩散传质阻力极小，几乎为零。在液膜中的传质则与液体的酸碱度有关了，两者成反比关系。由模拟结果可以知道，固定其他条件，增加初始 SO2浓度，酸碱中和反应的发生会导致熟石灰浆液的pH值甚高，液膜的传质阻力与之相应的增加，对 SO2的液相传递造成负面影响，限值酸碱中和吸收的过程的顺利进行，最终导致系统的脱硫效率下降。

实际烟气脱硫工程中，通常会设置烟气分析装置对某些重要节点处的烟气 SO2浓度进行监测，一旦发生初始 SO2浓度增加导致脱硫率下降的现象，控制系统及时作出相应运行调整。本模型中的脱硫装置采用的是喷淋塔，其内部设置了多层喷淋管，可以通过增设备用喷淋管的数量，必要时能够用来提高熟石灰浆液流量，或者改变碱性溶液浓度使其pH值增加，减少传质阻力，推动化学反应的反生，用以保证脱硫效率达到预期目标。

3.3 Ca/S对烟气脱硫率的影响

钙硫比（Ca/S）是影响湿法烟气脱硫的主要因素之一，控制其它参数不变，调节浆液浓度，改变Ca/S，研究Ca/S对脱硫率的影响。模拟结果如图5。

图5 Ca/S对烟气脱硫效率的影响Fig.5 Ca/S influence on flue gas desulfurization efficiency

图6 液气比对脱硫效率的影响Fig.6 Effect of liquid-gas ratio on the desulfurization efficiency

图5中的工况条件设定烟气量为16 500 Nm3/h，浆液循环量为140 m3/h，入口SO2浓度为3 000 mg/m3时。通过改变熟石灰浆液的流量，从49.5 kg/h增加到72 kg/h，相应的Ca/S从0.85变化到1.05的过程中，随着Ca/S的增加，脱硫效率提升较为显著，从80.2%迅速提高到95%左右，然后趋于稳定。当Ca/S小于1时，吸收剂Ca（OH）2的喷入量是影响SO2吸收的决定性因素，随着吸收剂Ca（OH）2量的增加，脱硫反应持续进行，脱硫效率随之提高；当Ca/S大于1时，由于熟石灰浆液流量、液气比、生成物浓度对脱硫化学反应的综合影响最终使得脱硫效率趋于稳定。这是因为建立的烟气净化模型中脱硫子模型分别了考虑气膜、液膜以及 Ca(OH)2颗粒溶解过程中的传质阻力对脱硫效率的影响。当Ca/S比增加时，这意味着单个浆滴中所含的 Ca(OH)2颗粒将增加，使浆滴内 Ca(OH)2颗粒总的溶解通量增加，石灰浆滴中钙离子及氢氧根离子的浓度升高，Ca(OH)2颗粒溶解过程中的传质阻力将减小，脱硫效率提高。

3.4 液气比对系统脱硫率的影响

除了以上因素对 SO2的脱除率有很大影响外，脱硫率也与液气比密切相关。它决定了系统反应推动力和石灰浆液的吸收速率。在保持其他工艺条件不变的情况下，调整液气比的大小，经过模拟计算得到液气比对脱硫效率的影响关系图(图6)。

由图6可以看出，在保持其他工况不变的前提下，随着液气比的增加，脱硫率呈递增趋势，液气比达到11.4 L/m3时，脱硫率在96.8%，之后则基本不再变化。液气比的变化会直接影响气液之间相互接触的表面积，当液气比提高时，烟气与吸收剂液滴混合的更加充分，接触面积增大，使得单位面积的液体 pH值升高，对 SO2的传质阻力减小，酸碱中和反应进行的更加彻底，脱硫效率在一定程度上迅速提升。当然并不是液气比越大越好，当与烟气混合的浆液微小液滴达到一定量时，液滴之间会相互凝聚，使其尺寸增大，比表面积变小，使气液间的接触变得不充分，混合的不够均匀，反而会影响脱硫反应的进行，使脱硫效率下降。因此，在实际生产中，要选取适当的气液比，在满足环保要求的同时，尽可能控制运行成本。

4 结 论

本文通过对某烟气进行石灰法脱硫工艺研究，模拟其吸收、中和和氧化三个反应过程。从模拟结果分析可知：

（1）每小时处理烟气量16 500 Nm3/h，系统需消耗熟石灰浆液140 m3/h，液气比为8.5 L/m3，可使系统的脱硫效率达到95%。

（2）控制Ca/S不变，提高入口烟气中S02浓度，可以提高脱硝率，达到一定程度时，如果不增加浆液中脱硫剂的量，SO2与 Ca（OH）2的反应将不再增加。但若脱硫剂过量，无法被充分利用，也会造成脱硫剂利用率降低和浪费。

（3）进一步分析脱硫系统运行参数，烟气量、入口处烟气中的 SO2浓度、Ca/S、液气比对脱硫效率的影响，以期对系统的优化设计提供参考。

石灰法烟气脱硫技术目前在模拟和实验方面研究均已深入化、规模化，工程应用价值高。但提高脱硫剂活性的研究还有很大的空白，有待于后续学者继续研究。石灰法烟气脱硫技术工艺过程的研究，对进一步完善和改进脱硫工艺有重大的理论意义和实用价值。

［1］李晓斐,傅大放,马光.烟道喷射石灰(石)烟气脱硫技术综述[J].环境污染治理技术与设备，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］刘广林.氨法烟气脱硫塔内气液流场及过程的数值模拟[D].东北电力大学硕士论文,2012-03-01.

［5］李章平，孙秋荣.Apsen Plus软件在含硫废水汽提工艺设计中的应用[J].化工环保,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，吴元欣，钟康年,丁一刚.化学工程方法在浮选机放大中的应用[J].武汉化工学院学报，1993，15（3)：6-12.

［8］刘波.石油脱氮脱硫的基础性研究[D].南京工业大学，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

杜军（1973-），男，黑龙江省哈尔滨市人，副教授、研究生导师，工学博士、博士后，毕业于哈尔滨工业大学，研究方向：超临界二氧化碳萃取纳米晶体技术、太阳能热利用、废弃物焚烧处理。E-mail：dujun9988@163.com。

张艳（1990-），女，硕士研究生，研究方向：船舶柴油机废气处理技术研究。E-mail：2285136363@qq.com。