ASPENPLUS软件模拟烟气氨法脱硫

第 22卷 第 1期 2 0 0 9年 2 月 污 染 防 治 技 术 POLLUT ION CONTROL TECHNOLOGY Vo.l 22, No. 1 Feb. , 2 0 0 9 ASPEN PLUS软件模拟烟气氨法脱硫 陈茂兵, 孙克勤, 徐海涛, 周长城, 于爱华 (江苏苏源环保工程有限公司, 江苏 南京 211102) 摘 要:运用模拟软件 ASPEN PLUS,模拟了氨法湿法脱除燃煤烟气中的二氧化硫工艺,介绍了建立模型过程中的 模块选取、物性方法的选择、工艺参数的输入以及灵敏度分析功能,考察了吸收剂浓度、原烟气流量、液气比等工艺参数对 脱硫效果的影响。 关键词: ASPEN PLUS; 烟气 ; 脱硫; 氨法; 模拟 中图分类号: X70113 文献标识码: A Simu la tion of FGD by Ammon ia Based on ASPEN PLUS Software CHENMao2b ing, SUN Ke2q in, XU H ai2tao, ZHOU Chang2cheng, YU A i2hua ( J iang su Suyuan Environm enta lP rotection Engineering Co. , Ltd. Nanjing, J iangsu 211102, China ) Abstr ac t: Themodel for simu la tion ofwe t FGD technics by ammon ia is estab lished based on flow- simulated softwareASPEN PLUS. The artic le introduces lots of notice during the process of simu la tion, such as se lection ofmodules, choice of property, input of parameters and sensitivity ana lysis. And it a lso d isplays out the in fluence of desu lfura tion by techn ica l parameters such as concen2 tration of absorbent, flux of flue gas, the ra tio ofF /G, etc. K ey word s: ASPEN PLUS; flue gas; desulfuration; ammon ia; simulation 收稿日期: 2008 - 10- 23 作者简介:陈茂兵 ( 1981) ),男,江苏南京人,工程师,硕士研究 生,主要从事火力发电厂烟气脱硫脱硝的技术研究和流程模拟工作。 引 言 燃煤烟气中含有的 SO2,是形成酸雨的重要原 因。 /九五0以来,国家投入了大量人力、物力脱除 SO2,以缓解日益严峻的环境问题 [ 1, 2 ]。 迄今为止,烟气脱硫技术种类多达数百种, 从 吸收剂种类来看,主要有石灰石法脱硫工艺、氨法 脱硫技术、镁法脱硫技术、双碱法脱硫技术、海水脱 硫技术等。其中氨法脱硫技术以其占地少、操作费 用经济、副产品价值高、无二次污染等为优势, 在脱 硫行业中占有一定的市场分额 [ 3 - 5 ]。 ASPEN PLUS软件,是美国艾斯本公司生产制 造的, 是大型的通用流程模拟系统, 源于美国能源 部的 20世纪 70年代后期,是麻省理工学院 (M IT) 组织开发的新型第三代流程模拟软件。该软件经 过近 20年来的不断改进、扩充和提高,已先后推出 了 10个版本,成为举世公认的大型流程模拟 软件,用户达上千个 [ 6]。 这套软件系统, 可应用于石油化工、气体加工、 煤炭、医药、冶金、环保、动力、节能、食品加工等诸 多工业领域, 目前已在全球范围内广泛使用 [ 7 ]。 全球各大化工、石化、炼油等工业制造企业及著名 的工程公司,都是 ASPEN PLUS的用户。 1 模拟工况 本次模拟工况是实际的工况, 烟气为自制的 SO2和 N2及 O2的混合物, 详细参数见表 1 (烟气 表 1 烟气工况 烟气量 / ( m3 # h- 1 ) 烟气温度 /e SO2 / (L g# L- 1 ) U( N2 ) /% U(H 2O) /% U( CO2 ) /% U(O2 ) /% 1 120 000 70 2 000 72 7 14 6. 8 温度为经过换热器后的温度 )。 吸收液的参数见表 2。 2009年 2月 陈茂兵等 1ASPEN PLUS软件模拟烟气氨法脱硫 # 29 # 表 2 吸收液参数 吸收液流量 / ( kmol# L- 1 ) 吸收液温度 /e x ( NH 3 ) /% x( H2O ) /% 2 160 35 5 95 2 模拟假定 为了简化模拟过程,模拟中假定: ( 1)假定烟气成分为: H2O、N2、SO2、CO2以及 O2, 而参加反应的为 SO2和 CO2, 不考虑 SO3、卤化 氢以及烟尘的影响; ( 2)不考虑固体和盐析; ( 3)不考虑吸收塔内的压降; ( 4)考虑到实际工艺的复杂性,笔者将底部氧 化池用一个反应器单独模拟, 氧化后所得产物, 由 于含有少量气相物质, 特别用一个闪蒸罐进行分 离,从而得到最终产品。 在模拟中,主要考虑以下反应: ( 1) 2H 2O= H3O + + OH - ( 2)CO2 + 2H2O= H3O + + HCO-3 ( 3)HCO-3 + H2O=H 3O + + CO2-3 ( 4)NH 3 + H2O= NH + 4 + OH - ( 5)NH 3 + HCO - 3 = NH2COO - + H 2O ( 6)H2 SO4 + H2O=H 3O + + HSO-4 ( 7)HSO-4 + H2O=H3O + + SO2 -4 ( 8) SO2 + 2H 2O= H3O + + HSO-3 ( 9)HSO-3 + H2O=H3O + + SO2 -3 ( 10) SO2-3 + 0. 5O2 y SO 2- 4 ( 11)HSO-3 + 0. 5O2 + H2Oy SO 2- 4 + H3O + 3 建立工艺流程 3. 1 建立模型 ASPEN PLUS拥有形象简单的用户界面, 根据 氨法湿法脱硫工艺过程, 建立 ASPEN模型流程 图 [ 8- 10] ,如图 1所示。 图 1 氨法烟气脱硫工艺流程模拟 3. 2 组分输入、物性选择 进入 components页面, 输入所要添加组分的 化学式或者英文名,可以查找出所需的组分,然后 将该组分加入模拟流程中。 根据前述假定, 输入所有组分, 然后选择物性 方法。 物性方法的选择,是学习 ASPEN PLUS流程模 拟中最重要的一个环节, 物性方法选择的正确与 否,直接影响到模拟结果的好坏, 是能否得到精确 可靠模拟结果的关键。 在氨法湿法烟气脱硫工艺的模拟中, 由于系统 中含有电解质组分参与反应,笔者选择电解质物性 模型中的 ELECNRTL模型, 即电解质 NRTL或度 系数模型作为流程模拟的全局物性模型。选择好 物性方法后, ASPEN PLUS自动调用两元交互参 数、电解质对等内置参数。选择好物性方法后,仍 然在 components页面点击 E lecW izard键, 可以进 入电解质专家智能系统, 选择参与电解质反应的组 分,筛选反应产物,得到一系列电解质反应方程式, 根据前述假定, 筛选合适的反应方程式。规定好组 分和物性模型以及反应方程式后, 再输入各进料物 流变量, 然后再输入吸收塔、反应器、闪蒸罐、混合 器、分流器等模块的参数变量,就大致完成了整个 流程的输入, 而可以进行模拟。打开 Control panne,l点击运行按钮, 即可运行该流程。 4 结果查看 点击快捷图表中 Check results按钮, 可以查看 在设定条件的流程模拟运行结果, 详细结果如表 3 所示。 # 30 # 陈茂兵等 1ASPEN PLUS软件模拟烟气氨法脱硫 第 22卷 第 1期 表 3 运行结果 GAS- IN GAS- OUT LIQ - IN L IQ- OUT PRODUCT RECYCLE 物质流量 / ( kmol# h- 1 ) 39 287. 58 40 061. 98 2 160 11 659. 42 946. 809 4 12 506. 15 质量流量 / ( kg# h- 1 ) 1. 17E+ 06 1. 19E+ 06 38 806. 65 2. 58E + 05 22 461. 28 2. 69E + 05 体积流量 / ( m3 # h- 1 ) 1. 12E+ 06 1. 06E+ 06 40. 314 256. 431 17. 658 02 259. 427 8 温度 /e 70 45. 597 36 35 45. 495 09 82. 590 3 48. 394 55 压力 /kPa 100 100 101. 325 100 100 100 pH值 11. 607 95 5. 780 222 0. 0149 13 6. 054 265 焓 / ( k J# kg- 1 ) - 2 384. 423 6 - 2 541. 433 7 - 15 303. 759 - 13 304. 059 - 13 102. 507 - 13 565. 525 熵 / [ J# ( mol- K ) - 1 ] 9. 171 755 6. 181 982 - 164. 011 6 - 172. 794 - 179. 071 1 - 170. 473 5 密度 / ( kg# m - 3 ) 1. 048 705 1. 117 61 962. 609 8 1 005. 873 1 272. 016 1 035. 152 x (H 2O ) 7. 00E- 02 0. 089 634 9. 50E - 01 8. 52E - 01 0. 782 165 0. 867 162 x ( SO2 ) 2. 00E- 03 1. 55E- 04 0. 00E + 00 2. 45E - 06 7. 57E - 06 9. 29E - 07 x (H 3O+ ) 0 0 2. 99E - 14 6. 44E - 08 0. 037 562 3. 48E - 08 x ( O2 ) 0. 068 0. 066 686 0 5. 55E - 07 4. 38E - 07 4. 68E - 07 x ( ( N2 ) 0. 72 0. 706 082 0 3. 15E - 06 1. 44E - 06 2. 65E - 06 x ( NH3 ) 0 1. 51E- 04 0. 049 909 1. 39E - 05 1. 12E - 10 2. 99E - 05 x ( CO2 ) 0. 14 0. 137 292 0 2. 15E - 05 2. 03E - 08 1. 15E - 05 x( SO2-4 ) 0 0 0 0 0. 072 61 0 x( SO2-3 ) 0 0 0 0. 017 357 8. 90E - 14 0. 022 434 x (NH +4 ) 0 0 9. 07E - 05 0. 082 745 0. 107 654 0. 077 611 x (H SO-3 ) 0 0 0 0. 047 975 1. 60E - 07 0. 032 69 x( NH2COO- ) 0 0 0 8. 01E - 08 3. 22E - 22 1. 51E - 07 x ( OH - ) 0 0 9. 07E - 05 6. 89E - 10 6. 92E - 15 1. 64E - 09 x( HCO-3 ) 0 0 0 6. 00E - 05 5. 11E - 14 5. 72E - 05 x ( CO2-3 ) 0 0 0 1. 02E - 08 1. 85E - 23 2. 03E - 08 由表 3可知, 在设计条件下, 烟气流量在 1 120 000 m3 /h, SO2质量浓度为 2 000 Lg /L时,系 统对烟气中 SO2的脱除率可达到 92. 25%, 而吸收 剂中氨物质的量浓度仅为 5% (相当于质量百分含 量的 4. 73% ),吸收塔出口气体的 SO2质量浓度为 155 Lg /L,达到规定的排放标准。由此可见, 用氨 水脱除烟气中的二氧化硫效率很高, 氨水浓度要求 也不高,还能副产化肥硫酸铵。 5 灵敏度分析 ASPEN PLUS软件的功能非常强大, 分析优化 工具亦有其独到之处。人们可通过软件, 调节参数 的变化范围,以考察不同工艺参数对系统的影响情 况,这就是 ASPEN PLUS软件中的灵敏度分析 功能。 进入 setup界面,点击 model analysis tools项目 下 sensitivity选项,然后新建一个灵敏度分析任务, 选择恰当的操纵变量和因变量,并设置好操纵变量 的调节范围,经初始化后重新运行,利用 plotw izard 绘图专家系统绘成图,可以清晰方便地看出操纵变 量对因变量的影响情况。 5. 1 吸收剂浓度对出口烟气中 SO2含量的影响 保持其他条件不变, 通过调节液相进料物流 LIQ- IN中 NH 3物质的流量, 从而可改变吸收剂初 始浓度,来考察吸收剂浓度的变化对吸收塔吸收 SO2效果的影响情况。用 ASPEN PLUS模拟并作 图,结果如图 2。 图 2 吸收剂浓度对出口烟气中 SO2含量的影响 由图 2可见,刚开始, 净烟气中 SO2的百分含 量,随着液相进料中 NH3流量的增大而迅速下降, 当 NH3流量达到 108 kmol/h, 出口气体中 SO2含 量的下降幅度大幅度减少,亦即自变量对因变量影 2009年 2月 陈茂兵等 1ASPEN PLUS软件模拟烟气氨法脱硫 # 31 # 响的灵敏度大幅度下降, 图中, 横坐标 108与 400 两个点之间有一条连线,此连线所覆盖的区域即为 不灵敏区。 在不灵敏区,一味增大操纵变量,对改变因变 量的作用不大。所以在实际工程操作中, 灵敏度分 析可以指导工艺参数的优化,对降低能耗与原料浪 费,有着重要的指导意义。 在本课题中,当 NH 3流量达到 200 kmol/h时, 出口气体中 SO2含量几乎保持不变。据此,可以初 步认为,实际工艺中, 液相进料中的 NH3流量不宜 超过 200 kmol /h。 5. 2 原烟气流量对出口烟气 SO2含量的影响 保持其他操作条件不变,通过改变原烟气物流 的总物质流量,考察其原烟气的流量对吸收塔吸收 SO2效果的影响情况。经由 ASPEN PLUS软件模 拟运算并作图,结果如图 3。 图 3 原烟气流量对出口烟气中 SO2含量的影响 由图 3可见, 在原烟气流量考察范围内的出口 气体中, SO2含量随着原烟气总物质流量的增大, 呈直线上升状态,没有明显的不灵敏区, 这与实际 工艺相符合,因此要想提高吸收效率, 必须增加吸 收剂用量。 5. 3 液气比对出口烟气 SO2含量的影响 保持其他工艺条件恒定,调节工艺流程中分流 器 SPIT模块的分流比例,即循环流股的流量占物 流 LIQ- IN总流量的比例,从而达到改变吸收塔内 的液气比,考察其变化对出口烟气中 SO2含量的影 响。经 ASPEN PLUS运算并作图, 结果如图 4。 由图 4可知,随着循环液循环比例的增加, 净 烟气中 SO2的含量值下降, 脱硫效率逐渐增加, 当 循环液的循环比例增加到 0. 805时, 出口烟气中 SO2的含量几乎不发生变化。这可能是因为二氧 化硫 - 氨水体系达到了吸收的平衡极限状态, 在实 际工艺吸收过程中,考虑到气液吸收过程中的非理 图 4 液气比对出口烟气 SO2含量的影响 想性, 循环液循环比例应稍大于理论研究的参 考值。 5. 4 气相温度对出口烟气 SO2含量的影响 保持其他工艺条件不变, 改变气相进料吸收塔 入口烟气的温度,考察入口烟气温度变化对出口烟 气 SO2含量的影响。经 ASPEN PLUS运算并作图, 结果如图 5。 图 5 气相温度对出口烟气 SO2含量的影响 由图 5可知, 在 50~ 115 e 范围内, 出口净烟 气中二氧化硫的百分含量逐步增加,而且增加的幅 度也越来越大。可见, 低温有利于二氧化硫的吸 收,因此在实际工艺操作中,应保持气相温度低于 80 e 为宜,但也要考虑换热器工艺的经济性。 5. 5 液相温度对出口烟气 SO2含量的影响 保持气相条件及其他工艺条件不变,改变液相 进料的温度,考察对吸收塔出口烟气中 SO2含量的 影响。经 ASPEN PLUS软件运算并作图,结果如图 6所示。 由图 6可知,在 15~ 90 e 考察范围内,刚开始 时的净烟气中 SO2的含量,随着液相进料温度的升 高呈正比例增加,到 80 e 时,净烟气中 SO2的增幅 逐渐增加, 液相进料温度对出口 SO2浓度的影响越 来越显著。故在实际工艺中, 应尽量采取低温进 料,以降低出口 SO2的浓度。 # 32 # 陈茂兵等 1ASPEN PLUS软件模拟烟气氨法脱硫 第 22卷 第 1期 图 6 液相温度对出口烟气 SO2含量的影响 5. 6 气相压力对出口烟气 SO2含量的影响 保持液相进料及其他工艺条件不变, 改变气相 进料的压力,考察气相进料压力的改变对吸收塔出 口烟气中 SO2含量的影响。经 ASPEN PLUS软件 运算并作图,结果如图 7。 图 7 气相压力对出口烟气中 SO2含量的影响 由图 7可知,在 ( 0. 5~ 1. 5) @105 Pa考察范围 内,气相进料物流的压力变化对吸收塔出口烟气 SO2含量的影响微乎其微, 可以忽略不计, 净烟气 中二氧化硫的含量始终保持在 1. 55 @10- 4, 由此 可见, 改变原烟气的压力,对二氧化硫的脱除没有 太大的实际意义。 6 结 论 ( 1)用 ASPEN PLUS软件模拟的结果可知,在 设定烟气条件下,即烟气流量 1 120 000m3 /h, SO2 浓度为 2 000 Lg/L的条件下,用含氨量仅为 5%的 氨水作为吸收剂,来吸收烟气中 SO2, 系统对烟气 中 SO2的脱除率可达到 92. 25%。 ( 2)灵敏度分析模拟表明: ( a ) 当吸收剂进料中, NH3 的流量达到 200 kmol/h,出口气体中 SO2含量几乎保持不变, 可以初步认为, 实际工艺流程中, 液相进料中 NH 3 的流量不宜超过 200 kmol/h; ( b)出口气体中, SO2含量随着原烟气总物质 流量的增大而增大;随着进料物流温度的增大而显 著增大;随着气相进料物流压力的改变而几乎保持 不变; ( c)吸收塔对 SO2脱除效率, 随着液气比的增 加迅速增加, 当循环液的循环比例增加到 0. 805 时,继续增大吸收剂的循环量, SO2吸收效率的增 幅微乎其微,几乎保持不变。 ( 3)由计算结果可知, PRODUCT物流即为最 终产品物流,在设定工艺条件下, 被吸收的二氧化 硫其 99. 99%最终生成硫酸根, 只有极少部分生成 亚硫酸根和亚硫酸氢根, 还有少量仍以二氧化硫形 式存在。由此可见, 氨法脱硫工艺中,副产物硫酸 铵的收率很高, 是一种变废为宝、化害为利、不产生 二次污染的环保型脱硫工艺 。 ( 4)由文中分析可知, ASPEN PLUS适用于氨 法湿法烟气脱硫工艺的模拟, 可以用于模拟工艺的 物料衡算以及热量衡算、各工艺参数对工艺影响情 况的灵敏度分析、以及工艺参数的优化等。当然, 由于影响工艺的参数较多, 如烟气流速、吸收塔的 压降、氧化风机的流量等, 所以本模拟还有待进一 步完善与改进。此外,氨法脱硫工艺中, 亚硫酸铵 的氧化、副产品硫酸铵的结晶以及提纯等工艺,也 有待进一步研究模拟,以期指导工程实践, 充分发 挥 ASPEN PLUS软件的强大功能。 [参考文献 ] [ 1 ] 刘 利,程养学. 火电厂烟气脱硫工艺概述及脱硫国产化 [ J]. 能源环境保护, 2006, 20( 4 ): x1 [ 2 ] 中国酸雨和二氧化硫污染防治对策 [M ]. 北京: 国家环保 总局污控司, [时间 ] 1 [ 3 ] 陈振峰. 燃煤电厂烟气脱硫技术综述 [ J ]. 综述讨论, [时 间 ], V (N ): x1 [ 4 ] 肖文德,袁渭康.洁净煤技术的新发展 ) ) ) 一种火电厂 SO2 的资源化技术 [ J]. 中国工程科学, 2000, 2( 5 ): x1 [ 5 ] 魏 刚,王晓梅,张 媛. 我国燃煤电厂烟气脱硫技术应用 与展望 [ J]. 天津化工, 2005, 19( 1 ): x1 [ 6 ] ASPEN PLUS产品及功能 [ Z]. 北京: 美国 A spen Tech 公司北京代表处, [时间 ] 1 [ 7 ] 孙志翱,金保升,李 勇,等.基于 ASPEN PLUS软件的湿法 烟气脱硫模型 [ J].洁净煤技术, 2006, 12( 3 ): x1 [ 8 ] ASPEN PLUS User Gu ide fV ersion 10. 2[ Z]. 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