湿法脱硫塔动态特性仿真建模

王永文， 冷　伟

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)



环保技术

湿法脱硫塔动态特性仿真建模

王永文， 冷伟

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

通过研究分析不同烟气脱硫系统中脱硫塔的工艺设计与反应过程，建立了湿氨法和石灰石-石膏湿法烟气脱硫塔动态特性通用数学模型。模型采用基于控制体的模块化建模方法，模拟脱硫塔动态运行全过程，计算控制体内温度、压力、pH值、SO2质量浓度、脱硫率等动态参数。以某热力发电厂脱硫塔为仿真对象，对模型进行了多次动态仿真试验。仿真运行结果正确模拟了对象的动态特性，证明了模型的正确性和通用性。

湿法脱硫； 脱硫塔； 动态仿真； 通用建模

电厂由于燃煤而产生的煤烟型污染是我国二氧化硫、氮氧化物和粉尘产生的第一大污染源，因此燃煤电站是脱硫的重点和领军行业[1]。现在的火电机组普遍安装脱硫系统，以满足国家对火电机组SO2排放标准的要求。脱硫塔作为整个脱硫系统运行过程中最为重要的吸收装置，其运行状态正常与否直接影响脱硫系统出口SO2质量浓度能否达标。

笔者建立了湿法烟气脱硫塔动态数学模型，模拟脱硫塔的实际运行过程。模型包括了湿氨法和石灰石-石膏湿法两种烟气脱硫方法，并以通用模块的形式，嵌入电厂仿真支撑平台。该模型可以用于对仿真对象变工况运行及事故处理演练过程的动态模拟，提高现场人员的运行水平，并且为改善脱硫系统的运行性能以及对异常工况分析提供参考。

1　脱硫塔模型说明

为实现所建模型对脱硫塔动态特性的正确模拟，需要对脱硫塔的结构、内部气液两相流动、传热传质和吸收反应过程等进行建模。为此，在模块设计过程中，需要充分考虑脱硫塔结构参数、气液流动、传质传热、运行环境等因素的差异性及其对运行特性的影响，以便能够设计合理的模型边界条件和影响因素比较全面的数学模型，实现模型的仿真通用化。

1.1 脱硫塔结构分析

脱硫塔从上到下不同高度的内部结构、流体物性、流动、传热传质、组分浓度、反应机理等存在明显的差异[2]，针对这种结构和运行特点，脱硫塔模块采用分段建模。分段的作用一是实现对脱硫塔从上而下各段内参数计算，可获得脱硫塔动态运行过程中不同部位的运行参数；二是满足通用化设计，各个分段内可以修改模型内结构参数以及加入工质接口实现不同部位可能的工质流入或流出。

脱硫塔分段见图1。建模时将脱硫塔自下而上分为反应产物循环氧化及排出段、原烟气入口段、气液两相流动及化学反应段、除雾器及喷淋装置段、净烟气排出段等部分。各段再细分为多个控制体，以提高计算精度；各分段内设计多个接口，满足烟气、吸收剂工质、工艺水和其他物质的进入与排出，接口可根据仿真对象的工艺设计进行删减或增添。

1.2 模型参数

为实现模块通用化，设计模型参数时需考虑不同对象下脱硫塔的正确仿真模拟。为此，将参数设置为结构类参数、基本系数和运行参数三大类(见表1)。可以通过考虑其他因素来适当增添参数以完善脱硫塔模块的通用性。对不同对象相应设置、修改相关参数，可实现脱硫塔模块运行特性与实际对象相吻合。

表1　模型参数

1.3 模型通用化说明

模型通用化是为实现对较多不同对象的仿真模拟。为此，该模型使用以下方法实现通用化：

(1) 脱硫塔模型中使用湿氨法和石灰石-石膏湿法两种烟气脱硫两种常用脱硫工艺，可以用于较多脱硫系统的仿真模拟。

(2) 模型中脱硫塔分为多段，每一区段内的结构、接口和基本系数等参数均可根据仿真对象进行修改设置。脱硫塔模型以模块形式加入仿真平台后，在仿真系统运行调试过程中，可根据所仿真对象特性直接修改模块内的部分参数。

2　数学模型的建立

2.1 模型假设

为便于计算，综合脱硫塔的运行过程和理论分析，对数学模型进行以下假设：烟气中SO2与吸收液的传质速率由气膜和液膜控制；整个化学反应在液膜内完成；脱硫塔任一界面上液滴分布均匀，大小相同，液滴下落过程中均保持为球形；脱硫塔内气液两相均为一维流动；液滴及脱硫塔液位下的物质电离瞬间完成；液位下物质的混合瞬间完成[3-4]。

2.2 动态建模

2.2.1 脱硫塔吸收反应模型

脱硫过程要经过一系列复杂的中间反应步骤，两种脱硫方法基本化学反应式为：

(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在液膜内进行吸收反应，在液相主体中由于吸收反应为快速反应，SO2易溶于水，可认为在吸收液侧SO2的浓度为零，吸收未反应的SO2全部与水转化为H2SO3，从气侧吸收SO2为慢反应，其速率由传质方程控制[5]：

NSO2=kG·αA·(pSO2-HSO2·CSO2)

(4)

式中：NSO2为SO2的吸收速率，mol/(m3·s)；pSO2为气相中SO2分压，Pa；CSO2为液相中SO2浓度，mol/m3；HSO2为SO2的亨利系数，(Pa·m3)/ mol；αA为脱硫塔的气液比表面积，m2/m3；kG为SO2的气相传质系数，mol/(m2·s·Pa)。

石灰石-石膏中需考虑CO2的吸收速率，其传质方程为[6]：

(5)

式中：NCO2为CO2的吸收速率，mol/(m3·s)；HCO2为CO2的亨利系数，(Pa·m3)/mol；pCO2为气相中CO2分压，Pa；CCO2为液相中CO2浓度，mol/m3；kL为CO2的气相传质系数，mol/(m2·s·Pa)。

反应过程中对任一物质组分作物料平衡计算[7]：

(6)

式中：Ci表示i组分的浓度，mol/m3；∑Ni是该组分中的浓度生成或消耗速率，mol/(m3·s)。

2.2.2 液滴内组分及pH计算模型

物质在反应过程中以分子或离子状态进行均可，但本质是离子在互相结合反应，因此模型中，溶液中对各个离子构建微分方程以计算离子浓度，再根据电离关系式计算溶液中各物质浓度[8]。在给定对象的初始参数下，可用微分方程求解动态运行过程各时刻的离子浓度及pH值。

溶液中SO2吸收微分方程为：

(7)

式中：CH2SO3为溶液中H2SO3的浓度，mol/m3。

离子微分方程通用式可表述为[9]：

(8)

物质或离子团λ电离为正离子λ+和负离子λ-,C为离子浓度，mol/m3；Kλ表示λ的电离常数，mol/m3。

以HSO3-离子为例微分方程可写为:

(9)

实时pH值使用该时刻H+浓度直接计算[10]：

(10)

2.2.3 氧化、结晶计算模型

对于氨法和石灰石-石膏脱硫，其液位下的氧化主要是对HSO3-及SO32-的氧化，将这两种离子转化为稳定的SO42-离子，其氧化速率为[4,11]：

ROX=KOX·(CHSO3-+CSO32-)1.5

(11)

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

使用石灰石-石膏，还需考虑液位下石膏的结晶及排出；而使用氨法时因硫酸氢铵的高溶解性不考虑结晶[11-12]。石膏的结晶速率:

Rgy=Kgy·(RSgy-1)

(12)

Kgy=1.1×10-4Agy

式中：Rgy为石膏结晶速率，mol/(m3·s)；Kgy为石膏结晶速率常数，mol/(m3·s)；RSgy表示石膏相对饱和度；Lgy为石膏溶解平衡常数，Lgy=20.33 mol2/m6；Agy表示单位体积溶液中石膏颗粒表面积，m2/m3。

2.2.4 脱硫塔质量与能量建模

脱硫塔内的质量及能量计算分为两步：第一步，计算各段的质量及能量，分段计算为提高运算精度以及获得各区段内参数；第二步，在所有区段计算结束后对整个脱硫塔进行质量与能量平衡计算，以计算脱硫塔内整体平均温度、压力等相关参数。

区段间物质质量计算中考虑每一区段中反应物质的生成或消耗,以及液滴表面水分的蒸发，计算微分方程：

(13)式中：下标i为某物质组分；下标j为物质所在区段；M为该段内某物质组分的质量，kg；Mri为某物质的摩尔质量，kg/mol；Q为体积流量，m3/s；C为物质的浓度，mol/m3；τ为计算时间步长，s；vi,j为该组分i在区段j内反应生成或消耗的速率，若没有参与反应则等于零，kg/s；Li,j为该区段内水滴的蒸发速率，i仅当计算的组分是H2O时出现，kg/s。

区段间能量计算微分方程：

Li,j(r+cp·Δt)+ki,j·αD(Tj+1-Tj)

(14)

式中：H为该段内某物质组分的能量，kJ；W为区段间的质量流量，kg/s；hi,j为区段内某物质的比焓，kJ/kg；Ei,j为反应生成热，kJ/kg；cp为物质比定压热容，kJ/(kg·K)；r为水的汽化潜热，kJ;αD表示脱硫塔的区段间接触面积，m2；Δt为该区段内的液滴蒸发温差，K；ki,j为区段间的传热系数， kW/(m2·K)；Tj为区段的平均温度，K。

区段间质量、能量计算后，需对整个脱硫塔进行质量与能量的平衡计算，以获取脱硫塔整体气液两侧温度、压力等相关参数。以整个脱硫塔为研究对象，气相和液相侧质量平衡计算方程为：

(15)

(16)

式中：下标g为烟气侧参数；下标l为吸收液侧参数；Lwater为吸收液侧水分蒸发的质量流量，kg/s；Wair为氧化空气质量流量，kg/s；Wl,new为补充的新鲜吸收工质流量，kg/s；Wfw为工艺水流量，kg/s。

在脱硫塔中整体能量变化为输入脱硫塔能量-脱硫塔输出能量=脱硫塔内部能量，以此气相和液相两侧的能量计算方程分别为：

(r+cp·Δt)-Wg,out·cp,g2·tg2-ΔEloss1

(17)

cp,l2·tl2-Lwater·(r+cp·Δt)-ΔEloss2

(18)

式中：下标g为烟气侧参数；下标l为吸收液侧参数；下标in、out分别为进口、出口参数；下标fw为工艺水；tg1、tg2、tl1、tl2分别为烟气侧、吸收液侧进出口温度， ℃；ΔEloss1、ΔEloss2分别为烟气侧、吸收液侧对外散热，kJ/s。

ΔEloss=ΔEloss1+ΔEloss2=

(19)

3　动态仿真测试及模型验证

3.1 仿真对象初始参数

模型的初始参数参考某热电厂135 MW机组设计参数，该机组使用湿氨法工艺进行烟气脱硫。初始参数见表2。

表2　模型初始参数

3.2 仿真试验及分析

模型仿真测试包括两方面：一是脱硫塔启动过程动态特性测试；二是测试不同预设条件下的脱硫塔动态运行过程。

3.2.1 启动过程动态测试

脱硫塔在启动前，内部为空气压力与外界环境相同，在启动过程中，烟气进入脱硫塔内，与喷淋而下的吸收液接触反应。脱硫塔内烟气侧进出口流量动态运行曲线见图2。进口烟气流量在整个启动过程中由于部分操作，导致了较小幅度地缓慢上升。动态运行开始后，脱硫塔烟气侧进口流量大于出口流量，脱硫塔内烟气质量增加，压力随之增加，出口烟气流量上升，最后脱硫塔烟气侧达到平衡状态。

脱硫塔内烟气与吸收液逆向流动，液滴与烟气相互接触进行吸收反应，同时两相间进行传质、传热(见图3)，由于两相对流换热，烟气温度逐渐下降，吸收液侧温度逐渐上升，最终两侧温度分别达到平衡状态，由于传热过程中经过气膜与液膜产生一定热阻，平衡后烟气侧温度仍大于吸收液侧。

脱硫塔主要性能指标之一为出口烟气中SO2质量浓度或脱硫率。在脱硫塔启动过程中，烟气中的SO2质量浓度动态曲线见图4。烟气中SO2的脱除与吸收液的pH值紧密联系。由图4可见：开始时由于SO2质量浓度较高，吸收工质为新鲜氨水，pH值较高，此时脱硫效率最高，SO2质量浓度和pH值下降速度相对较快。氨水吸收SO2为酸碱中和反应，吸收反应的进行过程中吸收液pH值逐渐下降，吸收能力也随之下降。随着烟气中SO2被吸收，吸收液pH值由中性或弱碱性下降为弱酸性，吸收速率逐步降低，最后达到动态平衡状态。

3.2.2 动态运行测试

(1) 较大的液气比会给SO2的吸收提供相对较大的传质比表面积，所以液气比的增加有利于促进SO2的吸收。图5为不同液气比下烟气出口SO2质量浓度随时间变化曲线。从图5中可看出：在稳定后，不同液气比下烟气中的SO2质量浓度随着液气比增加而降低，且吸收开始阶段，大液气比下烟气SO2脱除速率也相对较快。

(2) 在运行稳定后，分别在1 300 s和1 500 s时刻加入少量新鲜氨水，两次氨水加入持续时间分别为60 s和120 s，对动态过程产生扰动，其他条件不变。动态运行过程曲线见图6。在稳定运行后，出口烟气中的SO2质量浓度维持在较低水平，加入新鲜氨水后，由于吸收液中氨含量增加，pH值降低，可以吸收烟气中更多的SO2，但新鲜氨水停止供应后，随着吸收液循环，吸收液工质的pH值回归扰动前水平，曲线平衡后与稳定时基本一致。

3.3 石灰石-石膏湿法脱硫仿真测试

在使用湿氨法进行仿真测试后，使用模块中的石灰石-石膏湿法脱硫(WFGD)模型对该对象进行仿真测试。模型的初始参数仍参考某热电厂135 MW机组设计参数，部分参数做以下修改：设计脱硫效率η=95%，吸收工质初始pH=7.0，设计液气比为12 L/m3。

(1) 随着脱硫过程进行，烟气中SO2质量浓度逐渐降低，脱硫效率随之上升，最后达到平衡状态，同时吸收液的pH值随着脱硫效率的升高而减小。

当pH 值大于6.0时，继续增大pH值，脱硫效率增加量非常小；当pH值小于6.0时，随着pH值的降低，脱硫效率下降明显。WFGD模型下pH与SO2质量浓度随时间变化曲线见图7。由图7可见：高pH值的浆液环境有利于SO2的吸收，脱硫效率增大；而低pH值，氢离子的增多会抑制脱硫反应的进行。过高的pH值会降低脱硫剂活性，石灰石利用率降低，所以脱硫效率不会增大很多；相反，pH 值过低，有助于石灰石的溶解及其较高钙利用率的实现，但系统脱硫率低。

(2) 图8为WFGD模型下不同液气比下烟气出口SO2质量浓度随时间变化曲线。由图8可见：液气比小于12时，脱硫率对循环浆液的流量较为敏感，该值越小，对脱硫效率的影响越大；而液气比大于12后再继续增大，脱硫效率增加非常小。产生该现象的原因为：系统的脱硫效率随着循环浆液流量的增加而增加，烟气在通过脱硫塔过程中能被雾化的液滴所吸收，洗涤下来的 SO2也相对越多，因而系统的脱硫效率越高。但液滴停留时间随液气比的增大而减小，减弱了脱硫效率增长的速度。因此液气比达到一定程度时，脱硫效率的增长速率减缓，同时因提高液气比而带来的运行费用增加，经济性下降。

4　结语

以湿法烟气脱硫塔为研究对象，根据其物理、化学机理建立了动态数学模型，并实现了氨法及石灰石-石膏两种脱硫方式集于一个模块。建立了烟气脱硫系统的化学反应过程模型、气液两相流动模型、pH计算模型，通过模块化建模方法，使得仿真算法具有更强的通用性，提高了其在系统建模中的使用率。通过动态仿真试验分析，验证了该模型的正确性。此模型的建立，为湿法烟气脱硫系统的仿真开发提供了参考价值。

[1] 中国环境保护产业协会脱硫脱硝委员会. 我国脱硫脱硝行业2013年发展综述[J]. 中国环保产业, 2014(9): 4-15.

[2] 张东平, 孙克勤, 潘效军, 等. 湿法烟气脱硫吸收塔仿真模型开发及应用[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(3): 189-192.

[3] 丁红蕾. 氨基湿法烟气脱硫的机理及工业试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2010.

[4] 杨运华. 石灰石湿法脱硫反应的动力学数学模型与求解[J]. 工程设计与研究, 2006(2): 25-28.

[5] 刘国荣, 王政威, 魏玉垒, 等. 喷淋塔氨法烟气脱硫模型与实验研究[J]. 化工学报, 2010, 61(9): 2463-2467.

[6] 胡满银, 李立锋, 赵毅, 等. 湿式石灰石/石膏法烟气脱硫仿真数学模型的研究[J]. 华北电力大学学报, 2005, 32(6): 84-88.

[7] 卓小芳, 何祖威, 苟小龙, 等. 石灰石/石膏湿法烟气脱硫塔的实时仿真研究[J]. 计算机仿真, 2008, 25(6): 237-239, 264.

[8] 贾勇. 氨法烟气脱硫及同时脱硫脱硝的研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2011.

[9] ZHOU J J, ZU Z H. Vapor-liquid equilibrium study on ternary aqueous solutions of volatile weak electrolytes NH3-CO2-H2O, NH3-H2S-H2O and NH3-SO2-H2O systems[J]. Journal of Chemical Industry & Engineering, 1983, 34(3): 234-245.

[10] 顾庆伟, 石瑞, 刘峥, 等. 氨法脱硫洗涤液pH的计算模型[J]. 中国环境工程学报, 2012, 6(4): 1305-1309.

[11] KALLINIKOS L E, FARSARI E I, SPARTINOS D N, et al. Simulation of the operation of an industrial wet flue gas desulfurization system[J]. Fuel Processing Technology, 2010, 91(12): 1794-1802.

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，在读硕士研究生，研究方向为锅炉系统动态特性仿真建模。

E-mail: wangyongwen717@163.com

X511

A

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