氨法烟气脱硫吸收过程的模拟计算
・33・
设计与计算
氨法烟气脱硫吸收过程的模拟计算
杨 莉,刘恩科
(华东理工大学化学工程学院,上海 200037)
摘 要:针对电厂氨法烟气脱硫的中试实验装置,选择适当的NH3-H2O-SO2体系气液平衡模型,对吸收塔的操作进行模拟计算,由进料状态参数和操作参数可计算出吸收平衡结果,所得结果与实验结果符合较好。通过模拟计算可判断吸收率、氨损耗、塔底盐浓度等目标值是否符合要求,并可对吸收塔的性能进行评估,从而为实际工业化生产提供指导。关键词:氨法烟气脱硫;多级吸收;平衡模型;模拟计算
中图分类号:TQ028 文献标识码:A 文章编号:1003-3467(2003)05-0033-04
SimulatingCalculationofFlueGasDesulfurizationwithAmmonia
YANGLi,LIUEn-ke
(InstituteofChemicalEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai 200037,China)Abstract:Thesimulationsoftwareoffluegasdesulfurizationofpowerplantusingammoniaprocess,isbasedonternarygasliquidequilibriumofNH3-SO2-H2Osystem.Seriesoftheoreticaloperationdatacanbecollectedquicklybysimulatingcalculationprogramincomputerlanguage.Thecalculationresults,especiallytherateofabsorption,am2monialossandsaltconcentrationatthebottomcanbeusedtoestimatethecapacityoftheabsorber.Thecalculationprogramgivesimportantguidancetotheworkofpilot-scaleexperiment.
Keywords:fluegasdesulfurizationofammoniaprocess;mutiplestageabsorption;equilibriummodule;simulatingcalculation
为60kW以下),投资较小,容易实现。
空冷器设置温度传感器,通过调节器PID变温度变送器PID构成一个温度闭环调节系统,换热后温度得以精确控制。同时,根据环境温度及装置工艺负荷变化,自动调整风机风量,风机可在较低转速下运行,节能效益显著。2.3.2 应用
我厂自2002年1月开始改用空冷器负荷调节变频器实验,在对二甲苯装置增上三台日本三肯变频器,型号为IPF-22K,其中两台为一带一控制,分别控制16-E-09B和17-E-02B;一台为一拖二控制,控制17-E-01F、17-E-01G,空冷器均为气动自调风叶角度风机,使用故障率较高。改造采用温度闭环控制,空冷器室温度信号送至主控室DCS,经PID向变频器发出4~20mA控制信号,变频器据此自动调节风机转速。实施后,经8个月运行,风机工作平稳,电机功率输出与改造前相比平均下降30%,改造效果良好,节电显著。为此,又增上10台变频器,对易出现故障的其他同类风机进行相应改
造,目前已调试完毕。2.3.3 注意事项
①因风机轴功率与转速3次方成正比,转速较小变化,即会导致轴功率大幅度改变,为此只能在工频以下运行,避免因此导致电机超负荷运行而损坏。②变频调速后,风机转速下降,应注意电机因冷却风扇风量降低导致轴承温升增加。③采用一台变频器拖动多台风机时,变频器容量应有足够的冗余。3 结论
综上所述,因变频器调速具有节能、调速性能优良、提高生产效率和产品质量、改善或适应环境、设备合理化(少维护、低成本、机械简单化、全自动化)等诸多优点,逐渐取代传统的机械式调速以及直流电机调速。特别是在空冷风机负荷调节中应用效果显著,大大降低了风机故障率,减少了设备维护费用,两年便可收回投资。参考文献:
[1] 韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出
版社,2000.
・34・1 前言
氨法烟气脱硫工艺以氨为吸收剂,吸收烟气中
低浓度的SO2,生成亚硫酸盐、亚硫酸氢盐或硫酸盐,然后与磷酸反应分离出浓SO2,并生成磷铵;SO2可去硫酸车间生产硫酸,硫酸再去磷酸车间生产磷酸。化肥厂若有现成的生产装置,无需再投资兴建,而肥效高的磷铵也很受农民欢迎,该技术很有前途。该工艺目标是SO2吸收率90%以上、塔顶氨损失低于30mg/Nm3、塔底盐质量分数高于40%,是否达到这一生产目标是衡量吸收塔性能的关键。
针对某一氨法烟气脱硫吸收装置,采用平衡级模型,编制仿真模拟程序进行模拟计算,由进料状态参数和操作参数可计算出平衡结果,为中试实验的运行提供指导,大大减少了实际运作中的损耗。2 模拟计算对象
四川省内江市火力发电厂现用氨法烟气脱硫中试实验吸收塔进出料方式如图1所示。
烟气经水洗
图2 NH3-H2O-SO2体系平衡状态
对一定温度和浓度下的NH3-H2O-SO2体系气液平衡计算,Johnstone[1]根据实验数据直接关联出组成的分压计算,周家驹以Edwards[2]的工作为基础,在活度系数方程中引用三元项,使模型更完善。以周家驹的模型为基础,编写程序计算体系气液平衡之前,必须求解最优三元可调参数,使计算值接近实验值[3]。若采用对初值要求不高、收敛速度快、算法稳定的改进单纯形法[4]则可求得三元最佳可调参数分别为:φφ
c(MX)=0.0025796 c(M2X)=0.03885596
0β(NH4-HSO3-)=0.0007480-β(NH4-SO24)=0.00129
D1=-0.0139 D2=0.001159 D3=0.00000120E=-0.019 F=12.28
式中:cφ,D1,D2、D3、E、F———周家驹模型中的三元作用参数;
MX———化合价相同的物质组合;M2X———化合价比例为1∶2的物质组合;
0β———周家驹模型中的二元作用参数。
Johnstone模型与周家驹改进后的Edwards模型
图1 四板三级吸收塔
各有利弊。前者考虑了氧化效应的影响,当溶液浓度高时,所计算出的各物质分压值比后者精确;而当溶液浓度低时,后者计算出的各物质分压值更精确。4 多级吸收过程的模拟计算
除尘降温后进入吸收塔。为提高吸收效果,各级溶液部分回流。随着吸收液中亚硫酸氢铵比例的增
大,吸收能力下降,需在第三级吸收段补充氨将亚硫酸氢铵转化为亚硫酸铵。反应方程如下:
(NH4)2SO32NH3+H2O+SO2
(NH4)2SO3+H2O+SO2NH4HSO3+NH3
2NH4HSO3
(NH4)2SO3
在实际吸收设备中,一般说来,只能在某种程度上接近平衡状态,平衡级模型回避了实际过程中一些不确定的和复杂的因素,用简单明确的相平衡方程描述过程的基本数量规律,使吸收过程的计算得到很大简化。从计算方法的角度来看,可以认为平衡级模型同实际模型并无实质的区别,它将吸收过程中的传递和相变概括简化为平衡过程,即假定离开同一级的各相系处于平衡状态,各相具有相同的
温度(热平衡)和压力(力平衡),每一组分在各相中具有相同的逸度(相平衡)。可用以下方程来描述这一吸收过程:
组分物料平衡方程:
00
LjMj,k+pVjYj,k/(RTj)-Lj+1Mj+1,k-pVj-1,k
由于电厂烟气含有氧及烟尘等杂质,还会发生下列副反应:
2(NH4)2SO3+O22(NH4)2SO42SO2+O22SO3
SO2+2(NH4)2SO3+H2O
2NH4HSO3+(NH4)2SO4
3 单板吸收体系气液平衡的计算
吸收塔各塔板均存在液体内部(横向)平衡与气液两相(垂直)平衡,气液平衡关系如图2所示
。
・35・
Yj-1,k/(RTj)-WjZj,k=0(1)
式中:L———离开塔板的液相流量,kg/h;
M———进入j块板的液相物质组成,mol/kg
1≤i≤8
归一方程:
6Xj,i=1 6Yj,k+Yair=1
1≤k≤3
(H2O);
p———气相分压,Pa;V———气相流量,m/h;
Y———汽相各物质的物质的量分数;R———气体状态方程常数,8.31J/(mol・K);T———温度,K;
W———进塔的物质流量,mol/h;Z———离子电荷;j———吸收塔板层数;
k———物质种类,k=1、2、3,分别代表NH3、
3
式中:X———液相各物质的量分数;
另外,考虑板效率η的影响:ηj,k=
3
pj+1,k-pj,k
3———理想值
按照图3编写计算程序。其中由单板吸收体系气液平衡模型(包含力平衡方程)求pj,k,由归一化方程求p惰,由物料平衡求溶液中二元弱酸的总重量克分子浓度Sj、溶液中一元弱碱氨的克分子浓度cj,由热量平衡求Tj
。
H2O、SO2。
相平衡方程:
sαpj,k=Hαkj,k pw=pww式中:α———活度系数;
w———水;s———饱和。热量衡算方程:
Hj,ex+Hj-1,l+Hj+1,v=ΔHj,r+Hj,l+Hj,v
(2)
(3)
式中:H———焓,J;ex———塔外进料;l———液相;v———气相;r———反应
反应放热:SO2(g)O2(l)ΔH1=-26.12kJ/mol(NH4)2SO3+SO2(l)+H2O
4HSO3
ΔH2=-8.24kJ/molNH4HSO3+NH3(g)
(NH4)2SO3
ΔH3=-53.42kJ/mol
吸收SO2放热:
ΔH=ΔH1+ΔH2=-34.36kJ/mol加氨放热:ΔH=ΔH3=-53.42kJ/mol
湿空气的焓Hair=n干气[(Cg+CvHe)T+r0He]式中:n———除水外,其余气体的物质的量,mol;Cg———干气比热,空气为1.01J/(mol・K);
Cv———蒸汽比热,水蒸气为30.204J/(mol・K);He———湿度,mol水/(mol干气);
r0———298K时水的汽化热,43810.2J/(mol・K)。
图3 计算框图
为了提高计算精度,当液相浓度高(c>
・36・8.45mol/kg)时,单级平衡计算应采用Johnstone模
型;当浓度低(c≤8.45mol/kg)时,应采用经周家驹
改进后的Edwards模型,其中可调参数使用本文前述各值。但在多层循环里,直接这样处理时,由于模型迭代过程复杂,延长了计算时间,而且有时得出上层塔板分压高于下层塔板的错误结果。为了校正这一点,本文采用图3所示的计算方法,首先,在迭代计算的内层循环中,上面两块塔板因液相盐浓度低,用周家驹模型计算;下面两块塔板液相盐浓度高,用Johnstone模型计算。经迭代收敛后,判定塔底液相
c值是否大于8.45mol/kg,若没有,则下面两块吸收
表1、表2中所列五组进料状态参数输入多级吸收过程的模拟计算程序,经计算后得到主要吸收平衡结果见表3,与实测值相比,平均误差低于10%。
表3 吸收平衡计算结果
项 目出口NH3
mg・Nm-3
1#
2#0.000783.90.6810.65242.783.8800.62944.147.5800.60846.70
3#0.000967.60.7060.68240.453.9270.64044.206.7510.62746.79
4#0.001337.10.5210.75842.732.8110.67743.607.5310.61246.09
5#0.003319.30.5090.85542.772.7680.71243.676.8590.62246.31
Y出(SO2)/%0.0013
3.04
NH4+/mol・L-1
0.735
(1级)S/c(1级)Tl/℃
0.97942.5
板改用周家驹模型,以两个内层循环的迭代结果为初值,重新进行计算。此时,由于初值较接近真值,程序收敛的速度加快,所得结果也合理。5 模拟计算程序的性能5.1 计算精度
1999年7月,四川省内江电厂5号炉(其模型见
(1级)
NH4+/mol・L-1
4.394
(2级)S/c(2级)Tl/℃
0.86143.00
(2级)
图1),氨法烟气脱硫的部分化学运行日志、分析日志见表1和表2。燃煤烟气的一般流量10000m3/h,初始温度为140℃,湿度为5%,经水洗除尘、水膜增湿后,湿度约为8%,塔顶加水量一般1000kg/h。将
表1 5号炉操作日志
项目
Tl/℃1级
NH4+/mol・L-1
8.396
(3级)S/c(3级)Tl/℃
0.64745.45
(3级)
5.2 计算速度
4#40.741.443.244.035#40.341.843.944.031#40.340.541.843.47
-1
2#42.042.844.543.783#43.044.045.043.912级
3级
Tg/℃进口
完成一组计算在PⅡ计算机上一般需两三分
钟,快捷方便。5.3 适用范围
多级吸收过程的模拟计算框图适用于各种氨法烟气脱硫吸收塔,而具体程序经适当改动,便可移植使用。参考文献:
[1] JohnstoneHF.Equilibriumpartialvaporpressuresoversolu2
tionsoftheammonia-sulfurdioxide-watersystem[J].Ind.Eng.Chem.,1935,27:587-597.
[2] EdwardsTJ,Newman,PrausnitzJ.Thermodynamicsof
aqueoussolutionscontainingvolatileweakelectrolytes[J].J.M.AIHCEJ.,1975,21:248-258.
[3] 周家驹,许志宏.挥发性弱电解质水溶液三元系的汽
进口氨流量/t・h表2 5号炉化学分析结果
项目
1#
2#0.1400.003652.30.77240.7464.05150.6087.48420.665
3#0.1420.012220.00.43880.9143.43080.6156.49040.695
4#0.1200.002318.90.60440.8134.06700.6227.02320.668
5#0.1250.002632.60.55520.8133.33200.6526.90420.669
Y进(SO2)/%0.115Y出(SO2)/%0.0039
出口NH3
mg・Nm-3
NH4+
/mol・L(1级)S/c
-1
9.00.79220.752
-1
(1级)NH4+
/mol・L(2级)S/c
液平衡———NH3-CO2-H2O、NH3-H2S-H2O、NH3-4.18840.643
SO2-H2O[J].化工学报,1983,(3):234-245.
[4] 孙德敏.工程最优化方法及应用[M].合肥:中国科学
(2级)
技术大学出版社,1991.238-246.
收稿日期:2003-03-26
作者简介:杨 莉(1973-),女,助教,从事计算机模拟及药物合成的研究,电话:(021)52926575。
NH4+/mol・L-1
8.0164
(3级)
S/c
(3级)
0.667