双效气液并流工艺中海水脱硫特性的模拟研究

孙双双，张少峰，唐 猛，刘 燕

（1.河北工业大学 化工学院，天津 300130；2.河北工业大学 海洋科学与工程学院，天津 300130）

双效气液并流工艺中海水脱硫特性的模拟研究

孙双双1，张少峰2，唐 猛1，刘 燕2

（1.河北工业大学 化工学院，天津 300130；2.河北工业大学 海洋科学与工程学院，天津 300130）

为了研究气液并流海水脱硫过程中各工艺参数对脱硫效率的影响，对气液并流海水脱硫过程进行了模拟．运用Aspen Plus流程模拟软件自主构建并流模型，提出并流模型建立方法，并用实验验证了模型的准确性．以单效并流工艺为基础，对河北工业大学研发的双效并流工艺进行了模拟研究，并与逆流工艺进行了对比，运用灵敏度分析功能对3种工艺分析了液气比、烟气温度、海水碱度以及海水温度对脱硫效率的影响．结果表明：在相同的操作条件下，双效并流工艺的脱硫效率高于逆流工艺和单效并流工艺的脱硫效率．

双效；气液并流；逆流；海水脱硫；脱硫效率；Aspen Plus

0 引言

湿法烟气脱硫工艺依据吸收剂种类的不同来分类，主要有氨法、石灰石法、双碱法、海水脱硫等，国内滨海电厂多采用海水脱硫技术，海水脱硫是一种很有前途的控制电厂SO2排放的方法[1-2]，海水脱硫工艺是基于海水的弱碱性（pH值为8.1～8.3），来吸收酸性气体SO2．烟气中的SO2首先成为可溶解的SO2，进而转化成亚硫酸氢根离子和硫酸氢根离子，最终经氧化成为硫酸根离子，从而达到净化烟气的目的[3-4]．

气液传质吸收的操作方式主要有气液逆流和气液并流2种，目前，海水烟气脱硫技术大多采用ALSTOM公司的Flakt-Hydro工艺，其核心设备脱硫塔多采用气液两相逆流操作，其容易受液泛、雾沫夹带、漏液、气速等流体力学条件的限制，有压降阻力大、操作弹性小、设备投资高等缺点[5]．与逆流操作相比，并流操作具有处理量大、无液泛、压降小等优点，李卫娟[6]等用实验研究了气液并流操作的流体力学特性，结果表明：全塔采用并流的操作方式避免了液泛和返混等不利现象的发生．气液并流从设备入口到设备出口两相的状态变化类似于单级接触操作，其实质是单级接触的连续进行，两者的操作线相同，单级接触操作的吸收极限是两相平衡，即达到理论级的分离程度，气液并流的分离极限也是一个理论级，而且气液并流比错流接触时间长故传质效率高[7]．并流操作与逆流操作两者操作线不同，逆流吸收的塔模型不能应用到并流模拟当中，目前学者们对于并流操作流程模拟方面的研究很少，因此对气液两相并流操作过程进行模拟研究很有必要．

本研究以Aspen Plus流程模拟软件为平台，只对海水脱硫工艺的吸收部分进行了模拟研究，自主建立了组合模型，其作用等效于并流操作，并用气液并流工艺（简称单效工艺）实验验证了并流组合模型的可行性，对河北工业大学自主研发的双效并流工艺（简称双效工艺）进行了模拟研究，并与逆流工艺进行了比较，分别分析了工艺操作参数对3种工艺脱硫效率的影响，以及3种工艺的优劣，为进一步对开发工艺的设计以及实验研究提供参考与指导．

1 双效气液并流海水脱硫工艺

为了研究并流操作在海水脱硫中的优势，河北工业大学李卫娟、荆瑞静等人对单效并流工艺的压降和海水烟气脱硫特性进行了实验研究[5-6]，流程简图如图1．

工艺流程：新鲜海水自塔顶喷淋而下，含SO2烟气自塔顶与海水并流向下，两者接触传质，经过传质元件，两相接触传质吸收，在塔底部气液两相经分离板分离，洁净烟气自塔底气体出口排出，洗涤后的海水自塔底排液口排出．

为了进一步提高单效并流工艺的海水脱硫效率，提高海水资源的利用率，河北工业大学对单效气液并流海水脱硫工艺进行了改进，将单效塔设备中间加一隔板，单效塔设备分成上下2部分，气液两相2次并流经过塔设备，故将此工艺命名为双效气液并流工艺，流程简图见图2．

图1 单效气液并流工艺Fig.1 single-effectand gas-liquid cocurrent flow process

图2 双效气液并流工艺Fig.2 Double-effectand gas-liquid cocurrent flow process

工艺流程：含硫烟气首先进入下塔与海水并流经过传质元件，初次净化，降温；而后半清洁的气体与新鲜的海水进入上塔塔顶，再次并流经过传质元件净化，净化后烟气经上塔排出，海水经下塔底排出．

新工艺的创新点：双效并流工艺借鉴了单效并流工艺的优点，气速不受严格的限制，气速较大时不会出现液泛或带水现象，而且在一定的气量下需要的设备直径和高度较逆流小．烟气经两次洗涤，第1次洗涤后的海水循环利用，避免了一次洗涤吸收不完全，使海水高效利用，烟气经过第1次洗涤后烟气温度降低，有利于二次的吸收，两次洗涤使烟气洁净度提高．双效串联，塔设备同时具备逆流塔和并流塔的操作特性，清洁液洗半清洁气，脏液洗脏气的工艺特点节约大量的吸收剂，该吸收塔工艺集预洗涤和喷淋吸收于一体，双效并流工艺增加了烟气海水的接触时间，可以实现高效吸收．

2 模拟工况

本次模拟的是单效并流工艺的实验工况，实验装置为河北工业大学海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心海水脱硫实验平台[5-6]，吸收塔为直径250mm×5mm的有机玻璃制成，实验范围为：液体流量为1.6～5.8m3/h，空塔气速为0.54～1.62m/s，最大烟气通量为262m3/h．

2.1 烟气特性

模拟输入条件：大气压为1.01×105Pa，烟气温度25℃，烟气量取设备最大通量值262m3/h，烟气密度取空气密度 =1.293 g/cm3，烟气为自制的SO2、N2和O2的气体混合物，烟气的组成及组分含量见下表1．

表1 烟气成分Tab.1 Chem ical composition of the flue gas

2.2 海水特性

模拟使用标准海水，海水黏度7×10-3Pa s，海水表面张力0.072N/m，海水密度1 025 kg/m3，其中和总量约为2.2mmol/l，且总量保持不变，标准海水的pH值在7.9～8.4范围内，海水的参数值来源于参考文献[8]．

3 模型的建立

3.1 系统的定义

3.1.1 组分的定义

海水组成极其复杂，为简化模拟，以海水碱度为基础，采用与其等碱度的碳酸氢钠水溶液，由于水（H2O）和碳酸氢钠（NaHCO3）是以电解质溶液的形式存在的，使用Aspen Plus软件的ElectrolyteWizard（电解质智能工具）定义各种存在的组分，见下表2．

表2 定义组分Tab.2 Define the components

3.1.2 物性方法的选择

物性方法的正确选择是Aspen Plus计算热力学性质和传递性质的基础，因此选择恰当的物性方法对于流程模拟的准确性和可靠性至关重要，海水系统为无机电解质系统，本研究选择电解质的活度系数模型ELECNRTL模型，该模型能很好的适用于具有多溶剂和溶解气体的溶液[9]．

3.1.3 收敛方法的选择

Aspen Plus提供的收敛方法有WEGSTEIN法、DIRECT法、割线法、BROYDEN法、NEWTON法、COMPLEX法和 SQP法等[10]．不同的模块采用不同的收敛方法，本研究流程模拟计算的收敛方法采用WEGSTEIN方法．这种方法可同时运用于任何数目的流股，而且具有快速可靠的特点．

3.2 模拟假设

为简化模拟过程，模拟中假定：1）不考虑固体和盐析；2）只考虑吸收作用而不考虑氧化作用；3）不考虑SO2的自然氧化和强制氧化；4）不考虑海水中相关离子的催化氧化作用；5）烟气中SO2吸收反应充分，考虑如下反应[11-12]：

3.3 并流组合模块的选择

Aspen Plus软件模块库中含有几乎全部的单元操作模型，使用不同的基础单元操作模型，依据质量守恒和能量守恒基本原理可对不同的工艺流程进行模拟计算[13]．在Aspen Plus软件的塔模型中，吸收操作单元模块均为逆流操作，没有并流操作吸收单元模型，并且学者们对并流流程模拟研究很少，为模拟并流操作，根据并流吸收操作和软件中提供的各模块的特点，建立了等效并流组合模型，模块库中分离模块Flash2为单级相平衡分离模块，适用于吸收、蒸馏和其他单级分离操作，并流操作的分离极限也是相平衡分离，因此Flash2模块可以用于并流操作的模拟．

为模拟并流吸收，简化模型，不考虑工艺中塔体内部结构，不考虑塔板数，仅考虑并流流程，将并流海水烟气脱硫工艺分为两个部分：1）预洗涤段，烟气和海水在此处混合，主要承担烟气降温，气相 SO2进入液相，选择M ixers模块．2）吸收段，分为两个功能区：吸收区和分离区．吸收区选择RStoic模块主要承担将液相二氧化硫到亚硫酸的转化以及亚硫酸根离子氧化成硫酸根离子；分离区承担气液分离，选择Flash2模块．2个部分3个模块组合，其作用等效气液并流吸收工艺，选择的组合模块功能信息如表3．

表3 Aspen Plus模块介绍Tab.3 Introduction of the Aspen Plusmodules

3.4 单效并流工艺模型的建立

为了研究双效并流工艺首先以单效并流工艺为基础，依据单效并流工艺流程图和3.3的Aspen plus基础模块选择，建立单效并流工艺流程模型如图3．

图3 单效气液并流工艺模拟流程图Fig.3 Simulation flow diagram of single-effectand gas-liquid cocurrent flow process

含SO2气体G1和新鲜海水L1经混合器M IXER1混合接触后，经反应器RSTOIC1吸收反应，最后经分离器FLASH2分离得到清洁气体G2和洗涤后海水L2．

3.5 单效并流工艺模拟值与实验值的对比

运用上述2的实验装置以及实验参数对单效工艺进行海水脱硫实验，研究了液气比为8 L/m3，10 L/m3，12L/m3下的脱硫效率，同时运用Aspen plus软件在同样的实验参数下进行模拟，物性方法的选择、收敛方法的选择和模拟假设与3.1和3.2相同，模拟结果与实验值进行比较，结果如表4．

通过表4可知：模拟结果与实验结果基本吻合，由于模拟中存在3.2所述的模型假设问题和模拟的理想性使相同的液气比下实际脱硫效率低于模拟值，随着液气比的增加，两者的误差有增加的趋势，由于实验过程中有不可避免的压力损失，而模型没有考虑塔内件造成压力损失的影响，所以因液气比增大而提高的脱硫率幅度实验值低于模拟值，所以误差会有略微增大的趋势，由于实验操作误差而造成误差的存在，使实验值低于模拟值，但误差均在5%以内，数据结果基本吻合．因此，本研究所建立的并流吸收等效模型能够很好的模拟单效并流海水脱硫工艺的工作状态，双效并流工艺流程为单效工艺的改进，其基本原理均为并流单元操作，建立并流组合模型的方法同样可以运用于双效并流工艺的模拟研究中．

表4 实验值与模拟值的对比Tab.4 Comparison between the experimental value and Simulation value

3.6 双效并流工艺模型的建立

以3.4单效并流工艺模型的建立方法为基础，对应于图2建立双效并流工艺流程模型如图4．含 SO2气体G1与上塔排出的洗涤海水L3依次经过混合器M IXER2、反应器RSTOIC2，而后经分离器FLASH2分离，半清洁气体G2再次进入混合器M IXER1与新鲜海水L1混合，经反应器RSTOIC1和分离器FLASH1反应分离，清洁气G3直接排出，清洗液L3进入混合器M IXER2，重复利用．

3.7 逆流吸收模型的建立

逆流吸收塔模型在Aspen plus模块库中有现有模型，选择RadFrac模块[9,13]，并建立逆流吸收模型如图5所示．

图4 双效气液并流工艺模拟流程图Fig.4 Simulation process flow diagram of double-effectand gas-liquid cocurrent flow process

图5 逆流吸收工艺模拟流程图Fig.5 Simulation process flow diagram of counter-currentprocess

4 工艺参数对脱硫效率的影响

利用软件的灵敏度分析功能可以考察不同的工艺参数对目标值的影响程度．定义恰当的操纵变量和因变量，并设置操纵变量的调节范围，经初始化运行便可得到操纵变量对因变量的影响情况，其结果还可以用PlotWizard绘图专家向导绘成曲线，可以直观的观察变量之间的关系[14]，下面利用灵敏度分析功能研究了双效工艺、单效工艺以及逆流工艺中工艺参数对脱硫效率的影响．

4.1 液气比对脱硫效率的影响

液气比是衡量吸收塔操作性能的重要参数，液气比数值上等于单位时间内吸收塔海水喷淋量和入口标准状态烟气体积流量之比，液气比指的是吸收1 m3的含硫烟气所需要的吸收剂体积，液气比的大小反映了吸收过程的推动力和吸收速率的大小．

利用灵敏度分析功能分别对3种工艺进行模拟分析，保持其他工艺条件不变，改变液气比，得到液气比对脱硫效率的影响，结果如图6．

根据图6的3条曲线的比较可知，液气比在7L/m3时，单效工艺脱硫效率为72%，双效工艺脱硫效率可达到90%以上，效率明显提高．在液气比较低的值段，3种工艺的脱硫效率均随着液气比的增加而显著增大，当液气比增加到一定值后，其对脱硫效率的影响逐渐减弱，脱硫效率的增加也趋于平缓，原因是：液气比越大，和总量越多，促进吸收反应正向进行，有利于吸收速率的增加，加快SO2的吸收，但当液气比增大到一定程度后，气液接触较充分，吸收速率相对稳定，脱硫效率的变化趋于平缓；

在液气比为2L/m3～4 L/m3范围内单效并流工艺的脱硫效率高于逆流工艺，当液气比大于4 L/m3时逆流工艺的脱硫效率逐渐高于单效工艺，这是因为，当液气比值较小时，虽然逆流传质推动力较大，但由于并流是气液两相相向流动，所以单效并流操作气液两相接触时间较逆流操作时更长，气液传质较充分，故在初始阶段，单效并流工艺的脱硫效率较逆流工艺高；随着液气比的增大即海水喷淋密度的增大，并流时气液接触时间较低液气比时缩短，并且，与逆流工艺相比，单效并流工艺的传质推动力相对较小，故传质效果不如逆流工艺，这也导致了单效并流工艺脱硫效率低于逆流工艺的脱硫效率．

在整个液气比范围内，双效工艺的脱硫效率始终高于单效工艺和逆流工艺的脱硫效率，且明显高于单效工艺．原因是：双效工艺为单效工艺的改进工艺，双效工艺中双效串联，塔设备同时具备逆流塔和并流塔的操作特性，该吸收塔集预洗涤和喷淋吸收于一体，具有“净液洗净气，脏液洗脏气”的工艺特点，气液两相2次混合接触，接触时间增加，故脱硫效率高于单效工艺和逆流工艺．

图6 液气比对脱硫效率的影响Fig.6 The influenceof liquidgas ratioon thedesulfurization

4.2 烟气温度对脱硫效率的影响

经燃煤电厂排放的烟气温度一般较高，温度过高会对吸收设备造成损坏，烟气需经换热器冷却到适宜温度来减少对吸收塔的腐蚀，在保持其他的工艺条件不变情况下，仅改变入口烟气温度，考察入口烟气温度对脱硫效率的影响，以期对换热器设计提供指导，运行结果如图7．

图7 烟气温度对脱硫效率的影响Fig.7 The influenceof fluegas temperatureon desulfurization efficiency

根据图7可知，在相同的操作条件下，随着温度的升高，3种吸收工艺的脱硫效率均明显下降，温度的增加与脱硫效率的降低基本成线性关系．这是因为 SO2的吸收过程属于放热反应，温度升高促进反应逆向进行，海水中和溶解量减少，不利于 SO2的吸收，因此低温有利于二氧化硫的吸收；温度对3种工艺的影响程度基本相同，但双效工艺的脱硫效率明显高于单效工艺与逆流工艺，可见双效工艺优于单效工艺与逆流工艺，在实际吸收操作中在保证设备不易被腐蚀的情况下应尽量降低烟气温度，也应综合考虑换热器的经济效益．

4.3 海水碱度对脱硫效率的影响

海水的化学吸收能力理论上由海水的碱度值代表，根据海水的主要成分和碱度的计算公式，海水的碱度值约等于和总量[8]，模拟时仅改变海水的碱度值，其余主要成分浓度不变，结果如图8．

图8 海水碱度对脱硫效率的影响Fig.8 The influenceof the seawateralkalinity on the desulfurization efficiency

根据图8中3条曲线比较可以看出，随着海水碱度值的增加，脱硫效率明显增大，并且双效工艺的脱硫效率明显高于单效工艺与逆流工艺的脱硫效率，因为碱度增加，和的含量都增加，故化学吸收能力也明显提高，从而脱硫效率提高，因此为提高海水脱硫的效率，实际生产中，可以考虑在海水体系中添加碱性物质来提高海水的碱度，提高SO2的吸收率．

4.4 海水温度对脱硫效率的影响

其他工艺参数不变的条件下，只改变海水温度，得到海水温度的变化对脱硫效率的影响结果如图9．

图9 海水温度对脱硫效率的影响Fig.9 The influenceof seawater temperatureon desulfurization efficiency

根据图9比较可知，随着海水温度的升高脱硫效率均逐渐下降，0～20℃时脱硫效率变化较平缓，20℃以上时脱硫效率变化较显著，整体的脱硫效率双效工艺明显高于单效工艺与逆流工艺，这是因为海水温度升高海水中溶解的CO2部分溢出，CO2的溶解度降低，溶解的和H总量减少，化学吸收能力降低，同时海水温度升高还会使吸收塔内的反应温度升高抑制SO2物理吸收过程；实际生产中应该尽量使海水温度不要高于环境温度，尽量的使海水温度低，也应综合考虑经济效益．

5 结论

1）通过自主建立并流组合模型，并验证了组合模型的可行性，为并流流程模拟研究提供依据．

2）通过研究液气比、烟气温度、海水碱度和海水温度对脱硫效率的影响，得知：随着液气比的增加，脱硫效率明显升高；随着烟气温度的升高，脱硫效率明显呈下降趋势，说明低温有利于SO2的吸收；随着海水碱度的增加，脱硫效率逐渐升高；随着海水温度的升高，脱硫效率逐渐下降，且海水温度在20℃以上时脱硫效率变化较显著．

3）通过单效工艺、双效工艺以及逆流工艺模拟对比，得知双效工艺的脱硫效率高于逆流工艺的脱硫效率，且明显高于单效工艺，充分体现了双效工艺的工艺特点以及结构优势，模拟结果为双效工艺的进一步的实验研究以及设计优化提供了理论依据与指导．

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[责任编辑 田 丰 夏红梅]

Simulation on desulfurization characteristicsby seawater in doubleeffectand gas-liquid cocurrent flow process

SUN Shuangshuang1，ZHANG Shaofeng2，TANGMeng1，LIU Yan2

(1.School of Chem ical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.School of Marine Science and Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

In order to study the influenceof some parameterson desulfurization efficiency,the processof desulfurization w ith gas-liquid cocurrentby seawaterwas simulated.Using Aspen Plus process simulation software to build cocurrent flow model independently,themethods to build cocurrent flow model is put forward,and the accuracy of themodelhas been verified by experiments.Based on theprocessof thesingle-effectand gas-liquid cocurrent flow,theprocessofdoubleeffectand cocurrent flow researched by HebeiUniversity of Technologywere simulated,and comparedw ith counter-currentprocess.The influenceof liquid gas ratio,fluegas temperature,seawateralkalinity and seawater temperatureon desulfurization efficiency of three processeswereanalysedw ith the function of sensitivity analysis.Resultsshow thatunder thesameoperating conditions,thedesulfurizationefficiency ofdouble-effectprocessishigher than counter-currentprocess and single-effectprocess.

double-effect;gas-liquid cocurrentflow;counter-current;seawaterdesulfurization;desulfurizationefficiency; Aspen Plus

TQ053.5

A

1007-2373(2016)02-0055-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.010

2015-01-21

河北省科技计划项目（14273105D）

孙双双（1988-），女（汉族），硕士生．通讯作者：张少峰（1965-），男（汉族），教授，博士生导师．

数字出版日期：2016-04-26 数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160426.0945.010.htm l