一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型及優(yōu)化調(diào)控方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型及優(yōu)化調(diào)控方法，屬于氨法煙氣脫硫技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明首先基于氨法脫硫工藝的特點(diǎn)，選取pH值、煙氣流速和液氣比為參數(shù)，建立具有普遍適用性的氨法脫硫SO2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，分析液相中的離子電荷守恒和元素物料守恒，結(jié)合NH3?SO2?H2O體系的熱力學(xué)特性及離子平衡原理構(gòu)建噴淋塔內(nèi)SO2吸收過程中的氣?液間動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并建立能夠反映出噴淋塔氨法脫硫SO2吸收過程的數(shù)學(xué)模型。利用本發(fā)明的模型可以計(jì)算不同工藝條件對(duì)氨法脫硫SO2去除率的影響，從而為工業(yè)中氨法脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論指導(dǎo)，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】
-種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型及優(yōu)化調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于氨法煙氣脫硫技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，設(shè)及一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì) 和運(yùn)行的計(jì)算模型及優(yōu)化調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃煤煙氣中的S〇2能夠引起酸雨、霧靈等環(huán)境問題，是我國目前主要的大氣污染物 之一。氨法煙氣脫硫是W氨(N也)為吸收劑吸收煙氣中的S〇2,從而得到硫酸錠副產(chǎn)品（主要 反應(yīng)式如式（1)~(5))的，且不會(huì)造成二次污染，該技術(shù)在治理煙氣污染的同時(shí)還能夠在一 定程度上緩解我國硫資源短缺的問題，在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 2畑3+也 0+S〇2 一（NH4)2S03 (1)
[0004] (畑4)2S〇3+S〇2+也 0 一 2畑邊S〇3 (2)
[0005] 畑祖 SO3+NH3 一（NH4)2S03 (3)
[0006] (畑4)28〇3+1/2〇2 一 (NH4)2S04 (4)
[0007] NH 祖 SO3+I/2O2 一畑祖 SO4 (5)
[000引S化吸收是氨法脫硫工藝中的一個(gè)主要反應(yīng)，吸收塔是氨法脫硫系統(tǒng)的核屯、設(shè)備， 工程上普遍采用噴淋塔吸收煙氣中的S02。目前，我國氨法煙氣脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行主 要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制煙氣流速、漿液pH值和停留時(shí)間等參數(shù)，W及利用CFD軟件對(duì)噴淋塔的流場 分布進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行的過程中往往容易造成資源浪費(fèi)或者不能滿足技術(shù)要 求，且容易引起吸收劑氨的揮發(fā)性損耗及氣溶膠粒子二次污染。另外，2012年出臺(tái)實(shí)施的 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)KGB13223-2011)對(duì)S02和顆粒物的排放濃度做出了更為嚴(yán)格 的限制。因此，建立能夠反映噴淋塔氨法煙氣脫硫S02吸收過程的數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)氨法脫硫 噴淋塔精確設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氨法脫硫運(yùn)一"綠色"脫硫技術(shù)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行 具有重要的意義。
[0009] 目前，有關(guān)氨法脫硫S〇2吸收數(shù)學(xué)模型方面的研究較少，比較典型的主要有:劉恩 科建立平衡級(jí)數(shù)學(xué)模型對(duì)篩板塔氨法脫硫過程進(jìn)行了數(shù)值模擬巧IJ恩科.NADS氨-肥法脫硫 工藝模擬軟件的開發(fā)[D].上海:華東理工大學(xué)，2002);劉國榮等利用漿液中的總硫和總錠 濃度來近似表達(dá)氣-液界面處S〇2的平衡分壓，并基于氣相傳質(zhì)速率和液相傳質(zhì)速率相等運(yùn) 一基本原理推導(dǎo)出S〇2吸收傳質(zhì)速率方程，對(duì)噴淋塔氨法脫硫過程進(jìn)行了數(shù)值模擬巧IJ國 榮，等.化工學(xué)報(bào)，2010,61(9) :2463~2467);彭健等采用與劉國榮相似的方法建立數(shù)學(xué)模 型對(duì)濕壁塔氨法脫硫過程進(jìn)行了模擬(彭健，等.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2011,25(6):1073~ 1077)。上述氨法脫硫吸收反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及模型的研究為氨法脫硫技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了 很多有價(jià)值的參考。
[0010] 然而，氨法脫硫過程中，吸收漿液的pH值是沿吸收段高度方向上逐漸下降的，液相 中+4價(jià)硫的濃度(S化、也S〇3、h:SC>;與姆)及離子之間的平衡均不斷變化，S〇2吸收是一個(gè)動(dòng) 態(tài)的過程，上述研究中氨法脫硫S〇2吸收模型的氣相傳質(zhì)推動(dòng)力的計(jì)算未從氣-液動(dòng)態(tài)平衡 的角度出發(fā)，且對(duì)S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)簡化程度較大，一般僅考慮了漿液的物理化學(xué)特性，考 察不全面，從而導(dǎo)致不能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映氨法脫硫工藝過程，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)氨法脫硫噴淋 塔及脫硫工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)不理想，不能夠有效地用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程。
[0011] 傳質(zhì)系數(shù)是建立數(shù)學(xué)模型描述氨法脫硫s〇2吸收過程的關(guān)鍵，但目前尚未見有關(guān) 氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的研究報(bào)道。Codolo Μ C等（International Journal of胎at and Mass Transfer，2013,66:80~89)在噴淋塔中研究了化OH溶液吸收S〇2的體積傳質(zhì)系 數(shù)；Kaji R等（Journal of Qiemical Engineering of Japan,1985,18:169~172)利用準(zhǔn) 數(shù)關(guān)聯(lián)得到了化0田容液吸收S〇2的傳質(zhì)系數(shù)。然而，上述文獻(xiàn)中均是對(duì)噴淋塔化0田容液吸收 S化的體積傳質(zhì)系數(shù)的研究，其體積傳質(zhì)系數(shù)是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下獲得的，實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條 件與氨法脫硫工藝懸殊較大，因此獲得的體積傳質(zhì)系數(shù)在其它吸收設(shè)備中也就不具有通用 性，不能夠用于反映氨法脫硫工藝中的傳質(zhì)過程。此外，上述研究中得出的體積傳質(zhì)系數(shù)對(duì) 實(shí)驗(yàn)條件的依賴程度很大，適用范圍較窄，也不能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映其傳質(zhì)過程。
[0012] 因此，研究并建立能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映氨法脫硫S〇2吸收過程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于 優(yōu)化氨法脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，提高脫硫效率具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0014] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有氨法脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)在 設(shè)計(jì)和運(yùn)行的過程中往往容易造成資源浪費(fèi)或者不能滿足技術(shù)要求的不足，提供了一種氨 法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型及優(yōu)化調(diào)控方法。采用本發(fā)明的計(jì)算模型能夠計(jì)算出 不同工藝條件下的氨法脫硫S〇2脫除率，其計(jì)算誤差相對(duì)較小，從而能夠?yàn)榘狈摿驀娏芩?的精確化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)而滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了氨 法煙氣脫硫技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。
[00巧]2.技術(shù)方案
[0016] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0017] 本發(fā)明的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，該模型首先基于噴淋塔氨 法煙氣脫硫工藝的特點(diǎn)，選定抑值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數(shù)，計(jì)算出不同抑值、煙氣 流速％和液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率，并采用數(shù)值擬合的方法構(gòu)建具有 普遍適用性的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式;然后分析液相中的離子電荷守恒和元 素物料守恒，根據(jù)畑3-S02-此0體系的熱力學(xué)特性及離子平衡原理建立噴淋塔內(nèi)S〇2吸收過 程中的氣-液間動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并結(jié)合重新構(gòu)建的S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式，計(jì)算出噴淋 塔氨法脫硫的S〇2脫除率(y廣y2) /V1。
[0018] 更進(jìn)一步地，本發(fā)明的計(jì)算模型具體包括W下步驟：
[0019] 步驟一、確定如下參數(shù):氨法脫硫系統(tǒng)噴淋塔的D、G、L、抑、P、Q、T、Ug、yi、y2、Z、Cs、 Ρ、μ、ν、σ;
[0020] 其中，D為噴淋塔直徑，通過直接測量得出，單位m;L為漿液噴淋量，通過流量計(jì)測 量得出，單位為L/h;抑為噴淋塔內(nèi)漿液pH值，由抑計(jì)測量得到;P為煙氣總壓力，近似與大氣 壓相等，為101325化;Q為煙氣流量，通過流量計(jì)測量得出，單位mVh; T為煙氣溫度，通過溫 度傳感器測量得出，單位K;G為煙氣摩爾流率，可根據(jù)G=l〇-3 · PQART柿2)/4計(jì)算得出，單 位為kmol/(m2 · h) ;Ug為煙氣流速，根據(jù)Ug = Q/(3600地2)/4計(jì)算得出，單位m/s;yi、y2分別為 噴淋塔進(jìn)口、出口煙氣中S〇2的摩爾分率，均由煙氣分析儀測得;z為噴淋塔吸收區(qū)高度，直 接測量得到，單位m; Cs為漿液中的總硫濃度，為+4價(jià)硫濃度Ci*和+6價(jià)硫濃度Cs。*之和，其單 位均為為漿液密度，根據(jù)+4價(jià)硫濃度、HSO;的分布系數(shù)Si、S〇r的分布系數(shù)δ2和+ 6價(jià)硫濃度C. ·按式戶=1〇()〇 + 99(昨、1 +11的?, -H32C、。進(jìn)行計(jì)算，單位為kg/m3;漿液的 粘度μ和表面張力σ分別利用粘度計(jì)和表面張力儀測得，其單位分別為化· S和N/m;v為漿液 的運(yùn)動(dòng)粘度，根據(jù)式V=μ/ρ計(jì)算得出，單位m^s;
[0021] 步驟二、輸入步驟一中的模型參數(shù)，并設(shè)定噴淋塔出口煙氣中的S〇2濃度y2、噴淋塔 吸收區(qū)頂部漿液的pH值及Cs中+4價(jià)硫和+6價(jià)硫的初始濃度&+、&+，且滿足。=Γ、+C 利用氨法脫硫S〇2吸收數(shù)學(xué)模型，W噴淋塔吸收區(qū)煙氣出口為起始點(diǎn)，沿吸收區(qū)高度方向計(jì) 算出進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度y 1 ' ；
[0022] 步驟Ξ、將步驟二中計(jì)算得到的進(jìn)口煙氣中S〇2濃度yi'帶入下式進(jìn)行檢驗(yàn)：
[002；3] |yi'-yi|《0.00001 (1)，
[0024] 若計(jì)算得到的進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度yi'不滿足上式，返回步驟二中調(diào)整y2值，重新 計(jì)算yi'直至上式成立，最后輸出出口煙氣中的S〇2濃度y2及對(duì)應(yīng)的S〇2脫除率(乃-y2)/yi。
[0025] 更進(jìn)一步地，步驟二中噴淋塔吸收區(qū)進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度yi'按照如下模型進(jìn)行 計(jì)算:在噴淋塔吸收區(qū)高度方向上的dz微元內(nèi)對(duì)S〇2進(jìn)行物料衡算，得到如下方程：
[0026]
(2)，
[0027] 上式中，Wsu:為S〇2的傳質(zhì)速率，單位kmol/(m2 · h)，a為氣-液傳質(zhì)接觸面積，單位 m2/m3，ky為氣相分傳質(zhì)系數(shù)，單位kmol/(m2 · h) ;y為氣相主體中S〇2的摩爾分率，yi為氣-液 界面處S〇2的平衡摩爾分率，上式(2)轉(zhuǎn)化為：
[002引
（.3'.).,
[0029] 對(duì)式（3)進(jìn)行積分即得到沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向S〇2的濃度分布；上式（3)中， 氣-液界面處S〇2的平衡摩爾分率yi根據(jù)電中性方程進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算模型如下：
[0030] 吸收塔內(nèi)漿液中主要存在HSQ;、SO;-、SO;-、0H-、H+、NH;、s〇2、N也和畑3 ·也0 9 種不同的組分，它們之間存在如下平衡：
[0037]氨法脫硫過程中，穩(wěn)態(tài)時(shí)漿液中的離子滿足如下電中性方程：
[003引（"1 ) + (.(ΝΠ ,) = (.(ΟΠ ) + (.yiSO,) + 2((SO; ) + 2(.(SO; ) (10).
[0039] 根據(jù)平衡式(4)~(9)，式(10)轉(zhuǎn)化為如下形式：
[0040]
(ID,
[OOW 上式（11)中，1(43、1(31、1(32、1(~分別為式(4)、（5)、（6)、（9)中的反應(yīng)平衡常數(shù)，因此， 氣-液界面處S02的平衡分壓A。，可表達(dá)為：
[0042]
(12)，
[0043] 由于氨法脫硫漿液中的H+濃度較低，同時(shí)漿液中幾乎無游離的畑3，因此，式（12)中 的(仰H:) - MSO;-)近似等于C閑SO; Η MSO;-);而漿液中HSO;和SO;-的濃度可根據(jù)+4價(jià)硫濃度 .及各組分的分布系數(shù)計(jì)算得出：c〇iS〇;) = 4 · C：*，^SO;-) · CV，其中，HSO:和SO;-的分 布系數(shù)δι和δ2分別按下式計(jì)算得到：
[0046] 基于式（12)，式(3)中氣-液界面處S〇2的平衡摩爾分率yi根據(jù)式紀(jì),/#計(jì)算得出；因 此，要計(jì)算yi沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上的分布，需明確C化+)沿噴淋塔高度方向上的變化 情況，從噴淋塔吸收區(qū)底部到吸收區(qū)任意截面之間對(duì)氣相和液相中的總硫進(jìn)行物料衡算：
[0047] mi,g+mz,i=mi,i+mz,g (16),
[004引式中:mi,g及mz,g分別為噴淋塔吸收區(qū)底部截面處及吸收區(qū)中間任意截面處氣相中 S化的摩爾流率，單位mol/s，mi,i及mz,i分別為噴淋塔吸收區(qū)底部截面處及吸收區(qū)中間任意 截面處液相中總硫的摩爾流率，單位mo 1 /s，mi, g、mz, g、mi, 1及mz, 1分別表述為如下形式：
[005引聯(lián)立式（12)和（17)，即得到關(guān)于漿液中氨離子濃度c化+)與氣相中S02濃度y的非線 性方程：
[00化]將姑，爾帶入式(21)，W噴淋塔吸收區(qū)頂端為起點(diǎn)沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上對(duì) 式(21)進(jìn)行積分，即計(jì)算得到吸收區(qū)底端處漿液的r濃度，進(jìn)而由式（18)計(jì)算得到噴淋塔 進(jìn)口處S〇2的摩爾分率yi'。
[0066] 更進(jìn)一步地，公式(21)中氣-液傳質(zhì)接觸面積a包含兩部分:一是噴淋塔內(nèi)液滴的 比表面積Ad/((地V4)Z)，mVm3;二是噴淋塔壁液膜的比表面積V((地V4)Z)，mVm3,其中：
[0067] 噴淋塔內(nèi)液滴的表面積Ad:
[0068] 沿噴淋塔高度方向上將吸收塔劃分為多個(gè)微元，由于微元高度很小，假定微元內(nèi) 液滴下落的速度不變，另外，忽略液滴的凝并和破碎，液滴直徑采用Sauter平均直徑。因此， 噴淋塔微元內(nèi)液滴的表面積Ad可表述為：
[0069]
[0070] 上式中，Ld為W液滴形式存在的漿液噴淋量，LA; Ud為液滴的下落速度，m/s; d為液 滴的Sauter平均直徑，單位m，d根據(jù)式(23)進(jìn)行計(jì)算：
[007。 d = 133.0.(D/2).We-°'74 (23)，
[0072] 式(23)中，韋伯?dāng)?shù)We按式(24)進(jìn)行計(jì)算：
[0073]
[0074] 式(24)中，P為漿液密度，kg/m3;說為噴嘴漿液的噴出速度，m/s，根據(jù)動(dòng)量守恒方程 班1.!/:;=/相4 2進(jìn)行計(jì)算，其中，mi為噴嘴噴出漿液的質(zhì)量流量，單位為kg/s，通過測量得到;Pi 為噴嘴運(yùn)行壓力，單位為MPa，通過測量得到;dk為噴嘴孔徑，單位m; 0為漿液表面張力，N/m;
[0075] 由式(22)可知，噴淋塔內(nèi)液滴的比表面積與液滴在氣流中的下落速度有關(guān)，液滴 下落速度Ud可表述為：
[0076]
[0077] 該公式中，g為重力加速度，單位為m/s2;Pd、Pg分別為液滴密度和氣體密度，單位均 為kg/m3，其中液滴密度Pd即為噴淋塔內(nèi)漿液密度P; %為氣體速度，單位m/s;
[0078] 公式(25)中Cd為曳力系數(shù)，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：
[0079]
(26),：
[0080]上式中，雷諾數(shù)Red根據(jù)公式(27)進(jìn)行計(jì)算：
[0081 ]
(巧)，
[0082] 液滴的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0083]
(28),：
[0084] 聯(lián)立公式(22)~(28)，沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上積分即計(jì)算出液滴表面積Ad;
[0085] 噴淋塔壁液膜的面積Am:
[0086] 噴淋塔氨法脫硫過程中，部分漿液落在噴淋塔壁上并形成液膜，塔壁液膜在與煙 氣接觸的過程中參與S〇2吸收反應(yīng)，微元內(nèi)噴淋塔壁液膜的面積可按式(29)進(jìn)行計(jì)算：
[0087] Am=3i(D-2hm) · dz (29)，
[0088] 式(29)中，hm為噴淋塔壁液膜厚度，單位為m，根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0089]
(30)，
[0090] 式（30)中，Rem 為液膜流動(dòng)雷諾數(shù)，Rem=4LmP/(360〇3idy)。
[0091] 更進(jìn)一步地，公式(21)中的S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky根據(jù)如下方法進(jìn)行優(yōu)化確定：
[0092] (1)改變漿液pH值、煙氣流速Ug和漿液噴淋量L，測定不同pH值、煙氣流速Ug和液氣 比L/Q條件下噴淋塔進(jìn)、出口煙氣中S〇2的濃度yi、y2,并根據(jù)如下公式分別計(jì)算出不同條件 下的S〇2吸收傳質(zhì)速率ky:
[0093]
說)'
[0094] (2)結(jié)合氨法脫硫工藝的特點(diǎn)，選取抑、煙氣流速Ug和液氣比L/Q為參數(shù)，構(gòu)建氨法 脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式：
[00 巧]
(巧），
[0096] 上式中ko為系數(shù)，X1、X2和X3均為指數(shù)，對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)可得：
[0097] 1 址y=lnko+xil 噸 H+X2lnUg+X3ln(L/G) (34)，
[0098] 將步驟（1)中通過測量計(jì)算得到的不同抑、煙氣流速％和液氣比L/Q條件下的氨法 脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率ky與pH、Ug及L/Q按公式(33)進(jìn)行多元線性擬合，確定系數(shù)ko及指數(shù)XI、 X2和X3的值，進(jìn)而得出優(yōu)化的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式。
[0099] 更進(jìn)一步地，所述pH值的范圍為5.0~6.0,煙氣流速化范圍為2.0~4. Om/s，液氣 比L/Q范圍為2.0~4.0L/m3。
[0100] 本發(fā)明的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)控方法，其步驟為:首先利用 權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型計(jì)算出預(yù)設(shè)工藝條件 下的氨法脫硫S〇2脫除率，若計(jì)算得到的S〇2脫除率不滿足設(shè)定目標(biāo)，則調(diào)整氨法脫硫工藝參 數(shù)的數(shù)值，并按照模型重新計(jì)算，直至S〇2脫除率滿足設(shè)定目標(biāo)，并輸出此時(shí)氨法脫硫各工 藝參數(shù)的數(shù)值及S〇2的脫除率。
[0101] 如表1所示為本發(fā)明模型中的參數(shù)說明。
[0102] 表1本發(fā)明中模型參數(shù)說明
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 3.有益效果
[0107] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著效果：
[0108] (1)本發(fā)明的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，該模型基于噴淋塔氨 法煙氣脫硫工藝的特點(diǎn)，選取噴淋塔內(nèi)漿液抑值、煙氣流速Ug和液氣比L/Q為參數(shù)，先計(jì)算 出不同pH值、煙氣流速Ug及液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率ky，然后采用數(shù)值 擬合的方法重新構(gòu)建出具有普遍適用性的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式。本發(fā)明得 到的氨法煙氣脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)能夠更加真實(shí)、準(zhǔn)確地反映氨法脫硫工藝中的S〇2傳質(zhì) 吸收過程及各主要工藝條件對(duì)S〇2吸收過程的影響，為后續(xù)氨法脫硫噴淋塔及脫硫工藝優(yōu) 化設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供了保證。
[0109] (2)本發(fā)明的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，通過分析液相中的離 子電荷守恒和元素物料守恒，并結(jié)合N也-S〇2-也0體系的熱力學(xué)特性及離子平衡原理建立噴 淋塔內(nèi)S〇2吸收過程中的氣-液間動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，還結(jié)合氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì) 系數(shù)的優(yōu)化確定，從而能夠建立準(zhǔn)確反映噴淋塔氨法脫硫S〇2真實(shí)吸收過程的數(shù)學(xué)模型，通 過該模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算不同漿液抑值、煙氣流速、液氣比、S化濃度和吸收區(qū)高度等工藝條 件對(duì)氨法脫硫S〇2去除率的影響，為氨法脫硫噴淋吸收塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的精確表達(dá)奠定理論 和技術(shù)基礎(chǔ)，更具有實(shí)際意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
[0110] (3)本發(fā)明的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)控方法，該方法是基于氨 法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)氨法脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu) 化，優(yōu)化結(jié)果可靠、穩(wěn)定，能夠有效用于指導(dǎo)真實(shí)工業(yè)中的氨法脫硫工藝，克服了現(xiàn)有氨法 脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行的過程中往往容易造成資源浪 費(fèi)或者不能滿足技術(shù)要求的不足。
【附圖說明】
[0111] 圖1為本發(fā)明的氨法脫硫噴淋塔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0112] 圖2為本發(fā)明的噴淋塔硫平衡計(jì)算示意圖。
[0113] 示意圖中的標(biāo)號(hào)說明：
[0114] 1、S化鋼瓶;2、減壓閥；3、穩(wěn)流器;4、風(fēng)機(jī);5、流量計(jì);6、取樣口； 7、混合罐;8、氣累； 9、除霧器;10、噴淋塔;11、漿液槽;12、循環(huán)累;13、控制柜;14、氨水罐;15、煙氣分析儀。
【具體實(shí)施方式】
[0115] 為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0116] 實(shí)施例1:
[0117] 本實(shí)施例的氨法脫硫噴淋塔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，噴淋塔直徑D為0.3m，吸收區(qū)高 度Z為2. Om。該氨法脫硫噴淋塔系統(tǒng)包括噴淋塔10，該噴淋塔10內(nèi)部自上而下依次包括除霧 區(qū)、噴淋區(qū)和漿液槽11，除霧區(qū)設(shè)有除霧器9，除霧器9的上方設(shè)有煙氣出口，該煙氣出口與 尾氣排放管道相連，且尾氣排放管道上設(shè)有控制柜13。所述噴淋區(qū)設(shè)有噴淋管，該噴淋管的 進(jìn)水口通過循環(huán)管道及循環(huán)累12與漿液槽11底部相連通。漿液槽11底部還通過管道與氣累 8相連。來自S〇2鋼瓶1的S〇2氣源與來自氧化風(fēng)機(jī)4的空氣經(jīng)混合罐7混合均勻后通過噴淋塔 10側(cè)壁底部的煙氣進(jìn)口管道進(jìn)入噴淋塔10內(nèi)部，由噴淋塔下部向上流過噴淋區(qū)并與噴淋而 下的液滴逆流接觸，W (馳)2S〇3-畑祖S〇3混合溶液為基礎(chǔ)對(duì)S〇2進(jìn)行吸收。
[011引漿液中，對(duì)S02起吸收作用的是(NH4)2S03，NH4HS化不具有吸收S02的能力。隨著吸收 反應(yīng)的進(jìn)行，吸收液中NH4HS化的濃度逐漸增大，漿液吸收S02的能力開始下降，為了維持漿 液的吸收能力，需要向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充吸收劑N曲，使部分畑4冊(cè)03轉(zhuǎn)化為(NH4)2S03。吸收劑N曲的 補(bǔ)給采用氣壓式加氨系統(tǒng)，該氣壓式加氨系統(tǒng)包括氨水罐14和氣累8,氨水罐14的進(jìn)氣口通 過管道與氣累8相連，且氨水罐14的出液口通過管道與循環(huán)累12的輸出口相連，利用氣累8 提供的空氣的壓力將氨水(含量25~28wt. % )從氨水罐14中壓出，經(jīng)氨水罐14的出液管道 上的流量計(jì)5調(diào)節(jié)流量后，在漿液循環(huán)累12入口處與漿液進(jìn)行混合，有效地克服了采用高位 槽和累來加氨帶來的氨的揮發(fā)問題。氧化空氣量根據(jù)單位時(shí)間吸收的S02的量確定，由氣累 8來提供。本實(shí)施例中，所述S02鋼瓶1與混合罐7之間的管道上設(shè)有減壓閥2和穩(wěn)流器3,所述 氧化風(fēng)機(jī)4的出氣管道、氣累8與漿液槽11之間的管道W及氨水罐14的出液管道均設(shè)有流 量計(jì)5。所述噴淋塔10側(cè)壁底部的煙氣進(jìn)口管道、與噴淋管相連的循環(huán)管道W及噴淋塔10頂 部的尾氣排放管道上均設(shè)有取樣口 6,通過煙氣分析儀15對(duì)噴淋塔10的進(jìn)口和出口煙氣進(jìn) 行分析。采用本實(shí)施例的氨法脫硫噴淋塔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠更加真實(shí)地模擬工業(yè)中的噴淋塔氨 法脫硫過程，從而為噴淋塔氨法脫硫工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。
[0119] 1、氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的確定
[0120] 由于氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)確與否是建立數(shù)學(xué)模型描述氨法脫硫S〇2吸收 過程的關(guān)鍵，其直接影響氨法脫硫工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，因此需首先對(duì)氨法脫 硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本實(shí)施例中氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的確定是基于噴淋塔 氨法煙氣脫硫工藝的特點(diǎn)，選定抑值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數(shù)，計(jì)算出不同抑值、煙 氣流速％和液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率，并采用數(shù)值擬合的方法構(gòu)建出 具有普遍適用性的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式，其具體步驟為：
[0121] (1)采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，改變漿液pH值、煙氣流速Ug和漿 液噴淋量L，測定不同pH值、煙氣流速ug和液氣比L/Q條件下噴淋塔進(jìn)、出口煙氣中S〇2的濃度 yi、y2，其結(jié)果如表2所示。
[0122] (2)氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率的計(jì)算
[0123] 不同pH值、煙氣流速Ug和液氣比L/Q條件下計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率ky如表2所 示，具體的，本實(shí)施例W表帥序號(hào)1實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)描述氨法脫硫SO嫩收傳質(zhì)速率ky的計(jì)算 過程?？刂茖?shí)驗(yàn)條件漿液pH為5.5，煙氣流速Ug為1.76m/s，漿液噴淋量L為1350LA，液氣比 L/Q為化/m3,實(shí)驗(yàn)測得進(jìn)口 S〇2濃度yi為360ppm，出口S〇2濃度y2為184ppm。
[0124] S化吸收傳質(zhì)速率ky可按如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0125]
(31),
[01%]上式中，a為噴淋塔內(nèi)氣-液傳質(zhì)接觸面積，單位為m2/m3,因此要想計(jì)算得到吸收傳 質(zhì)速率ky，必須要先計(jì)算出噴淋塔內(nèi)氣-液傳質(zhì)接觸面積a,噴淋塔內(nèi)氣-液傳質(zhì)接觸面積a 包含兩部分:一是噴淋塔內(nèi)液滴的比表面積Ad/((地2/4)Z)，m2/m3;二是噴淋塔壁液膜的比 表面積Am/((地2/4)Z)，m2/m3,因此公式(31)可表述為如下形式：
[0127]
U化
[012引噴淋塔內(nèi)液滴的表面積Ad:
[0129] 沿噴淋塔高度方向上將吸收塔劃分為多個(gè)微元，由于微元高度很小，假定微元內(nèi) 液滴下落的速度不變，另外，忽略液滴的凝并和破碎，液滴直徑采用Sauter平均直徑。因此， 噴淋塔微元內(nèi)液滴的表面積Ad可表述為：
[0130]
側(cè)'
[0131] 上式中，Ld為W液滴形式存在的漿液噴淋量，LA，取塔壁液體流量(Lm)占總漿液流 量化)的比例為8 %，那么，則W液滴形式存在的漿液量Ld = 0.92 X L = 1242LA，W塔壁液膜 形式存在的漿液量Lm=0.08 X L = 10化A; ud為液滴的下落速度，m/s; d為液滴的Sauter平均 直徑，單位m，d根據(jù)式(23)進(jìn)行計(jì)算：
[0132] d = 133.0.(D/2).We-°'74 (23)，
[0133] 式(23)中，韋伯?dāng)?shù)We按式(24)進(jìn)行計(jì)算：
[0134]
(24)，
[013引式(24)中，P為漿液密度，單位kg/m3;站為噴嘴漿液的噴出速度，m/s，根據(jù)動(dòng)量守恒 方程視《;;=仰進(jìn)行計(jì)算，其中，nu為噴嘴噴出漿液的質(zhì)量流量，單位為kg/s，通過測量得 到; Pi為噴嘴運(yùn)行壓力，單位為MPa，通過測量得到;dk為噴嘴孔徑，單位m; 0為漿液表面張力， N/m。本實(shí)施例中，漿液密度P為1273.9kg · πΓ3，漿液表面張力σ為0. 073N/m，噴嘴運(yùn)行壓力Pi 為0.4MPa，噴嘴孔徑dk為4 X l0-3m，計(jì)算得到鴻為15m/s，聯(lián)立式(23)和（24)，計(jì)算出液滴的 直徑d為1.3 X l(T3m，考慮到液滴的凝并，取液滴直徑d為2.0 X l(T3m，從而減小計(jì)算誤差。
[0136]由式(22)可知，噴淋塔內(nèi)液滴的比表面積與液滴在氣流中的下落速度有關(guān)，液滴 下落速度Ud可表述為：
[0137]
(25)，
[0138] 該公式中，g為重力加速度，單位為m/s2; Pd、化分別為液滴密度和氣體密度，單位均 為kg/m3，其中液滴密度Pd即為噴淋塔內(nèi)漿液密度P，氣體密度化通過測量得到;ug為氣體速 度，單位m/s，根據(jù)公式化=Q/ (3600地2) /4計(jì)算得到。
[0139] 公式(25)中Cd為曳力系數(shù)，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：
[0140]
(26)，
[0141] 上式中，雷諾數(shù)Red根據(jù)公式(27)進(jìn)行計(jì)算：
[0142]
(27)，
[0143] 液滴的運(yùn)動(dòng)方程為：
[0144]
(28)，
[0145] 本實(shí)施例中通過查詢《化學(xué)化工物性手冊(cè)》得到煙氣密度化為1.23kg/m3,煙氣粘度 yg為1.81 X l〇-4Pa · S，計(jì)算得到煙氣流速ug為1.76m/s，微元高度dz取0.01m，聯(lián)立公式(22) ~(28)，沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上積分可計(jì)算出液滴表面積Ad為0.199m2。
[0146] 噴淋塔壁液膜的面積Am:
[0147] 噴淋塔氨法脫硫過程中，部分漿液落在噴淋塔壁上并形成液膜，塔壁液膜在與煙 氣接觸的過程中參與S〇2吸收反應(yīng)，微元內(nèi)噴淋塔壁液膜的面積可按式(29)進(jìn)行計(jì)算：
[014引 Am=3i(D-2hm) · dz (29)，
[0149] 式(29)中，hm為噴淋塔壁液膜厚度，單位為m，噴淋塔壁液膜按層流流動(dòng)考慮，hm可 按如下公式進(jìn)行計(jì)算：
[0150]
(30)，
[0151] 式（30)中，Rem為液膜流動(dòng)雷諾數(shù)，Rem=4LmP/(360〇31化）。
[015^ 本實(shí)施例中，取漿液運(yùn)動(dòng)粘度V為0.79X10-V/S，漿液粘度μ為1.005Xl0-3Pa · S， 微元高度dz為0.01m，聯(lián)立式(29)和（30)沿吸收區(qū)高度方向上積分可計(jì)算出噴淋塔壁液膜 厚度hm為0.003 Im，塔壁液膜面積Am為1.84m2。
[0153] 將實(shí)驗(yàn)測得的噴淋塔進(jìn)、出口 S〇2濃度yi和y2，W及計(jì)算得到的液滴表面積Ad和塔 壁液膜面積Am帶入式(32)，可W計(jì)算得到S〇2吸收傳質(zhì)速率ky為3.11kmol/(m2 · h)。同理，改 變pH、煙氣流速ug和漿液噴淋量L，計(jì)算出不同實(shí)驗(yàn)條件下的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率ky。
[0154] 本實(shí)施例中，氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率ky的計(jì)算式即公式(31)的推導(dǎo)過程如下： [0K5]氨法脫硫過程中，穩(wěn)態(tài)條件下S〇2的傳質(zhì)速率Ws。,可表述為：
[0156] N況;=Kg(p-p's〇;) (.15)，
[0157] 其中，Kg為氣相總傳質(zhì)系數(shù)，P和分別為S〇2在氣相主體和相界面上的分壓，根據(jù) 雙膜理論，氣相總傳質(zhì)系數(shù)Kg與氣、液相傳質(zhì)分系數(shù)kG、kL的關(guān)系可表述為：
[015 引
（36)，
[0159] 上式中，Η為S〇2溶解度系數(shù)，單位為mol/m3。
[0160] 由于S〇2易溶于水，S化溶解度系數(shù)較大，氨法脫硫S〇2液相傳質(zhì)阻力可W忽略不計(jì)， 傳質(zhì)總阻力等于氣相傳質(zhì)分阻力，式(36)可表達(dá)為：
[0161] 占 。f (37)， K包 %
[0162] 因此，式(35)可轉(zhuǎn)化為：
[016；3] =起:(？-知。。).:=與.:抄-K) '(輔')'，
[0164] 在吸收塔高度方向上dz微元內(nèi)對(duì)S〇2進(jìn)行物料衡算，得到如下方程：
[0165]
(嫂)，
[0166] 式中，a為傳質(zhì)接觸面積，m2/m3;ky為氣相分傳質(zhì)系數(shù)（即氣相傳質(zhì)系數(shù)），kmol/ (m2 · h);y為氣相主體中S〇2的摩爾分率，yi為氣液界面處S〇2的平衡摩爾分率;G為煙氣摩爾 流率，km〇l/(m2 · h)。
[0167] 式(39)可轉(zhuǎn)化為：
[016 引
（40)，
[0169] 由溶液中出SO:!、…〇3和姆^的分布系數(shù)(公開號(hào):CN 105032154 A)可知，在氨法脫 硫的pH范圍（pH為4.0~6.0)內(nèi)，溶液中的硫主要WHS巧形式存在，此S化的量極少，幾乎沒 有游離態(tài)的S〇2,因而氣相中的S〇2的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣液界面的S〇2的體積分?jǐn)?shù)，即y〉> yi。另外，燃煤煙氣中S〇2的濃度較低，式(40)可W簡化為：
[0170] Gdy = kyaydz (41)，
[0171] 式(41)可轉(zhuǎn)化為：
[0172]
(42)，
[0173] 沿吸收塔高度上從上向下對(duì)式(42)兩邊進(jìn)行積分：
[0174]
(43)，
[0175] 式中，yi、y2分別為噴淋吸收塔進(jìn)、出口煙氣中S〇2的體積比濃度;Z為噴淋塔吸收區(qū) 高度，m;由積分式(43)計(jì)算可得：
[0176]
(44)
[0177] 因此，由公式(44)即可推導(dǎo)出氣相分傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式
[0178] 表2不同實(shí)驗(yàn)條件下氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率
[0179]
[0180]
[0181] (3)氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的優(yōu)化
[0182] 結(jié)合氨法脫硫工藝的特點(diǎn)，選取pH、煙氣流速Ug和液氣比L/Q為參數(shù)，重新構(gòu)建氨 法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式：
[0183] 心'(王/例、' （巧
[0184] 上式中ko為系數(shù)，XI、X2和X3均為指數(shù)，對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)可得：
[01 化]1 址y=lnk〇+xil 噸 H+X2lnug+X3ln(L/G) (34)，
[0186] 將通過測量計(jì)算得到的不同抑、煙氣流速Ug和液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S〇2吸 收傳質(zhì)速率ky與抑、Ug及L/Q按公式(33)進(jìn)行多元線性擬合，確定系數(shù)ko及指數(shù)xi、X2和X3的 值，進(jìn)而得出優(yōu)化的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式，本實(shí)施例重新確定的氨法脫硫 SO嫩收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式為:私=3.3xl〇-3x扣3'氣化鄉(xiāng)"1。
[0187] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中氨法脫硫噴淋塔及脫硫工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果在很大程度上依賴 于氨法煙氣脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式的準(zhǔn)確性，由于現(xiàn)有技術(shù)中氨法煙氣脫硫S〇2吸收 傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式不能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映 S〇2吸收傳質(zhì)過程，從而不能有效用于指導(dǎo)氨法 脫硫噴淋塔工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行，導(dǎo)致氨法脫硫工藝的脫硫效率不能得到有效提高?；?于此，發(fā)明人一直致力于氨法煙氣脫硫工藝的研究，發(fā)明人通過大量實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)，氨法煙氣脫硫工藝中S〇2吸收傳質(zhì)過程主要受噴淋塔內(nèi)漿液pH值、煙氣流速Ug和液氣 比L/Q的影響較大，因此其選用運(yùn)Ξ個(gè)參數(shù)為計(jì)算參數(shù)，重新構(gòu)建出氨法煙氣脫硫S〇2吸收 傳質(zhì)速率與pH值、化及L/Q之間的計(jì)算表達(dá)式。采用本發(fā)明的方法得到的氨法煙氣脫硫S〇2吸 收傳質(zhì)系數(shù)能夠更加真實(shí)、準(zhǔn)確地反映氨法脫硫工藝中的S〇2傳質(zhì)吸收過程，從而能夠直 接、有效地用于指導(dǎo)氨法脫硫噴淋塔及脫硫工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行，更具有實(shí)際意義和工 程應(yīng)用價(jià)值。
[0188] 此外，本實(shí)施例通過對(duì)噴淋塔內(nèi)液滴運(yùn)動(dòng)和塔壁液膜流動(dòng)的理論分析，在計(jì)算氨 法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的過程中全面考慮了噴淋液滴面積和塔壁液膜面積的影響，建立 的傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式不只是針對(duì)特定的噴淋吸收塔有效，具有普遍適用性。
[0189] 2、氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
[0190] ①采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液pH為5.5,煙氣流速ug為 1.76m/s，液氣比為化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)口 S化濃度為36化pm，噴淋塔出口 S化濃度為 184ppm，通過式(32)計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率ky為3.11kmol/(m2 · h)。將實(shí)驗(yàn)條件抑為 5.5，ug為1 . 76m/s，液氣比為3L/m3，代入重新確定的氨法脫硫S〇2傳質(zhì)速率表達(dá)式： 崎=3.3xl(T3xpH"s'聲='化/6)"1，計(jì)算得到S〇2吸收傳質(zhì)速率ky為3.08kmol/(m 2 · h)，二者之間 的誤差為1.1%。因此，采用本實(shí)施例的方法得到的S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)較為準(zhǔn)確，能夠較好地 反映的S〇2吸收傳質(zhì)過程。
[0191] ②采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液pH為5.5，煙氣流速Ug為 3 . %m/s，液氣比為化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)口 S〇2濃度為360ppm，噴淋塔出口 S〇2濃度為 233ppm，通過式（32)計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率為3.545kmol/(m2 · h)。將實(shí)驗(yàn)條件pH為 5.5，118為3.34111/3，液氣比為3171113，代入建立的氨法脫硫5〇2傳質(zhì)速率表達(dá)式： =3.3χ10-] X 押.(i/G)'"i，計(jì)算得到 S〇2 吸收傳質(zhì)速率為 3.54km〇V(m2 · h)，二者之間 的誤差為0.13%。
[0192] ③采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液抑為5.68,煙氣流速Ug為 2.16m/s，液氣比為化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)口 S〇2濃度為36化pm，噴淋塔出口 S〇2濃度為 183.7ppm，通過式(32)計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率為3.75kmol/(m2 · h)，計(jì)算方法同實(shí)施 例一。將實(shí)驗(yàn)條件抑為5.68，ug為2.16m/s，液氣比為化/m3，代入建立的氨法脫硫S〇2傳質(zhì)速 率表達(dá)式，計(jì)算得到S〇2吸收傳質(zhì)速率為3.60kmol/(m2 · h)，二者之間的誤差為3.94%。
[0193] ④采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液抑為5.95，煙氣流速Ug為 2.16m/s，液氣比為化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)口 S〇2濃度為36化pm，噴淋塔出口 S〇2濃度為 162ppm，通過式(32)計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率為4.45kmol/(m2 · h)，計(jì)算方法同實(shí)施例 一。將實(shí)驗(yàn)條件pH為5.95，ug為2.16m/s，液氣比為化/V，代入建立的氨法脫硫S〇2傳質(zhì)速率 表達(dá)式，計(jì)算得到S〇2吸收傳質(zhì)速率為4.23kmol/(m2 · h)，二者之間的誤差為4.86%。
[0194] ⑤采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液pH為5.5，煙氣流速Ug為 2.16m/s，液氣比為2.化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)日S〇2濃度為360ppm，噴淋塔出日S〇2濃度為 235ppm，通過式(32)計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率為2.41kmol/(m2 · h)，計(jì)算方法同實(shí)施例 一。將實(shí)驗(yàn)條件pH為5.5，ug為2.16m/s，液氣比為2.化/V代入建立的氨法脫硫S〇2傳質(zhì)速率 表達(dá)式，計(jì)算得到5〇2吸收傳質(zhì)速率為2.831〇11〇1/(1112-}1)，二者之間的誤差為14.6%。
[01M]⑥采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液pH為5.5，煙氣流速Ug為 2.16m/s，液氣比為化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)口 S〇2濃度為36化pm，噴淋塔出口 S〇2濃度為 220ppm，通過式(32)計(jì)算得到的S〇2吸收傳質(zhì)速率為2.74kmol/(m2 · h)，計(jì)算方法同實(shí)施例 一。將實(shí)驗(yàn)條件pH為5.5，ug為2.16m/s，液氣比為化/V代入建立的氨法脫硫S〇2傳質(zhì)速率表 達(dá)式，計(jì)算得到5〇2吸收傳質(zhì)速率為3.221〇11〇1/(1112-}1)，二者之間的誤差為14.77%。
[0196] 實(shí)施例2
[0197] 本實(shí)施例的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，該模型首先基于噴淋塔 氨法煙氣脫硫工藝的特點(diǎn)，選定抑值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數(shù)，計(jì)算出不同抑值、煙 氣流速％和液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率，并采用數(shù)值擬合的方法構(gòu)建具 有普遍適用性的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式;然后分析液相中的離子電荷守恒和 元素物料守恒，根據(jù)畑3-S02-此0體系的熱力學(xué)特性及離子平衡原理建立噴淋塔內(nèi)S〇2吸收 過程中的氣-液間動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并結(jié)合重新構(gòu)建的S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式，計(jì)算出噴 淋塔氨法脫硫的S〇2脫除率(yi-y2)/yi。利用該模型能夠計(jì)算出不同漿液抑值、煙氣流速、液 氣比、S化濃度和吸收區(qū)高度等工藝條件的氨法脫硫S〇2去除率，從而對(duì)氨法煙氣脫硫噴淋塔 的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。本實(shí)施例的計(jì)算模型具體包括W下步驟：
[0198] 步驟一、確定如下參數(shù):氨法脫硫系統(tǒng)噴淋塔的D、G、L、抑、P、Q、T、Ug、y 1、y 2、Z、Cs、 Ρ、μ、ν、σ;
[0199] 其中，D為噴淋塔直徑，通過直接測量得出，單位m;L為漿液噴淋量，通過流量計(jì)測 量得出，單位為L/h;抑為噴淋塔內(nèi)漿液pH值，由抑計(jì)測量得到;P為煙氣總壓力，近似與大氣 壓相等，為101325化;Q為煙氣流量，通過流量計(jì)測量得出，單位mVh; T為煙氣溫度，通過溫 度傳感器測量得出，單位K;G為煙氣摩爾流率，可根據(jù)G=l〇-3 · PQART柿2)/4計(jì)算得出，單 位為kmol/(m2 · h) ;Ug為煙氣流速，根據(jù)Ug = Q/(3600地2)/4計(jì)算得出，單位m/s;yi、y2分別為 噴淋塔進(jìn)口、出口煙氣中S〇2的摩爾分率，均由煙氣分析儀測得;Z為噴淋塔吸收區(qū)高度，直 接測量得到，單位m; Cs為漿液中的總硫濃度，為+4價(jià)硫濃度Cw和+6價(jià)硫濃度之和，其單 位均為mo 1/1; P為漿液密度，根據(jù)+4價(jià)硫濃度Q.、HSOt的分布系數(shù)δι、SOr的分布系數(shù)δ2和+ 6價(jià)硫濃度&,，艱式/?=川〇〇 + 9*：、昨|+11(峰（'、|十132(：'、。進(jìn)行計(jì)算，單位為4邑/1113;漿液的 粘度μ和表面張力σ分別利用粘度計(jì)和表面張力儀測得，其單位分別為化· S和N/m;v為漿液 的運(yùn)動(dòng)粘度，根據(jù)式V=μ/ρ計(jì)算得出，單位。
[0200] 本實(shí)施例中，D為0.3m，Q為850m3/h，L為 1700L/h，pH為6，P為 101325Pa，T為 323.15K，G為140.78mol/(m2 · h)，Ug為3.34m/s，yi、y2分別計(jì)算得到360ppm，76ppm，Z為2m， ?級(jí);的分布系數(shù)δι、S巧的分布系數(shù)δ2分別為0.96，4.24 X l〇-2，+6價(jià)硫濃度Q.及+4價(jià)每+硫 濃度分別為2mol/L、0.1mol/L，代入式只=議()+ 99(昨、| +1巧卸:> +]32Ch近似計(jì)算為 1273.9kg/m3，漿液的粘度μ為1.005 X l(T3Pa · S，表面張力。為0.073N/m，漿液的運(yùn)動(dòng)粘度V 為 0.79Xl〇-6m2/s。
[0201 ]步驟二、輸入步驟一中的模型參數(shù)，并設(shè)定噴淋塔出口煙氣中的S〇2濃度y2 = 0.9yi，yi為入口處S〇2濃度5.68 X ΙΟΛ噴淋塔吸收區(qū)頂部漿液的抑值及Cs中+4價(jià)硫和+6價(jià) 硫的初始濃度CU、Cw(本實(shí)施例中氨法脫硫過程看作是動(dòng)態(tài)平衡過程，C*、保持不 變），且滿足C = CV +C、。.；利用氨法脫硫S〇2吸收數(shù)學(xué)模型，W噴淋塔吸收區(qū)煙氣出口為起始 點(diǎn)，沿吸收區(qū)高度方向計(jì)算出進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度yi '。本實(shí)施例中，噴淋塔吸收區(qū)進(jìn)口煙 氣中的S〇2濃度yi '按照如下模型進(jìn)行計(jì)算：
[0202]在噴淋塔吸收區(qū)高度方向上的dz微元內(nèi)對(duì)S〇2進(jìn)行物料衡算，得到如下方程：
[020；3] W泌2均'=皮,，紅抄一躬):=巧(1-巧）戶也-巧(2 )' i - y 丄--j
[0204] 上式中，Ws。:為S〇2的傳質(zhì)速率，單位kmol/(m2 · h)，a為氣-液傳質(zhì)接觸面積，單位 m2/m3，ky為氣相分傳質(zhì)系數(shù)，單位kmol/(m2 · h);y為氣相主體中S〇2的摩爾分率，yi為氣-液 界面處S〇2的平衡摩爾分率，上式(2)轉(zhuǎn)化為：
[0205]
[0206] 對(duì)式（3)進(jìn)行積分即得到沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向S〇2的濃度分布。上式（3)中， 氣-液傳質(zhì)比表面積a包含兩部分:一是噴淋塔內(nèi)液滴的比表面積Ad/((柿2/4)Z)，m2/m 3;二 是噴淋塔壁液膜的比表面積Am/ ((地^4) Z)，m2/m3。本實(shí)施例控制實(shí)驗(yàn)條件漿液抑為6，煙氣 流速％為3.34m/s，液氣比化/V，實(shí)驗(yàn)測得進(jìn)口 S〇2濃度為36化pm，出口 S〇2濃度為76ppm。根 據(jù)根據(jù)趙建植等的研究成果(趙建植.石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)流動(dòng)和反應(yīng)的數(shù)值計(jì) 算與模擬實(shí)驗(yàn)[0].博±學(xué)位論文，南京：東南大學(xué)，2007)，取塔壁液體流量(Lm)占總漿液流 量化）的比例為8 %。那么，W液滴形式存在的漿液量Ld = 0.92 X L = 1564L/h; W液膜形式 存在的漿液量Lm = 0.08 XL= 13化/h。按照實(shí)施例1中Ad和Am的計(jì)算方法，煙氣密度化取 1.23kg/m3，煙氣流速ug為3.34m/s，煙氣粘度yg為1.81 X l(T4Pa · S，漿液運(yùn)動(dòng)粘度V為7.89 X l〇-7m^s，漿液粘度為1.005 X l〇-3Pa · S，微元高度dz取0.01m，最終計(jì)算得出計(jì)算出液滴表 面積Ad為0.化8m2，噴淋塔壁液膜厚度為0.0039m，塔壁液膜面積Am為1.83m2。
[0207] 式(3)中氣-液界面處S〇2的平衡摩爾分率yi根據(jù)電中性方程進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算步驟 如下：吸收塔內(nèi)漿液中主要存在HSO,、S化、SO、〇H-、r、NH、S化、N也和N也?也0 9種 不同的組分，它們之間存在如下平衡：
[0214]氨法脫硫過程中，穩(wěn)態(tài)時(shí)漿液中的離子滿足如下電中性方程：
[0別引 ^H)-W'(N!l,) = ('(0H-) + t'(iiS0:) + 2(.C0;) + 2('(S0;) (10)，
[0216] 根據(jù)平衡式(4)~(9)，式(10)轉(zhuǎn)化為如下形式：
[0217]
(11)〇
[021引上式（11)中，虹3、1(31、1(32、1(冷別為式(4)、（5)、（6)、（9)中的反應(yīng)平衡常數(shù)，其中： 1 排ha= 1376.1/T-4.521，1 排ai = 853/T-4.74，1 排32 = 621.9/T-9.278，lgKw= 14470.99/T+ 6.0875-0.01706T，因此，氣-液界面處S02的平衡分壓祐,可表達(dá)為：
[0219]
(12》，
[0220] 由于氨法脫硫漿液中的H+濃度較低，同時(shí)漿液中幾乎無游離的畑3，因此，式（12)中 的c(N巧)-2雌0。近似等于哪80;) + 2啦巧-）;而漿液中HSO;和SO;-的濃度可根據(jù)+4價(jià)硫濃度 每*及各組分的分布系數(shù)計(jì)算得出：卿8〇;)=<?1 ·，^s〇n = A ·。*，其中，此S〇3、HSO,和鳴- 的分布系數(shù)δ〇、δι和δ2分別按下式計(jì)算得到：
[0224] 本實(shí)施例中δ〇、δι和δ2在吸收模型中計(jì)算出的結(jié)果分別為0.000121、0.96、0.0424。
[0225] 基于式（12)，式(3)中氣-液界面處S〇2的平衡摩爾分率yi根據(jù)式紀(jì);如十算得出；因 此，要計(jì)算yi沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上的分布，需明確C化+)沿噴淋塔高度方向上的變化 情況，從噴淋塔吸收區(qū)底部到吸收區(qū)任意截面之間對(duì)氣相和液相中的總硫進(jìn)行物料衡算 (如附圖2所示）：
[0226] mi,g+mz,i=mi,i+mz,g (16) 〇
[0227] 式中:mi,g及mz,g分別為噴淋塔吸收區(qū)底部截面處及吸收區(qū)中間任意截面處氣相中 S化的摩爾流率，單位mol/s，mi,i及mz,i分別為噴淋塔吸收區(qū)底部截面處及吸收區(qū)中間任意 截面處液相中總硫的摩爾流率，單位mo 1 /s，mi, g、mz, g、mi, 1及mz, 1分別表述為如下形式：
[022引 mi,g=Gyi，
[0229]
[0234] 聯(lián)立式（12)和（17)，即得到關(guān)于漿液中氨離子濃度c化+)與氣相中S〇2濃度y的非線 性方程：
[0235]
(18)，
[0236] 上式（18)中：
[0237]
(巧)，
[023引其中：A=C(畑;)-2c(SO;-)，B = KhaKal，C = Kha.KalKa2,日= .G(l-'l'')， L
，本實(shí)施例模型中，(3<^化+)為漿液中氨離子 的初始濃度，根據(jù)漿液pH計(jì)算得到，最終分別計(jì)算出A = 0.104，B = 4.34 X 10-3，C= 1.92 X l0-i0，D = 21.05，E = 8.93X10-2。
[0239]結(jié)合式(3)和(18)得到：
[0243] 將紀(jì)，咨帶入式(21)，W噴淋塔吸收區(qū)頂端為起點(diǎn)沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上對(duì) 式(21)進(jìn)行積分，即計(jì)算得到吸收區(qū)底端處漿液的r濃度，進(jìn)而由式（18)計(jì)算得到噴淋塔 進(jìn)口處S〇2的摩爾分率yi ' =0.00248。
[0244] 步驟Ξ、將步驟二中計(jì)算得到的進(jìn)口煙氣中S〇2濃度yi'帶入下式進(jìn)行檢驗(yàn)：
[0245] |yi，-yi|《0.00001 (1)，
[0246] 若計(jì)算得到的進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度yi'不滿足上式，返回步驟二中調(diào)整y2值，重新 計(jì)算yi'直至上式成立，最后輸出出口煙氣中的S〇2濃度y2及對(duì)應(yīng)的S〇2脫除率(y廣y2)/yi。本 實(shí)施例yi'-yi = 〇. 00248-0.000568 = 0.001912,明顯大于0.00001，故而返回步驟二中減小 72,步長為0.000001，重新計(jì)算yi'直至式（1)成立，最后輸出出口煙氣中的S〇2濃度y2為9.8 X10-7 及 S 化脫除率(y 廣 y2)/yi = 99.83%。
[0247] 實(shí)驗(yàn)測定抑值為6、煙氣流速為3.34m/s和液氣比L/Q為化/V的條件下，進(jìn)、出口煙 氣中的S〇2濃度分別為360ppm和86ppm，根據(jù)公式：?? = ' - χΙΟΟ%計(jì)算出S〇2的去除效率為 I. I 76.11 %，與模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差為23.76%。
[024引實(shí)施例3
[0249] 采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，控制漿液pH為3,煙氣流速 ug為2.56m/s，液氣比為1.化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)日S〇2濃度為360ppm，噴淋塔出日S〇2濃 度為171ppm，根據(jù)公式計(jì)算得到S〇2的去除效率為52.5%。
[0250] 將實(shí)驗(yàn)條件抑為3，ug為2.56m/s，液氣比為1.化/V，代入實(shí)施例2建立的氨法脫硫 S化的吸收模型中，按照實(shí)施例二中的步驟計(jì)算得到S〇2的去除效率為68.86%。二者之間的 誤差為23.76%。
[0巧1 ]實(shí)施例4
[0252]采用如圖1所示的噴淋塔氨法脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，控制漿液pH為4,煙氣流速Ug為 2.95m/s，液氣比為1.化/V，實(shí)驗(yàn)測得噴淋塔進(jìn)口 S化濃度為360ppm，噴淋塔出口 S〇2濃度為 113ppm，根據(jù)計(jì)算式(44)計(jì)算得到S〇2的去除效率為68.61 %。將實(shí)驗(yàn)條件pH為4，Ug為2.95m/ S，液氣比為1.化/m3，代入建立的氨法脫硫S〇2的吸收模型中，按照實(shí)施例二中的步驟計(jì)算得 至化化的去除效率為80.化％，二者之間的誤差為14.5%。
[0巧3]實(shí)施例5
[0254]本實(shí)施例的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)控方法該方法是基于氨法 脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)氨法脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化 的，其步驟為:首先利用氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型計(jì)算出預(yù)設(shè)工藝條件下的 氨法脫硫S〇2脫除率，若計(jì)算得到的S〇2脫除率不滿足設(shè)定目標(biāo)，則調(diào)整氨法脫硫工藝參數(shù)的 數(shù)值(調(diào)整漿液抑值、煙氣流速ug、液氣比L、進(jìn)口煙氣中S〇2的摩爾分率yi、漿液中+4價(jià)硫及+ 6價(jià)硫的初始濃度、&*等工藝參數(shù)中的一個(gè)或同時(shí)調(diào)整多個(gè)），并按照模型重新計(jì)算，直 至S〇2脫除率滿足設(shè)定目標(biāo)，并輸出此時(shí)氨法脫硫各工藝參數(shù)的數(shù)值及S〇2的脫除率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，其特征在于：該模型首先基于噴淋塔 氨法煙氣脫硫工藝的特點(diǎn)，選定抑值、煙氣流速％和液氣比L/Q為參數(shù)，計(jì)算出不同抑值、煙 氣流速％和液氣比L/Q條件下的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)速率，并采用數(shù)值擬合的方法構(gòu)建具 有普遍適用性的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式;然后分析液相中的離子電荷守恒和 元素物料守恒，根據(jù)N曲-S〇2-此0體系的熱力學(xué)特性及離子平衡原理建立噴淋塔內(nèi)S〇2吸收 過程中的氣-液間動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并結(jié)合重新構(gòu)建的S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式，計(jì)算出噴 淋塔氨法脫硫的S〇2脫除率(y i-y2) /V1。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，其特征在于:該 計(jì)算模型具體包括W下步驟： 步驟一、確定如下參數(shù):氨法脫硫系統(tǒng)噴淋塔的D、G、L、pH、P、Q、T、Ug、yi、y2、Z、Cs、P、y、v、 σ； 其中，D為噴淋塔直徑，通過直接測量得出，單位m;L為漿液噴淋量，通過流量計(jì)測量得 出，單位為L/h;pH為噴淋塔內(nèi)漿液抑值，由抑計(jì)測量得到;P為煙氣總壓力，近似與大氣壓相 等，為101325化;Q為煙氣流量，通過流量計(jì)測量得出，單位m3/h;T為煙氣溫度，通過溫度傳 感器測量得出，單位K;G為煙氣摩爾流率，可根據(jù)G=l〇-3 · PQ/(RT地2)/4計(jì)算得出，單位為 kmol/(m2 · h) ;Ug為煙氣流速，根據(jù)Ug = Q/(3600地2)/4計(jì)算得出，單位m/s;yi、y2分別為噴淋 塔進(jìn)口、出口煙氣中S〇2的摩爾分率，均由煙氣分析儀測得;Z為噴淋塔吸收區(qū)高度，直接測 量得到，單位m; Cs為漿液中的總硫濃度，為+4價(jià)硫濃度狂*和+6價(jià)硫濃度Q*之和，其單位均為 mol/MP為漿液密度，根據(jù)+4價(jià)硫濃度Cyt、HSO:的分布系數(shù)Si、S巧的分布系數(shù)δ2和+6價(jià)硫 濃度心，按式/> = 1000 +與毎?。* + I !6式C、i +1巧(:,6+進(jìn)行計(jì)算，單位為kg/m3;漿液的粘度μ 和表面張力σ分別利用粘度計(jì)和表面張力儀測得，其單位分別為化.S和N/m;v為漿液的運(yùn) 動(dòng)粘度，根據(jù)式V=μ/ρ計(jì)算得出，單位; 步驟二、輸入步驟一中的模型參數(shù)，并設(shè)定噴淋塔出口煙氣中的S〇2摩爾分率y2、噴淋塔 吸收區(qū)頂部漿液的pH值及Cs中+4價(jià)硫和+6價(jià)硫的初始濃度0*、，且滿足G = 利 用氨法脫硫S〇2吸收數(shù)學(xué)模型，W噴淋塔吸收區(qū)煙氣出口為起始點(diǎn)，沿吸收區(qū)高度方向計(jì)算 出進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度y'l; 步驟Ξ、將步驟二中計(jì)算得到的進(jìn)口煙氣中S〇2濃度/滯入下式進(jìn)行檢驗(yàn)： y'i-yi I《0.00001 (1)， 若計(jì)算得到的進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度不滿足上式，返回步驟二中調(diào)整y2值，重新計(jì)算 直至上式成立，最后輸出出口煙氣中的S〇2濃度y2及對(duì)應(yīng)的S〇2脫除率(乃-y2)/yi。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，其特征在于:步 驟二中噴淋塔吸收區(qū)進(jìn)口煙氣中的S〇2濃度/1具體按照如下模型進(jìn)行計(jì)算:在噴淋塔吸收 區(qū)高度方向上的dz微元內(nèi)對(duì)S〇2進(jìn)行物料衡算，得到如下方程：(2)， 上式中，*"城為S〇2的傳質(zhì)速率，單位kmol/(m2 · h)，a為氣-液傳質(zhì)接觸面積，單位mVm3， ky為氣相分傳質(zhì)系數(shù)，單位kmolAm2 · h);y為氣相主體中S〇2的摩爾分率，yi為氣-液界面處 S化的平衡摩爾分率，上式(2)轉(zhuǎn)化為：(3)， 對(duì)式(3)進(jìn)行積分即得到沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向S〇2的濃度分布;上式(3)中，氣-液界 面處S〇2的平衡摩爾分率yi根據(jù)電中性方程進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算模型如下： 吸收塔內(nèi)漿液中主要存在賊巧、：S〇r、S巧％〇!Γ、Η\?沿:、S02、N曲和畑3·此0 9種不 同的組分，它們之間存在如下平衡：氨法脫硫過程中，穩(wěn)態(tài)時(shí)漿液中的離子滿足如下電中性方程：上式（11)中，1(43、1(31、1(32、1(冷別為式(4)、（5)、（6)、（9)中的反應(yīng)平衡常數(shù)，因此，氣-液 界面處S〇2的平衡分壓爲(wèi),可表達(dá)為：由于氨法脫硫漿液中的r濃度較低，同時(shí)漿液中幾乎無游離的N曲，因此，式（12)中的 側(cè)巧）-ws〇r舶似等于c(Hso;)+wsor);而漿液中服巧和SO;-的濃度可根據(jù)+4價(jià)硫濃 度&，及各組分的分布系數(shù)計(jì)算得出：c(HS0;) = 4 '〔V，c(S〇r) = S;'〔V，其中，齡0:和SO;-的 分布系數(shù)δι和δ2分別按下式計(jì)算得到：基于式（12)，式(3)中氣-液界面處S〇2的平衡摩爾分率yi根據(jù)式姑，爾計(jì)算得出；因此， 要計(jì)算yi沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上的分布，需明確C化+)沿噴淋塔高度方向上的變化情 況，從噴淋塔吸收區(qū)底部到吸收區(qū)任意截面之間對(duì)氣相和液相中的總硫進(jìn)行物料衡算： mi,g+mz,i=mi,i+mz,g (16)， 式中:mi,g及mz,g分別為噴淋塔吸收區(qū)底部截面處及吸收區(qū)中間任意截面處氣相中S〇2的 摩爾流率，單位mol/s，mi,i及mz,i分別為噴淋塔吸收區(qū)底部截面處及吸收區(qū)中間任意截面處 液相中總硫的摩爾流率，單位mo 1 /s，mi, g、mz, g、mi, 1及mz, 1分別表述為如下形式： mi,g 二 Gyi，I 聯(lián)立式（12)和（17)，即得到關(guān)于漿液中氨離子濃度c化+)與氣相中S〇2濃度y的非線性方 程：其中；A = C(NH,)-2c(S〇-: )，C = Kha.Kal，C = Kha.KalKa2, 〇 = ，將Ρ?如帶入式(21)，W噴淋塔吸收區(qū)頂端為起點(diǎn)沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上對(duì)式(21) 進(jìn)行積分，即計(jì)算得到吸收區(qū)底端處漿液的r濃度，進(jìn)而由式（18)計(jì)算得到噴淋塔進(jìn)口處 S化的摩爾分率y'l。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，其特征在于:公 式(21)中氣-液傳質(zhì)接觸面積a包含兩部分:一是噴淋塔內(nèi)液滴的比表面積Ad/((地2/4)Z)， m2/m3;二是噴淋塔壁液膜的比表面積Am/((地2/4)Z)，m2/m3，其中： 噴淋塔內(nèi)液滴的表面積Ad: 沿噴淋塔高度方向上將吸收塔劃分為多個(gè)微元，由于微元高度很小，假定微元內(nèi)液滴 下落的速度不變，另外，忽略液滴的凝并和破碎，液滴直徑采用Sauter平均直徑。因此，噴淋 塔微元內(nèi)液滴的表面積Ad可表述為：(22)， 上式中，Ld為W液滴形式存在的漿液噴淋量，LA; ud為液滴的下落速度，m/s; d為液滴的 Sauter平均直徑，單位m，d根據(jù)式(23)進(jìn)行計(jì)算： d=133.0 · (D/2) · We-o'M (23), 式(23)中，韋伯?dāng)?shù)We按式(24)進(jìn)行計(jì)算：(24)， 式（24)中，P為漿液密度，kg/m3; ?2為噴嘴漿液的噴出速度，m/s，根據(jù)動(dòng)量守恒方程 Η!ι!《=Ριπ4 2進(jìn)行計(jì)算，其中，mi為噴嘴噴出漿液的質(zhì)量流量，單位為kg/s，通過測量得到;Pi 為噴嘴運(yùn)行壓力，單位為MPa，通過測量得到;dk為噴嘴孔徑，單位m; 0為漿液表面張力，N/m; 由式(22)可知，噴淋塔內(nèi)液滴的比表面積與液滴在氣流中的下落速度有關(guān)，液滴下落 速度Ud可表述為：(25)， 該公式中，g為重力加速度，單位為m/s2; Pd、Pg分別為液滴密度和氣體密度，單位均為 kg/m3，其中液滴密度Pd即為噴淋塔內(nèi)漿液密度P; %為氣體速度，單位m/s; 公式(25)中Cd為曳力系數(shù)，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：U6)， 上式中，雷諾數(shù)Red根據(jù)公式(27)進(jìn)行計(jì)算：(巧） 液滴的運(yùn)動(dòng)方程為：(2：8), 聯(lián)立公式(22)~(28)，沿噴淋塔吸收區(qū)高度方向上積分即計(jì)算出液滴表面積Ad; 噴淋塔壁液膜的面積Am: 噴淋塔氨法脫硫過程中，部分漿液落在噴淋塔壁上并形成液膜，塔壁液膜在與煙氣接 觸的過程中參與S〇2吸收反應(yīng)，微元內(nèi)噴淋塔壁液膜的面積可按式(29)進(jìn)行計(jì)算： Am=3i(D-2hm) · dz (29)， 式(29)中，hm為噴淋塔壁液膜厚度，單位為m，根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算：(30)， 式(30)中，Rem為液膜流動(dòng)雷諾數(shù)，Rem= 4LmP/ (360〇3?(1μ)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，其特征在于:公 式(21)中的S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky根據(jù)如下方法進(jìn)行優(yōu)化確定： (1) 改變漿液pH值、煙氣流速ug和漿液噴淋量L，測定不同pH值、煙氣流速ug和液氣比L/Q 條件下噴淋塔進(jìn)、出口煙氣中S〇2的摩爾分率yi、y2,并根據(jù)如下公式分別計(jì)算出不同條件下 的S〇2吸收傳質(zhì)速率ky:(31)， (2) 結(jié)合氨法脫硫工藝的特點(diǎn)，選取抑、煙氣流速Ug和液氣比L/Q為參數(shù)，構(gòu)建氨法脫硫 S化吸收傳質(zhì)系數(shù)kv的表達(dá)式：(32)， 上式中ko為系數(shù)，XI、X2和X3均為指數(shù)，對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)可得： lnky=lnk〇+xilnpH+X2lnug+X3ln(L/G) (33)， 將步驟（1)中通過測量計(jì)算得到的不同抑、煙氣流速Ug和液氣比L/Q條件下的氨法脫硫 S化吸收傳質(zhì)速率ky與pH、Ug及L/Q按公式(33)進(jìn)行多元線性擬合，確定系數(shù)ko及指數(shù)xi、X2和 X3的值，進(jìn)而得出優(yōu)化的氨法脫硫S〇2吸收傳質(zhì)系數(shù)ky的表達(dá)式。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的一種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型，其 特征在于:所述pH值的范圍為5.0~6.0,煙氣流速范圍為2.0~4. Om/s，液氣比范圍為2.0~ 4.0L/m3。7. -種氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)控方法，其特征在于：該方法是基于氨法 脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)氨法脫硫噴淋塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化 的，其步驟為:首先利用權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的氨法脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)和運(yùn)行的計(jì)算模 型計(jì)算出預(yù)設(shè)工藝條件下的氨法脫硫S〇2脫除率，若計(jì)算得到的S〇2脫除率不滿足設(shè)定目標(biāo)， 則調(diào)整氨法脫硫工藝參數(shù)的數(shù)值，并按照模型重新計(jì)算，直至S〇2脫除率滿足設(shè)定目標(biāo)，并 輸出此時(shí)氨法脫硫各工藝參數(shù)的數(shù)值及S〇2的脫除率。
【文檔編號(hào)】B01D53/78GK105964123SQ201610384389
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】賈勇, 殷李國, 吳勝華, 陳 光, 李智芳, 丁希樓, 陳宜華, 戴波
【申請(qǐng)人】安徽工業(yè)大學(xué)