（计算机应用技术专业论文）石灰石石膏湿法烟气脱硫系统模拟计算软件的开发及应用.pdf

摘要 石灰石石膏湿法烟气脱硫系统模拟计算软 件的开发及应用 摘要 二氧化硫对环境的污染越来越引起社会的关注，减少二氧化硫的排放 成为环境治理的重要任务。石灰石石膏湿法烟气脱硫作为一种脱硫效率 高、运行稳定的脱硫技术得到了广泛的应用。本文依据石灰石石膏湿法 烟气脱硫工艺的化学反应和传质机理，对系统进行了稳态模拟。根据气、 液、固三相的平衡理论，建立了湿法烟气脱硫系统的数学模型，对系统进 行物料平衡计算，并对吸收塔外型进行设计，以及其他设备的选型计算。 另外由模糊快速估价方法，估算了项目工程的投资费用和运行费用。 在上述工作的基础上，应用序贯模块法及面向对象技术开发了一套实 用的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统模拟计算软件。该软件在工艺计算基 础上实现了石灰石石膏湿法烟气脱硫系统设计的图形化、可视化，使设 计者能够在良好的操作界面引导下，完成系统配置、参数输入、工艺计算、 设备选型及经济分析等操作，提高了工作效率、缩短了设计周期和决策时 间。目前软件已投入使用，通过具体工程的计算，结果表明与现运行系统 的工艺数据较为吻合，肯定了软件的可靠性和有效性。软件的模拟计算对 工艺设计人员有重要的参考价值，可指导工程设计。 关键词：湿法脱硫，稳态模拟，面向对象，软件设计 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fas i m u l a t i o n c a l c u l a t i o ns o f t 么锄f o rl i m e s t o n e g y p s u m 、tf l u eg a sd e s u l f u r i z t i o ns y s t e m a b s t r a c t s u l f u rd i o x i d ee m i s s i o nh a si n c r e a s i n g l yb e c o m et h ef o c u so fs o c i a l c o n t e n t a n dr e d u c i n gs u l f u rd i o x i d ee m i s s i o ni st h ei m p o r t a n tt a s kf o r e n v i r o n m e n t a l g o v e r n a n c e l i m e s t o n e g y p s u m w e tf l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o n ( w f g d ) h a sb e e na p p l i e de x t e n s i v e l yw i t hi t sh i g he f f i c i e n c y a n ds t a b l eo p e r a t i o n b a s e do nt h ec h e m i c a lr e a c t i o n sa n dt r a n s f e rm e c h a n i s m o fw f g d p r o c e s s ，t h ep a p e rs i m u l a t e dt h es t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c e so ft h e s y s t e m b yg a s ，w a t e r , l i q u i dt h r e e - p h a s eb a l a n c et h e o r y , m a t h e m a t i c a lm o d e l w a sb u i l ta n dm a s sb a l a n c ec a l c u l a t i o nr e s u l tc o u l db eg o t t h e nt h ep a p e r d e s i g n e da b s o r b e rs h a p ea n do p t i o n e d o fe q u i p m e n tt y p e i na d d i t i o n ， a c c o r d i n gt of u z z yq u i c ke v a l u a t i o nm e t h o d ，i n v e s t m e n ta n do p e r a t i o nc o s t c o u l db ee s t i m a t e d o nt h i sb a s i s ，t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o ns o f t w a r eo fw f g ds y s t e mw a s d e v e l o p e dw i t ho b j e c t o r i e n t e dm e t h o da n ds e q u e n t i a lm o d u l a ra p p r o a c h t h e s o f t w a r er e a l i z e sg r a p h i c sa n dv i s u a l i z a t i o no fw f g d s y s t e m t h ed e s i g n e r s c a na c c o m p l i s ho p e r a t i o n so fs y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，p a r a m e t e ri n p u t ，p r o c e s s c a l c u l a t i o n ，e q u i p m e n ts e l e c t i o na n de c o n o m i ca n a l y s i su n d e rt h eg u i d a n c eo f h i 北京化工大学硕士学位论文 t h eg o o do p e r a t i o ni n t e r f a c e i tc o u l di m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya n ds h o r t e n d e s i g nc y c l ea n d d e c i s i o nt i m e a tp r e s e n t ，t h es o f t w a r eh a sb e e np u ti n t ou s e t h r o u g ht h et e s t ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s o fm a s sb a l a n c ew e r ei n g o o d a g r e e m e n tw i t ht h es y s t e mw h i c hh a sr u n t h es i m u l a t i o no ft h es o f t w a r eh a s i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e f o r d e s i g n e r s a n di t c a ng u i d et h eu s e r so f e n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ： w f g d ，s t e a d y - s t a t es i m u l m i o n ，o b j e c t - o r i e n t e d ，s o f t w a r e d e s i g n i v 符号说明 符号说明 溶质浓度 平衡溶质度 组分a 在气相中的分压 平衡时溶液在气相的平衡分压 被吸收组分在液相中的摩尔分数 亨利常数，p a 传质单元数 塔入口s 0 2 摩尔分率， 塔出口s 0 2 摩尔分率， 气液平均总传质系数，k g m - 2 s - 1 传质界面总面积，m 2 烟气总质量流量，k g r 1 气膜传质系数，k g m - - 2 s - t 液膜传质系数，k g n r 2 r 1 液膜增强系数，m 2 r 1 脱硫塔浆液亨利系数，m 2 s _ 1 氧气量，n m 3 k g - 1 理论空气量，n m 3 - k g - i 理论二氧化碳容积，n m 3 k g - 1 理论二氧化硫容积，n m 3 k g - 1 理论氮气容积，n m 3 k g - 1 理论水蒸气容积，n m 3 k g - 理论烟气容积，n m 3 - k g - 1 实际烟气容积，n m 3 - k g - 气体的绝热饱和温度， 塔入口气体的比焓，k j k g - 塔出口气体的比焓，l 【j k 矿1 水的比热容，k j k g - ! - 1 塔入口气体的干基湿含量，k g k g - 1 湿烟气的定压比热容，k j k g - ! k _ i 吸收塔内径，n l 烟气平均总流量，m 3 h - 1 a玎乃，x e肌坛足彳g乓局痧日缓矿o丁烈也西饥忽协q 北京化工人学硕：t 学位论文 “ m 乃 口 u g 圮 y c 6 口 d | h e i e x f x j 7 a f l 见 f a t 甩 l f g d w f g d 烟气流速，m 一 机组容量，m w 浆液池容积，m 3 浆液面高度，m 液气比，l n l l 一 烟气标准湿态体积，n m 3 - h - 1 浆液循环停留时间，m i n 反应罐体积，m 3 循环浆液流量，m 3 h - l 烟气进口底部至浆液面距离，i n 入口项部至第一层喷淋层距离，m 喷淋层间距，m 最上层喷淋层至第一级除雾器高度，i n 除雾器冲洗水喷嘴距除雾器间距，m 搅拌器高度设置，m 工程的单位造价 待估工程的单位造价 待估工程的总造价 待估工程调整系数 待估工程修正系数 烟气脱硫工程全部初投资 施工期内的利息 工程总投资 各年投资比例 建设周期 银行贷款利息 烟气脱硫 湿法烟气脱硫 x i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：一所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： ! 余丝日期：兰望：兰 日期：丝墨蔓：之 第一章绪论 1 1 课题目的和意义 第一章绪论 我国的大气污染属煤烟型污染。由于煤的发热量低、含硫量高，我国s 0 2 污染日 益严重【1 4 1 。据统计，大气污染造成的经济损失占g d p 的3 7 。由于经济方面的原 因，我国二氧化硫的排放一直处于失控状态，排放量逐年上升，酸雨面积逐年扩大。 二氧化硫污染主要是由工业生产造成的，而电力工业又是工业中的排放大户。到2 0 0 3 年底，我国火电装机容量达到2 9 亿千瓦，排放的二氧化硫量高达1 0 0 0 万吨，并且呈 上升趋势。因此，火电厂减少二氧化硫的排放，成为电力环境治理的重要任务。国家 规定，新建、改造燃煤含硫量大于1 的电厂要采取减排二氧化硫的措施，分批分期 建设脱硫设施或采取其它具有相应效果的减排措施【4 】。国家和各级地方政府目前正在 大力推进二氧化硫的治理工作，根据有关规划内容，未来1 0 年将是我国烟气脱硫事 业蓬勃发展的最佳时期。 世界上已投入工业应用的烟气脱硫工艺主要有：石灰石石膏湿法烟气脱硫、烟 气循环流化床脱硫、喷雾干燥法脱硫、海水脱硫、氨水洗涤法脱硫和电子束脱硫等 5 - 7 。 其中湿法脱硫工艺是目前世界上应用最多、最为成熟的技术【8 - 1 0 。目前单机容量2 0 万千瓦以上的火电机组容量占火电总装机容量的5 5 。高参数、大容量火电机组是当 前和今后相当长时间内火电发展的方向，因此，大机组脱硫是火电厂脱硫的工作重点， 是控制火电厂二氧化硫的关键，而湿法脱硫工艺是当前国际上通行的大机组火电厂烟 气脱硫的基本工艺。我国电力工业从7 0 年代中期就开始进行了多种烟气脱硫技术的 试验研究工作【i l 】。目前我国主要的脱硫技术是湿式石灰石石膏法。原电力部环境保 护领导小组会议提出的脱硫路线中也指出：石灰石石膏湿法烟气脱硫技术应用范围 宽，并有大幅度降低造价的可能性。为了适应大机组脱硫的需要，我国应重点发展这 一技术【1 2 l 。 烟气脱硫技术与设备的国产化是降低工程造价、加快火电厂二氧化硫治理速度的 关键所在。不少引进项目仅仅停留在购买设备上，没有引进设计和执照技术，在消化 吸收和创新方面还需要做大量的工作。而脱硫技术国产化的关键在于掌握烟气脱硫的 设计技术。只有实现烟气脱硫技术国产化，才能按市场规则选用更多质量优良、价格 合理的脱硫设备，才有资格、有能力对脱硫工程实行总承包，承担全部技术责任，推 动烟气脱硫国产化的进程。目前，国内各发电厂等需要重点脱硫的单位及部门都非常 重视对硬件及硬件环境方面的配备。但对软件的重视程度不够，在软环境上还有待加 强。 北京化工大学硕：1 二学位论文 实际上，对于不同项目工程的烟气脱硫方案，其技术计算以及费用估算的原理都 是一样的，对于设计人员来说每次都要重复同样的工作，这样浪费了时间而且结果又 不直观明了。所以，本课题根据烟气脱硫的原始数据资料，在已有理论知识的基础上， 对以喷淋吸收塔为主体的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统进行稳态模拟，并进行软件 开发，将烟气脱硫工艺形象直观地展示出来，让设计者能够在短时间内了解采用脱硫 方案的大体情况，确定脱硫设备的规模，直观地了解不同工况对脱硫性能的影响。设 计人员根据工艺设计及投资分析可进行总体布置、设计、计算、绘图等，这样就大大 减少重复和繁琐性的工作，提高了设计的工作效率，缩短了设计周期和决策时间，避 免资金、人力和时间的浪费。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 研究现状 到目前为止，各国研究人员已经研究开发了多种二氧化硫控制技术，并应用于实 际工程。据不完全统计，目前全国有3 0 余家脱硫公司先后引进了德国、美国、瑞典、 意大利、奥地利、法国等国家的烟气脱硫技术。在已投运和在建的火电厂烟气脱硫项 目中，拥有自主知识产权项目的总装机容量为9 8 9 7 m w ，占脱硫项目总装机容量的 7 4 。 l 、烟气脱硫技术研究现状 二氧化硫控制技术的研究已有9 0 多年历史，自6 0 年代起，一些工业化国家相继 制定了严格的法规和标准，限制煤炭燃烧过程中的s 0 2 等污染物的排放，这一措施极 大地促进了二氧化硫控制技术的发展。进入7 0 年代以后，二氧化硫控制技术逐渐由 实验室阶段转向应用性阶段。目前，世界各国开发、研制、使用的脱硫工艺多种多样， 达数百种之多。在这些脱硫工艺中，有的技术较为成熟，已经达到工业应用的水平， 有的尚处于试验研究阶段。 按脱硫工艺在生产中所处的位置不同，脱硫技术可分为：燃烧前脱硫、燃烧脱硫 和燃烧后脱硫即烟气脱硫。燃烧前脱硫采用化学、物理或生物方法对煤炭进行脱硫处 理，该方法投资大、成本高，尚未积极推广应用。主要有原煤洗选脱硫技术等。燃烧 中脱硫是在燃烧过程中加入脱硫剂，目前比较成熟的有循环流化床锅炉燃烧脱硫技术 和炉内喷钙技术等。燃烧后脱硫即烟气脱硫( f g d ) ，是锅炉燃烧后尾部烟气脱硫技 术的简称。f g d 是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫技术，如石灰石湿法、旋 转喷雾半干法、海水、电子束烟气脱硫技术等。烟气脱硫是目前世界上控制污染所采 2 第一章绪论 用的主要手段。 在已有的湿法烟气脱硫技术中石灰石石膏湿法占主导地位。湿法烟气脱硫已经 有几十年的商业应用历史，虽然其投资和运行费用较高，占地面积较大，但由于其具 有发展历史长、技术成熟、运行经验积累丰富、可靠性较高、石灰石来源丰富、石膏 可综合利用等特点，已成为国际上应用最广泛、适应性最强的烟气脱硫工艺技术。我 国目前已有几十套脱硫工程项目投入建设，其中绝大部分采用石灰石石膏湿法脱硫 工艺。石灰石石膏湿法脱硫也己成为我国重点推广的一种湿法脱硫方法。 2 、湿法烟气脱硫数学模型研究现状 在以往的研究中u 博】，国外的许多研究人员已经建立了多种湿法烟气脱硫的数 学模型。这些模型包括以下四个速率控制过程：吸收过程，氧化过程，石灰石溶解过 程和石膏结晶过程。这些模型的差别在于建模的复杂程度和模拟的范围，但总体上都 能够估算出实际脱硫系统的整体脱硫效率。目前，国外各研究机构和公司不断地利用 计算机仿真技术、丰富的实际经验和试验设备对流程进行模拟，对脱硫工艺进行改进 和优化，使脱硫装置的综合经济、技术条件达到了最佳。 随着我国对燃煤电厂环境问题的日益重视，国内大批科研人员对石灰石石膏湿 法脱硫系统及相关设备进行了深入的研究，并做了大量的试验。钟秦【1 9 】以气液并流式 填料塔湿法烟气脱硫工艺为研究对象提出了一个包含所有速率控制步骤、反应器和主 要反应组分的湿法烟气脱硫数学模型，并进行了仿真研究。林永l l 羽 2 0 1 对喷淋塔内脱硫 过程采用非稳态传质渗透理论建立了数学模型，针对喷淋脱硫技术不同情况下对脱硫 效率的影响进行了数值计算。胡满银【2 i 】等针对湿式脱硫系统运行的数值模拟做了大量 试验并对试验数据进行了回归分析，通过分析各种影响脱硫效率的因素，得出了关于 脱硫效率的多元回归方程。赵毅、马双忱田】对循环流化床烟气脱硫机理进行了深入研 究。赵酷田】、唐志永等【2 4 】对喷淋吸收塔的内部流场进行了数值模拟，描述了塔的流体 力学特性。于军玲【2 5 】对基于1 2 5 m w 机组湿式石灰石石膏脱硫系统的调试运行状况进 行了数据分析，在针对机理定性分析的基础上，利用辨识方法进行了定量分析。 以上学者的研究成果，为脱硫过程整体仿真提供了知识基础，但同时可以看出， 在国外脱硫领域的数值模拟与仿真技术多用于优化设计【2 6 , 2 7 1 ，研究侧重于过程的微观 特性。国内在脱硫方面的研究工作开展较晚，多以填料塔、板式塔为研究对象，而对 广泛应用的喷淋脱硫塔的研究较少。在仿真方面国内的研究大部分针对湿法烟气脱硫 的某一具体项目工程，很少将湿法烟气脱硫工艺的模拟软件集成化，针对系统的不同 配置缺乏通用性。 3 北京化工大学硕：仁学位论文 1 2 2 存在问题 通过国外先进烟气脱硫技术的国产化加速我国烟气脱硫的进程是必要的，但不是 唯一的选择。在烟气脱硫的发展道路上一直存在误区：我国在技术方面一直采取“从 国外发达国家购买产品，从国外购买引进生产设备，将引进的生产设备进行国产化 的道路。这种一度被认为是提高发展中国家技术水平的正确道路。但是，该模式产生 了一个显著的负效应。它导致发展中国家的技术陷入“引进，引进，再引进 的困境， 技术水平永远落后于发达国家。另一方面，我国的经济状况决定了我国不能照搬国外 发达国家高投入高消耗的烟气脱硫模式。发达国家各自有自己的国情，他们在烟气脱 硫技术道路的选择上有自己的特色。 因此，烟气脱硫国产化设计中存在的主要问题是在设计各阶段中都缺少设计的参 考模型和校核资料。这严重地影响着我国脱硫设计的水平和应用的可靠性。烟气脱硫 国产化的关键在于掌握烟气脱硫的设计技术，只有实现烟气脱硫设计国产化，才能按 市场规则选用更多质量优良、价格合理的国产脱硫设备，推动烟气脱硫国产化的进程。 我国目前仍未掌握烟气脱硫技术的核心技术，引进这些烟气脱硫设备的投资及运 行费用极为昂贵，且不完全适应国情，直接用其成果存在诸多的问题，将会增加f g d 装置的造价和运行成本，不是我国广大燃煤用户所能承受的。另外由于不可能获得软 件背后的数据库，使得经验收集一数据库一工程实践一经验积累一技术升级一实证检 验的技术升级循环无法展开，无法为用户提供长期的升级服务。自行开发又不可能再 走长期积累、大量试验的路，必须另辟蹊径。随着计算机技术的飞速发展，用仿真方 法模拟烟气脱硫过程，从而解决这类设计问题，已成为一个重要发展趋势。 1 3 本文主要研究内容 石灰石石膏湿法脱硫是一种相对成熟、脱硫效率较高的脱硫技术，在我国有着 广泛应用。本文对石灰石石膏湿法烟气脱硫系统从原理和工艺的研究出发，对系统 流程进行稳态模拟，设计并开发以喷淋吸收塔为主体，配套吸收剂制备、石膏脱水、 工艺水、废水排放等系统为辅的工艺计算软件，主要包括物料衡算和能量衡算、设备 尺寸和费用计算等功能。 本文主要完成以下五方面的工作： l 、详细研究了石灰石石膏湿法烟气脱硫原理，介绍了石灰石石膏湿法脱硫的典 型工艺流程和系统的组成。 2 、对石灰石石膏湿法烟气脱硫系统进行稳态流程模拟。在吸收塔型式和整个 f g d 系统总体配置确定的情况下，根据煤质资料或锅炉资料、烟气参数、气象条件、 4 第一章绪论 吸收剂参数、工艺水参数等已知条件，依据石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺原理、反应 方程式和必需的数学模型，确定输入数据与输出数据的等量关系，在满足工程要求脱 硫效率的情况下，根据序贯模块法得到整个f g d 系统中各个物料平衡计算数据，包 括烟气量、氧化空气量、浆液量、工艺水量、滤液水量、废水排放量、吸收剂量、生 成的石膏量等。根据物料平衡的计算结果，进行吸收塔外型设计和主要设备的选型计 算。 3 、由各个消耗指标如脱硫系统电耗、脱硫剂耗量、水耗、人员工资及其它费用 等结合当前的物价及工资标准估算出年运行费用；用模糊快速估价方法，根据贴近度 原理估算出脱硫项目工程的投资费用和运行费用等。 4 、将以上功能集成，应用序贯模块法和面向对象的技术，开发出一套石灰石石 膏湿法烟气脱硫系统模拟计算软件，实现石灰石石膏湿法烟气脱硫系统设计的图形 化和可视化。软件用v b 编写与用户交互的界面，用v c 进行面向对象设计并编写成 动态连接库，v b 调用动态连接库的计算程序。软件选用s q ls o l v e r 作为数据库服务器， 将相关的项目工程信息及经验参数保存于数据库中。 5 、结合工程实例，对软件进行多组数据的测试，对已运行项目工程的烟气脱硫 方案进行工艺计算，并将计算结果与实际设计结果相比较，验证系统的可靠性和有效 性。 5 第二章化工流程模拟系统概述 第二章化工流程模拟系统概述 化工流程模拟是将一个由许多单元过程组成的化工流程用数学模型表现。用计算 机求解描述整个化工生产过程的数学模型，得到有关化工过程性能的信息。它利用计 算机高超的能力求解化工过程的数学模型，以模拟化工过程的性能，经过多年的发展 已成为一种普遍采用的常规手段，广泛应用于化工过程的研究开发、设计、生产操作 的控制与优化，操作工的培训和老厂技术改造等。 2 1 化工流程模拟系统的构成 化工流程模拟系统由系统模型、物性数据和解算方法三部分组成，它们被称之为 模拟三要素c 2 8 - s o l 。 1 、系统模型 系统模型即描述化工系统性能的数学模型，不仅包括组成系统的各个单元的模 型，而且还包括能对系统结构给予明确表述的部分。数学模型是流程模拟的基本依据， 模拟结果的可靠性与准确程度和数学模型有极大的关系。通常数学模型是一组代数方 程或微分方程，是实际过程系统在数学本质上的抽象。数学模型由过程的本质决定， 要准确定量地对过程进行描述，重要的是要根据有关的基本定律，对过程进行分析， 按照模拟的要求，建立相应的模型。数学模型建立过程中要依据质量守恒定律、能量 守恒定律、传递速率方程、状态方程、相平衡方程及化学反应动力学等基本定律。 2 、物性数据 用于流程模拟的物性数据t s l , s 2 1 - f f 分为两类：热力学物性数据和传递过程物性数 据。前者反映了过程在平衡方面的特性，后者反映了过程在速率方面的特性。流程模 拟的质量在相当程度上依赖于物性数据的准确和可靠，在流程模拟的有关计算中，调 用有关物性数据模块进行物性数据估算的次数和占用计算量的比例也十分庞大。因 此，向流程模拟提供可靠、有效的物性数据受到高度的重视，从计算机存储、管理、 加工数据的角度看，提供物性支持的方式经历了无管理、文件系统管理和数据库系统 三个阶段。目前，许多化工模拟系统都装备有自己的数据库，以供用户使用。 3 、求解方法 化工过程系统的数学模型除了在较简单的情况下可能只有线性方程组成外，多数 7 北京化工大学硕：卜学位论文 含有非线性方程，属于非线性代数方程组。对于复杂的方程或方程组，解析解的求取 非常困难或不可能实现，因此非线性代数方程组的数值解法，就成为化工流程模拟解 算必须首先掌握的一种十分重要的基本方法。对非线性方程组，常用的数值解法有直 接迭代法、牛顿一拉夫森迭代法、韦格施坦法、割线法、布洛伊顿法、拟牛顿法、最 b - - 乘法等，对微分方程组，常用的数值解法有显式欧拉法、隐式欧拉法、龙格库塔 法等。 2 2 化工流程的基本模拟方法 化工流程的稳态模拟，目前有三种典型的模拟计算方法，即序贯模块法、联立方 程法及联立模块法。 l 、序贯模块法【”3 4 】 序贯模块法一直是最常用的流程模拟算法，特别是在工程应用方面。序贯模块法 的设计思想是从软件的组织结构上模拟实际流程，其基本思路是从系统入口物流开 始，经过接受该物流的单元模块计算得到输出流股变量，依次逐级进行计算，经过过 程系统的各个单元，最终达到系统的输出流，从而可以解得系统中所有流股的变量值。 对于单元模块而言，信息的流动方向是固定的，只能根据模块的输入流股信息计算输 出流股信息。若有再循环流存在，则需要切断再循环流股，确定断裂的流股集与运算 顺序，然后给定全部设备参数向量，依据排定的顺序逐个单元进行模拟计算，各单元 的输出流股向量就作为下一个单元模块的输入，逐个单元计算并迭代使各断裂的流股 收敛。 序贯模块法在模块的结构和功能方面模拟了实际装置的结构功能，模块之间的信 息传递、上下游关系与实际对应，这些模块是由数学模型与解算方法集成而来。序贯 模块法的优点是： ( 1 ) 模块间的信息流与装置流程中的物流或能流互相对应，易被人们接受。序 贯模块法对各单元设备的数学模型独立解算，单元模块的输入、输出对应实际单元设 备的输入、输出，数学模型反映着实际设备的功能结构，各单元模块算法之间的联系 也反映单元设备之间的联系，整个流程的系统结构得到了充分的体现。根据实际设备 输入输出之间关系调整模块的组合结构和模块间信息传输特性，调试方便，当计算出 现错误时，便于进行诊断。 ( 2 ) 模块间计算相互独立，可以用不同的计算方法以保证每个模块计算精度和 数值解的稳定性。流程模拟有时只是针对某个单元设备而非整个流程，复杂程度不同 的单元对模拟的要求也不同，精度和速度限制不一样。序贯模块法提供单元模块的解 8 第二章化工流程模拟系统概述 算方法，比起提供整个流程算法的方式应用灵活。 ( 3 ) 对于通用模块，可以重复调用，提高了计算效率。化工流程可分解成为有 限的单元操作或化学反应，不同工艺流程的同一种单元操作有共同的基本原理和通用 的典型设备，开发新流程模型时就只需设计其中新模块的算法，实现了算法模块的重 用和充分的信息共享，极大地节省了空间。 ( 4 ) 序贯模块法分解大型方程组为小型方程组或单个方程求解，避免了求解大 型非线性方程组的数学难题，解算容易、快速。 其缺点是再循环引起的收敛迭代及进行设计型计算和解决过程优化问题时很费 机时，影响其计算效率，不宜用于最优化计算。 2 、联立方程、法【 j 联立方程法法，指的是对列出的一个作为整个复杂化工系统模型的庞大方程组， 直接进行联立求解的方法。描述某一化工流程的所有方程同时求解，同步收敛，将不 存在嵌套迭代问题。其优点是可以根据问题的要求灵活地确定输入输出变量，不受实 际物流和流程结构的影响。对简单的问题解算过程系统模型快速有效，对设计约束问 题和优化问题灵活方便，效率较高，便于与动态模拟联合实现。 但是该方法的通用化比较困难，收敛性依赖于初值，不能确保大型非线性代数方 程组有解，一旦出错很难找到错误所在，以往累积的大量通用单元操作模块难以继承 下来。 3 、联立模块法 考虑到序贯模块法和联立方程法各有优缺点，人们把上述两种方法的优点结合起 来，发展了联立模块法。联立模块法是将流程模拟分成模块水平的计算和流程水平的 计算两个层次。一方面流程中的每个单元都选取一个常规的单元模块，整个流程有一 个由常规模型模块组成的严格模型；另一方面为每个单元提供一个简化的模型，简化 模块连同单元问物流联系方程一起，形成整个流程的一个简化模型。该方法的基本思 想既能继承序贯模块法多年来积累的大量模块，又可将其最费计算时间的流程收敛和 设计约束收敛迭代循环圈合并，通过联立求解达到同时收敛。联立模块法具有很好的 发展前景，但还需做大量的工作，以扩大它的使用范围。 2 3 化工流程模拟步骤 对于化工流程的基本模拟方法，目前多采用序贯模块法。根据序贯模块法，化工 流程模拟步骤如下【3 6 1 ： 9 北京化工大学硕+ 学位论文 1 、认识系统 研究一个系统首先要分析系统，将系统分解，确定每个系统之间的相互关系及特 征变量的数目，根据特征变量将子系统进行分类。 2 、绘制系统信息流图 按照实际系统绘制出该系统的信息流图，并注明特征变量、控制变量及控制回路。 3 、子系统划分 依据系统信息流图将整个系统划分为相对独立的子系统，划分的标准是以主要设 备为边界。 4 、子系统建模 在对各个子系统进行数学模型描述的基础上，对流程中每一个类型单元过程建立 相应的数学模型。通过模型给出输人流股变量和输出流股变量之间的关系。这些关系 是单元结构和操作工艺参数的函数。 常见的建模方法有机理建模、辨识建模和混合建模。机理建模得到的模型精度高、 适用范围广，但建模难度较大；在过程机理不太清楚的情况下，只有采用辨识建模来 确定经验关系式，但过分依赖数据样本使得辨识建模所建立的模型在本质的确定性方 面得不到足够的保障；把机理建模、辨识建模结合起来称为混合建模。把机理建模的 高精度与辨识建模的快速结合起来，是适用于当今化工领域的一个主要方法。 无论什么建模方法，一个单元过程的数学模拟都必须遵循以下客观规律：质量 守恒定律；能量守恒定律；动量守恒定律；相平衡规律。通常采用以下基础关 系式：( 单位时间进入量) - e ( 单位时间流出量) + ( 时间净产生量) = 单位时间 累积量。 5 、系统整合 将各个子系统模型按照其内在关系进行结合。各个子系统通过中间变量关系式的 联接，构成整个系统的数学模型。 6 、模型的简化 所建模型有变化较快的过程，根据仿真的要求可忽略其动态过程；根据仿真的精 度以及计算时间要求，可将分布参数方程简化或高阶微分方程降阶等处理。 7 、模型的检验与修改 对已建的模型需进行一致性检验、合理性检查等，必要时还需进行修改或重建。 2 4 稳态流程模拟 根据模拟对象所要求的特性与时间的关系，化工流程模拟可分为稳态流程模拟和 动态流程模拟。稳态模拟是在装置的所有工艺条件都不随时间而变化的情况下进行的 l o 第二章化工流程模拟系统概述 模拟，而动态模拟是用来预测当某个干扰出现时，系统的各工艺参数如何随时间而变 化。本论文是对石灰石石膏烟气脱硫系统进行稳态模拟。 化工过程稳态模拟又称静态模拟或离线模拟。稳态流程模拟是化工过程流程模拟 研究中开发得最早、应用最为普遍和发展得比较成熟的一种重要技术。稳态模拟的目 的就是用适宜的系统数学模型来预测过程的稳态性能。它包括物料衡算和能量衡算、 设备尺寸和费用计算以及过程的技术经济评价。它根据化工过程的稳态数据，诸如物 料的压力、温度、流量、组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定 的设备参数，用计算机模拟实际的稳态生产过程，得出详细的物料平衡和热量平衡， 包括原材料消耗、公用工程消耗和产品、副产品的产量和质量等重要数据。简单地讲， 化工过程模拟就是在计算机上再现实际的生产过程，过程并不涉及到实际装置的任何 管线、设备以及能源的变动，化工模拟人员就可以在计算机上进行不同方案和工艺条 件的探讨、分析。化工过程稳态模拟已成为研究、开发、设计、改造、节能增效、生 产指导以至于企业管理等工作必不可少的工具，并且在科研和实际生产中发挥着愈来 愈大的作用。 化工过程稳态模拟的应用十分广泛，其主要应用场合及功能如下p 7 j ： l 、新装置设计。化工装置的设计都要采用过程模拟来求得整个装置的物料平衡 和能量平衡。过程模拟已经可以提供十分准确的数据，模拟的结果可以直接用于某些 工业装置的设计。 2 、旧装置的改造。化工稳态过程模拟已成为旧装置改造必不可少的工具。由于 旧装置的改造既涉及到已有设备的利用，又可能增添必须的新设备，其设计计算往往 比新装置设计还要繁复。原有设备是否仍旧适应，能否在原基础上改造还是必须更新 等问题均在过程模拟基础上得到满意的解决。 3 、新工艺、新流程的开发研究。随着过程模拟技术的不断发展，新工艺新流程 的开发研究已逐渐由主要依靠不同规模的小试、中试转变为完全或部分利用模拟技 术，只在必要时辅以个别的试验研究。 4 、生产调优、疑难问题诊断。在生产装置调优、疑难问题诊断上，过程模拟更 是起着不可替代的作用。通过流程模拟，寻求最佳工艺条件，从而达到节能、降耗、 增效的例子已经比比皆是。更有通过全系统的总体调优，以经济效益为目标函数，求 得关键工艺参数的最佳匹配，并革新了传统的观念。 5 、动态模拟、实时优化的基础。过程模拟技术当前已发展到动态模拟和实时优 化，而这两者的基础均是稳态过程模拟。只有在稳态模拟的数值解基础上，才能运行 动态模拟和实时优化，尤其对于复杂的装置更是如此。 北京化工大学硕：卜学位论文 2 5 本章小结 本章研究了化工流程模拟系统的构成，比较分析了化工流程模拟的三种计算方 法。在这三种方法中，序贯模块法是最常用的流程模拟算法，其设计思想更适合从软 件的组织结构上模拟实际流程，因此本文选择序贯模块法对湿法脱硫系统进行稳态模 拟。 1 2 第三章石灰石堵膏湿法烟气脱硫技术 3 1 工艺流程 第三章石灰石石膏湿法烟气脱硫技术 石灰石石膏湿法烟气脱硫系统是一个完整的工艺系统，典型石灰石石膏湿法烟 气脱硫装黄由工艺系统、集散控制系统、电气系统三个分系统组成【”j q 。工艺系统又 由5 个子系统构成：由石灰石粉仓和石灰石研磨及测量站构成的石灰石浆制各系统； 由增压风机、回转式气气换热器和烟气挡板门等构成的烟气系统；由吸收塔、除雾 器、循环浆泵和氧化风机等设备组成的二氧化硫吸收系统；由水力旋流分离器、皮带 过滤机和废水旋流站等组成的石膏脱水和处理系统；由工艺水和压缩空气系统构成的 f g d 公用系统。 循i 裹水箱 图3 - 1 石灰7 订石青泣法烟气脱硫j 艺流鞋倒 f i g , 3 - 1 1 1 l e f l o w c h a r t o f t h e l i m 髓t o n c g y p 3 m n w e t f l u c g d 鹳u l f u d z a t i o n t e c h n o l o g y 实际运用的脱硫装置的范嗣根据工程具体情况有所差异，典型的工艺流程如图 3 - 1 所示。用石灰石浆液吸收s 0 2 的反应主要发生在吸收塔内。s 0 2 的脱除步骤分为： 向吸收塔底部的浆液池中加入新鲜的石灰石浆液；石灰石浆液从塔的上部喷入，并在 北京化工大学硕： ：学位论文 塔内与s 0 2 发生物理吸收和化学反应，最终生成亚硫酸钙；亚硫酸钙在浆液池中被强 制氧化成二水硫酸钙( 石膏) ；将二水硫酸钙从浆液池排出，通过水力旋流器、石膏 脱水机，最终分离出含水率小于1 0 的石膏。 3 2 吸收机理 石灰石石膏湿法烟气脱硫原理是利用石灰石溶液吸收烟气中的s 0 2 气体，从而 达到脱除的烟气中s 0 2 的目的，该过程是在吸收塔内完成的。s 0 2 的吸收是包括气液 传质和化学反应的复杂的物理化学过程。脱硫效率不仅与气液平衡有关还与化学平衡 有关。整个湿法脱硫的吸收过程包括气液平衡、传质过程和伴有化学反应的吸收过程。 3 2 1 气液平衡 吸收过程的气液相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分在两相中 的浓度关系，即气体吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。 在溶质a 与溶剂接触、溶解的过程中，伴有溶液中溶质浓度q 逐渐增大，传质 速率将逐渐减少，最后降低到零。这时c a 达到了该条件下的最大浓度c 二，达到平衡， c 称为平衡溶解度，简称溶解度。 溶解度是系统温度、总压和气相组成的函数。总压在几个大气压的范围内对溶解 度的影响可以忽略，但温度对气体溶解度有较大影响，一般是温度升高，溶解度下降。 当温度一定时，溶解度只是气相组成的函数，可以写成： c = 厂( 只) ( 3 1 ) 式中：尸广组分a 在气相中的分压。 若以组分a 在液相中的浓度为自变量，则 巧= ( c a ) ( 3 2 ) 稀溶液的平衡关系可用通过原点的直线表示，即气液两相的浓度成j 下比例，这一 关系即为亨利定律。平衡时溶液在气相的平衡分压p 可表示为： p = e x ( 3 3 ) 式中：埘吸收组分在液相中的摩尔分数； e r _ 亨利常数，p a 。 1 4 第三章石灰石石膏湿法烟气脱硫技术 3 2 2 传质过程 在湿法烟气脱硫中，s 0 2 是从气相传递到液相的相间传质过程。对于吸收机理可 以用双模模型进行描述。该模型不仅可用于物理吸收，也适用于气液相反应。模型把 吸收过程简化为气膜和液膜的分子扩散，通过此两层膜的分子扩散阻力就是吸收过程 的总阻力。在气液界面上气液两相达到平衡并遵循亨利定律。下面将结合s 0 2 的吸收 过程来解释双膜理论基本要点。 气体吸收的双膜模型理论的要点是： l 、气液两相接触时存在一个相界面，在两相界面两侧各存在着一层稳定的层流 薄膜，分别称为气膜和液膜。即使当气液两相的主体呈湍流时，这两层膜内仍呈层流； 2 、被吸收组分从气相转入液相的过程中依次分为五步：靠湍流扩散从气相主体 到达气膜表面；靠分子扩散通过气膜到达两相界面；在两相界面上溶质被吸收，气相 进入液相；进入液相的溶质靠分子扩散从两相界面通过液膜；溶质经湍流扩散从液膜 扩散至液相主体； 3 、在气液两相主体中，由于液体的充分湍流而不存在浓度梯度，即被吸收组分 在两相主体中的扩散阻力忽略不计； 4 、无论气液两相主体是否达到平衡，但在相界面处，被吸收组分在两相间达到 平衡，即认为相界面处没有任何传质阻力。 根据双膜模型可以认为，尽管气、液两膜均极薄，但传质阻力仍集中在这两个膜 层中，即s 0 2 吸收过程的传质总阻力可以简化为仅有两层薄膜组成的扩散阻力。换句 话说，气液两相间的传质速率取决于通过气液两膜的分子扩散速率，亦即s 0 2 脱除速 率受s 0 2 在气液两膜中的分子扩散速率的控制。 应用上述双模理论，可以用式( 3 - 4 ) 描述吸收塔的性能，即 删乩2 等( 3 4 )l g q ， 式中：删( n u m b e ro f t r a n s f e ru n i t s ) 传质单元数，无量纲； 一入口s 0 2 摩尔分率，； y d 。厂出口s 0 2 摩尔分率，； 髟一气液平均总传质系数，k g m - 2 s - 1 ； a 传质界面总面积，m 2 ； 嘲气总质量流量，k g r 1 。 上式适用于溶解在洗涤液中的气体不产生阻滞而影响进一步吸收的过程。当洗涤 液由于吸收了气体产生蒸汽压时，则要考虑被吸收气体产生的平均分压。对大多数石 灰石湿法f g d 装置来说，由于吸收液上方s 0 2 的平衡分压较之入口和出口s 0 2 浓度 1 5 北京化工大学硕士学位论文 小的多，因此上式基本是正确的。 s 0 2 脱除效率( 1 1 s 0 2 ) 与n t u 的关系为： 唧= i n ( 圪艺埘) = 一t n ( 7 0 t l t ) = 一l i l ( 1 一移鼢) ( 3 - 5 ) 总传质系数k 可以用吸收气体通过气膜和液膜的传质分吸收疋和局来表示，即 l 1 日 一一一上一 k k 。k 矽( 3 6 ) 式中：k 厂气膜传质系数，k g m - 2 s - 1 ； 硒一液膜传质系数，k g m - a s - 1 ； q 卜液膜增强系数，m 2 f 1 ； 月r _ 脱硫塔浆液亨利系数，m 2 s - l 。 k 、局是s 0 2 扩散系数和一些影响膜厚的物理变量，如液滴大小、气液相对流速 等的函数。液膜增强系数受浆液成份或碱度的影响，提高液体的碱度，莎值增大。 因此，可以通过提高气液之间的接触效果，例如加剧气液之间的扰动来降低液膜厚度， 或通过提高浆液的碱度提高k 值( 即s 0 2 吸收速率) 。 对于石灰石湿法f g d 工艺，由于c a c 0 3 极难溶于水，为提高c a c 0 3 的溶解度， 液相为弱酸性，因此咖值很小，液膜的扩散不能忽略。实际上，除了上述的气液界 面外，还存在液一固界面，在非常复杂的气液固三相反应过程中，c a c 0 3 的溶解速度 的增大将使液体的碱度增大，使s 0 2 扩散液膜增强系数咖随之增大，增强了s 0 2 的吸 收过程。 3 2 3 反应原理 湿式石灰石石膏法烟气脱硫过程：从锅炉出来的烟气，经换热器换热后进入吸 收塔，烟气中的s 0 2 与塔中喷淋的石灰石浆液反应而被除去，净化的烟气经换热器换 热后，由烟囱排出，吸收液进入浆池中，被强制氧化成石膏应用。由于在吸收塔内进 行的化学反应非常复杂，至今还不完全清楚具体的化学反应过程，主要发生如下反应： 1 、吸收：在水中，气相s 0 2 被吸收并经过下列反