6 氨逃逸控制说明书

氨逃逸控制说明书山西武乡21000MW火力发电机组氨法烟气脱硫设计团队：闵行F5小组成员：冯一峰 陈加航 方颖 路会超 王卫秦设计单位：上海交通大学设计时间：2017年7月 氨逃逸控制说明书目标： 在完成烟气脱硫流程的模拟后，我们发现所排放的尾气中氨气的含量不合格。国家规定的排放尾气中氨气含量为10mg/cum，我们预期目标是排放尾气中氨气含量达到小于1mg/cum。 我们模拟的结果显示尾气排放量在3000000cum/h略往上。故此我们的目标是氨气的排放量在3kg/h以下。最初模拟： 最初的模拟流程如下： 最初的模拟结果如下（OUT为尾气排放）： 由图可知，氨气排放量为2404.23kg/h，大大超出了排放标准。 故此，为了使氨气排放量大大降低，我们增加了水吸收氨塔。用ASPEN中的RadFrac（ABSBR）模块模拟吸收塔，在塔顶端通入水，尾气由塔釜通入，吸收后上部为排放尾气，下部为吸收氨气和部分二氧化硫后形成的亚硫酸铵及亚硫酸氢铵。 改进-氨气吸收塔的引入 改进1-氨气吸收塔： 模拟流程如下： 其中氨气吸收塔设计如下： 在完成设备设计后，我们通过调参对氨气排放量进行了最优化处理，最终结果如下： 氧气（O2）kmol/h氨水中氨（NH3）kmol/h氨水中水（H2O）kmol/h氨吸收塔中水（H2O）kmol/h氨排放量kg/h1133613718020002.828 （1为尾气排放,2为吸收塔塔釜排液） 由图可知，氨气排放量为2.828kg/h，满足预定目标值；但是氨吸收后塔釜排液中含有部分亚硫酸铵及亚硫酸氢铵，若做废液处理会造成原料浪费。而我们发现塔釜排液的组成与SO2吸收塔塔釜液组成相近，故我们决定对氨气吸收塔的塔釜排液进行循环。氨气吸收量影响因素及定性分析 在循环模拟之前，我们通过第一次改进过程中的发现对影响氨气吸收量的因素进行了分析，发现影响因素主要有：（1）氨气吸收塔顶通入的水量反应器中通入氧气的量；（2）反应器中通入氧气的量；（3）用于吸收二氧化硫的氨气和水的量； 通过控制变量法，我们对各因素对氨气吸收量的影响做了定性分析，结果如下：（1）氨吸收塔中通入水量越多，吸收效果越好，即排放尾气中氨气含量越低。但是通入水量存在上下阙值，即水量过高或者过低会出错；（2）反应器中通入氧气的量越少，氨气排放量越低。同样氧气含量存在下阙值；（3）通入的氨水中氨气和水的量均会对氨气排放值造成影响，其中水越多，氨气排放值越低；通入的反应气氨气的量越低，氨气排放量越低；且通入氨气量所产生的影响较水量产生的影响更加敏感。同样的，水和氨气的量均存在阙值； 同时，在对比实验过程中，我们还发现了各参数之间的阙值存在联系：（1）氧气的下阙值与氨吸收塔通入的水量有关，水量越多，氧气下阙值越低；（2）氨水中氨气和水对氨气排放量的影响相反，水量降低，氨气的下阙值会降低。故虽然水量降低会是氨气排放量下降，但其允许的更低通入氨气量可以使氨气排放量有一个更大的降低，故调节参数时，按照将通入氨气和水的量按一定比例降低，可以有效降低氨气排放量；注：以上所说各参数对氨气排放量的影响以及各参数之间的关系在以下所说的模拟中也均适用，且所有模拟过程中二氧化硫排放均达标且最终产物硫酸铵的产量变化不大。 改进2-回流+酸洗： 对氨气吸收塔塔釜液进行循环后，流程如下： 通过调参，我们无法得到正确且符合要求的模拟结果，我们能做到的是将氨气排放量降到468kg/h，显然这是不够的。 我们认为是因为氨吸收塔的吸收效果不够好，所以氨气排放量过大。故此，我们对氨气吸收塔中通入的水中加入少量硫酸来增加氨气吸收塔的吸收效果。 有前一次吸收结果出发，尾气中的468kg/h的氨气即27.53kmol/h，对应硫酸量为13.76kmol/h。我们以此为出发点，对以上所说的影响因素及硫酸含量进行调节，同时将流股S5作为撕裂流，进行赋初值，最终结果如下：氧气（O2）kmol/h氨水中氨（NH3）kmol/h氨水中水（H2O）kmol/h氨吸收塔中水（H2O）kmol/h硫酸（H2SO4）kmol/h氨排放量kg/h113361371802000102.828 由图可知，氨气排放量为134.068kg/h，依旧不符合要求，尝试酸洗改进失败。 改进3-设想：反应器引入 循环试验的失败让我们产生了放弃循环的想法，既然按照改进1及2的设想，氨气吸收塔塔釜液与流入反应器的流股S5成分相近，为什么不在氨气吸收后直接在加一个小型反应器对其中的亚硫酸铵进行氧化。 由于塔釜液气流量为流股S5的十分之一，故所需反应器约为原反应器的十分之一左右，通入氧气的量为100kmol/h左右，以此为出发点，对新反应器的氧气量及反应器大小进行调节，当反应器大小为20-25cum，氧气量为110-120kmol/h时，可以将塔釜液中亚硫酸铵大部分氧化为硫酸铵产品。 但是，这一设想存在投入与产出的经济性分析，为了约2kmol/h的硫酸铵产品，是否值得在引入一个新的反应器。故此，我们将该改进方法待定。 改进4-回流+水洗 因为在之前做回流加水洗的过程中我们并没有设定撕裂流，而在后面的回流加酸洗的过程中我们学习并运用了撕裂流设定，故我们抱着试一试的想法回到了最初的回流加水洗改进方案来。 流程与改进2中流程相同，设S8流股为撕裂流， 氧气（O2）kmol/h氨水中氨（NH3）kmol/h氨水中水（H2O）kmol/h氨吸收塔中水（H2O）kmol/h氨排放量kg/h1057600494515242.291 由图可知，氨气排放量为2.291kg/h，符合氨气排放标准。 最终结果 经过4次设想和模拟，我们最终通过水洗氨吸收塔以及循环将模拟结果达到我们满意的结果。 模拟结果显示我们流程的尾气排放总量为3067490cum/h，其中氨气排放量为2.291kg/h，计算得2.291/3.06749=0.746mg/cum，低于预期值1mg/cum，远远低于国家排放标10mg/cum。 之后的模拟（如分离模块的加入，换热器的加入等）以及参数矫正使最终尾气中氨气排放量为0.174mg/cum，二氧化硫排放量约为0，故此实现超净排放。 最终尾气组分如下： 氨气吸收量影响因素的定量分析 通过前几次模拟，我们发现氨气排放量和其影响因素之间存在某种定量关系。 设氧气量为O（kmol/h）；氨水中氨气量为N（kmol/h），水量为Hx（kmol/h）；氨吸收塔中水量为Hy（kmol/h）；目标函数氨气排放量为F（kg/h）。 实验得到：（设因变量均取整数） （1）Hy增大1，F会减小0.6，呈线性变化； （2）当O1064时，O减小1，F会减小3.1；当1059O1064时，O减小1，F会减小2.9；当O1064时，线性斜率递减；当O=1057时，F=2.291；当O=1056时，出错；当O=1055时，F约为0，但是尾气中SO2含量由0突变为10.335。故综合考虑O最低取到1057； （3）由氨水中氨N和水Hx对氨气排放量F的影响关系，实验得当N：Hx=1:5递减时，效果最优：若比例过大，即氨气量减小过快，会出错；比例过小，即水量减小过快，效果不最优。N减小1，F减小14；同时实验得到N最小为600，对应Hx为4945。 （4）设氧气下阙值为OM，OM与Hy亦存在一定关系（非线性）。 具化分析 目标1： 我们先通过控制变量法研究单一变量对目标值（出口氨气浓度）的具体函数关系；再通过不同种变量同时变化研究个变量对目标值的影响程度，即各变量之间的函数关系。 为了简化推导过程，我们选择减少变量数目的方法。之前提到氨水中氨和水的量按1:5的比例共同变化利于目标值的最优化，故我们假设这两个变量存在默认关系，将初值N=600，Hx=4945代入，则有Hx=1945+5N。 简化后目标值仅为氧气量O，氨水中氨气量N，氨吸收塔中水量Hy的函数。 我们想通过以上方法推导出氨气出口浓度与相关变量之间的函数关系。 步骤1： 我们先通过利用Aspen软件的模拟功能，通过控制变量法对单个变量与出口氨气的关系做了Oringin图，使他们的关系更加具体准确。 分别是（图中出口氨气单位为kg/h；其余变量单位均为kmol/h）： （1）出口氨气F与氨水中氨气的浓度N的关系（O=1057，Hy=1524）：变化率为13.89； （2）出口氨气F与氧气量O的关系（N=600，Hy=1524）：变化率为3.05； （3）出口氨气F与氨吸收塔中水量Hy的关系（O=1068，N=600）：变化率为-0.59； 合理推断：F=f（C1-0.59Hy，C2+3.05O，C3+13.89N）图分别如下： 步骤2： （1）O和N同时变化，模拟计算对应的出口氨气浓度F变化： 由上图前5组数据可知O和N对F的影响相互独立，第六组数据为验算证明两变量相互独立：O=1065，N=610时，理论值为F=2.291+3.05*8+13.89*10=165.591，与实际值164.579相近，得证。 故上述函数关系式可以变为： F=f（C1-0.59Hy，C2+3.05O+13.89N） （2）Hy和N同时变化，模拟计算对应的出口氨气浓度F变化： 由上图前5组数据可知Hy和N对F的影响相互独立，第六组数据为验算证明两变量相互独立：N=610，Hy=1510时，理论值F=34.3+13.89*10+（-0.59）*（-14）=181.46，与实际值182.941相近，得证。 故上述函数关系式可以变为： F=C-0.59Hy+3.05O+13.89N 由