一种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建模方法，它通过研究分析不同烟气脱硫系统中脱硫塔的工艺设计与反应过程，建立了湿氨法和石灰石?石膏湿法烟气脱硫塔动态特性通用数学模型。脱硫塔模型中对这两种脱硫方法的仿真可简易切换、独立运行，满足对不同脱硫工艺的仿真需求，相比单一方法脱硫模型更具实用性。与现有技术相比，本发明采用基于控制体的模块化建模方法，模拟脱硫塔动态运行全过程，计算控制体内温度、压力、pH值、SO2浓度、脱硫率等动态参数。本发明以热力发电厂脱硫塔为仿真对象，对模型进行了多次动态仿真试验，仿真运行结果正确模拟对象的动态特性，证明了模型的正确性、通用性，该模型可用于湿法脱硫系统的仿真开发。
【专利说明】
一种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建模方法
技术领域
[0001] 本发明属于仿真建模技术领域，具体涉及一种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建 模方法。
【背景技术】
[0002] 随着现今大气污染日趋严重，环境保护概念已经深入人心。国家对大气污染治理 力度不断加大，特别是对燃煤电厂污染物排放提出了严格的要求。电力行业是燃煤主体，由 于燃煤而产生的煤烟型污染仍是我国二氧化硫、氮氧化物和粉尘产生的第一大污染源，燃 煤电站仍然是脱硫的重点和领军行业。现在的火电机组普遍安装脱硫系统，以满足国家对 火电机组的S0 2排放标准的要求。脱硫塔作为整个脱硫系统运行过程中最为重要的吸收装 置，它的运行状态正常与否直接影响脱硫系统出口 so2浓度能否达标。为此需研究其动态特 性及其影响因素，而通过建立数学模型实现数值仿真的方法，对于分析其运行特性及其影 响因素，提高脱硫效率和经济性、提高运行人员操作水平和处理异常工况的能力，有其独特 优越性。
[0003] 脱硫塔作为整个脱硫系统的不可缺少、最重要的运行装置，脱硫塔的动态建模是 完成整个脱硫系统仿真的重要工作之一。脱硫塔由于结构复杂，内部物质反应较多，脱硫塔 内物质两相流动无序，建立脱硫塔的动态特性仿真通用化模型较为困难。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建模方法， 以解决现有技术存在的建立脱硫塔的动态特性仿真通用化模型较为困难的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0006] 为实现所建模型对脱硫塔动态特性的正确模拟，需要对脱硫塔的结构、内部气液 两相流动、传热传质和吸收反应过程等进行建模。为此，在模块设计过程中，需要充分考虑 脱硫塔结构参数、气液流动、传质传热、运行环境等因素的差异性及其对运行特性的影响， 以便于能够设计合理的模型边界条件和影响因素比较全面的数学模型，以实现模型的仿真 通用化。
[0007 ]脱硫塔从上到下不同高度的内部结构、流体物性、流动、传热传质、组分浓度、反应 机理等存在明显的差异，针对这种结构和运行特点，脱硫塔模块采用分段建模，分段的作用 一是实现对脱硫塔从上而下各段内参数计算，可获得脱硫塔动态运行过程中不同部位的运 行参数;二是满足通用化设计，各个分段内可以修改模型内结构参数以及加入工质接口实 现不同部位的可能的工质流入或流出。
[0008] -种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建模方法，它包括如下步骤：
[0009] 步骤1:根据脱硫塔内结构和运行特点，对脱硫塔进行分段建模；
[0010]步骤2:计算各分段内物质生成或消耗的速率，以及能量吸收或放出的速率；
[0011]步骤3:计算脱硫塔内烟气侧和吸收液侧的温度的温度，以及烟气侧和吸收液侧的 压力；
[0012] 步骤4:计算脱硫塔整体对外散热量。
[0013] 其中，烟气侧是指从烟气进入脱硫塔到排出的整个烟气流程，吸收液侧是指吸收 液从喷淋装置喷出进入脱硫塔到流动至脱硫塔底部液面的整个流程;烟气和吸收液在各自 的流程中接触时发生反应，不接触时独立流动，这样设计方便计算。
[0014] 步骤1中，所述的分段是指将脱硫塔从上至下分为四段，包括:净烟气排除段、除雾 器及喷淋装置设计段、气液两相流动及化学主反应段、以及原烟气入口段和反应物循环、氧 化及排出段。
[0015] 步骤2中，计算各分段内物质的生成或消耗的速率的公式如下：
(1);
[0017]其中，式（1)中，下标i表示一种物质;下标j表示物质所在区段;表示j区段段内 该物质组分的质量，Mri表示物质i的摩尔质量;Q表示该区段内总物料的体积流量，C表示该 区段内总物料中，该物质组分的浓度;cU表示计算时间步长;Rreacty表示该组分i在区段j 内反应生成或消耗的速率;L1U表示在区段j内水的蒸发速率，L1U中下标i表示气相中水分 时加入Li, j项。
[0018] 其中，L1U计算时表示水分的生成或消耗，但水存在两种形态:气相和液相;气相存 在于烟气侧，液相存在于吸收液侧。在此公式中，如果i表示气相中水分时即表示烟气侧中 含有的气态水分时加入公式中计算，其他情况此项等于零，相当于不计算。
[0019] =步骤2中，计算各分段内能量的吸收或放出的速率的公式如下：
[0021] 其中，式(2)中，下标i表示一种物质；下标j表示物质所在区段;H表示该段内该物 质组分的能量，W表示该区段内该物质组分的质量流量;hi, j表示在区段j内物质i的比：!：含； Rreactlu表示该组分i在区段j内反应生成或消耗的速率;L1U表示在区段j内水的蒸发速 率，Li, j中下标i表不气相中水分时加入Li, j项;Ei, j表不在区段」内物质i的反应生成热;Cp表 示物质定压比热容;r表示水的汽化潜热，aD表示区段间的接触面积；At表示该区段内的液 滴蒸发温差，谦示在区段j内物质i的换热系数;L表示区段j内的平均温度。
[0022] 在本模型中，各段间的接触面积被设置成相同，但也可以设置为跟据j的变化而变 化。
[0023]步骤3中，计算脱硫塔内烟气侧和吸收液侧的压力的公式为：
(3); (4);
[0026] 其中，式(3)和(4)中，M表示该侧物质的质量，cU表示计算时间步长;下标g表示烟 气侧参数，下标1表示吸收液侧参数;下标in和out分别表示进口和出口参数;L water表示表示 吸收液侧水分蒸发的质量流量，Wair表示氧化空气质量流量，Win?表示补充的新鲜吸收工质 流量，Wfw表示工艺水流量。
[0027] 步骤3中，计算脱硫塔内烟气侧和吸收液侧的温度的公式为：
(5)； (6),
[0030]其中，式(5)和(6)中，H表示该侧物质的能量，ch表示计算时间步长;下标air表示 氧化空气，下标g表示烟气侧参数，下标1表示吸收液侧参数;t表示温度LwatCT表示表示吸收 液侧水分蒸发的质量流量;W表示质量流量;下标in和out分别表示进口和出口参数;下标fw 表示工艺水;Cp表示物质定压比热容;r表示水的汽化潜热;下标air表示氧化空气;下标gl、 g2、ll和12分别表示烟气侧进口、烟气侧出口、吸收液侧进口和吸收液侧出口； A t表示该侧 的液滴蒸发温差；A Elossl和A El〇ss2分别表不烟气侧和吸收液侧对外散热。
[0031 ]步骤4中，脱硫塔整体对外散热量的计算公式为：
[0032] (7);
[0033] 其中，式（7)中，A Eioss表不脱硫塔整体对外散热，A Eiossi和A Ei〇SS2分别表不烟气 侧和吸收液侧对外散热;kg, sr和ki, sr分别表不烟气侧和吸收液侧对塔壁的换热系数;aT表不 换热面积;分别表示烟气侧和吸收液侧的平均温度;1~_表示环境温度。
[0034]本模型还可以计算脱硫塔内pH值、S02浓度和脱硫率等参数。计算公式如下：
(8)：；
[0036] 其中，式(8)中，表示S〇2组分的摩尔浓度，是s〇2的浓度生成或消耗速率，d T表示计算时间步长。
[0037]实时pH值使用该时刻H+浓度直接计算：
C9h
[0039]其中，式(9)中，CH+表示溶液中H+摩尔浓度。
[0040]脱硫率n计算公式： (10)
[0042] 式中，分别表示烟气进、出□所含S02的标准状态下浓度。
[0043]为实现模块通用化，设计模型参数时需考虑不同对象下脱硫塔的正确仿真模拟。 因此，可将参数设置为结构类参数、基本系数和运行参数三大类，如下表所示。参数可以通 过考虑其他因素来适当增添以完善脱硫塔模块的通用性。对不同对象相应设置、修改相关 参数，可实现脱硫塔模块运行特性与实际对象相吻合。
[0045]对于喷淋液滴涉及粒径和故障设置等参数，已有专业成熟的研究和计算公式。虽 然在本发明中没有提及，但是可以和本发明技术方案一起，共同应用于程序编写中。
[0046] 有益效果：
[0047] 与现有技术相比，本发明具有如下优势：
[0048] 本发明通过研究分析不同烟气脱硫系统中脱硫塔的工艺设计与反应过程，建立了 湿氨法和石灰石-石膏湿法烟气脱硫塔动态特性通用数学模型。脱硫塔模型中对这两种脱 硫方法的仿真可简易切换、独立运行，满足对不同脱硫工艺的仿真需求，相比单一方法脱硫 模型更具实用性。与现有技术相比，本发明采用基于控制体的模块化建模方法，模拟脱硫塔 动态运行全过程，计算控制体内温度、压力、pH值、S02浓度、脱硫率等动态参数。本发明以热 力发电厂脱硫塔为仿真对象，对模型进行了多次动态仿真试验，仿真运行结果正确模拟对 象的动态特性，证明了模型的正确性、通用性，该模型可用于湿法脱硫系统的仿真开发。
【附图说明】
[0049] 图1为实施例1中脱硫塔结构及分段示意图；
[0050] 图2为实施例1中脱硫模型设计与计算流程图。
【具体实施方式】
[0051] 根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实 施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本 发明。
[0052] 实施例1
[0053]模型假设:为便于计算，综合脱硫塔的运行过程和理论分析，对数学模型进行以下 假设:烟气中s〇2与吸收液的传质速率由气膜和液膜控制;整个化学反应在液膜内完成;脱 硫塔任一界面上液滴分布均匀，大小相同，液滴下落过程中均保持为球形;脱硫塔内气液两 相均为一维流动;液滴及脱硫塔液位下的物质电离瞬间完成;液位下物质的混合瞬间完成。
[0054] 脱硫塔吸收反应模型:本模型模拟的湿法脱硫模式有两种，分别是氨法和石灰石-石膏法。脱硫过程要经过一系列复杂的中间反应步骤，两种脱硫方法基本化学反应式为：
[0055] (1)氨法：
[0056] S〇2+H2〇+(NH4)2S〇3-2NH4HS〇3 式（11)
[0057] NH3+NH4HS〇3^(NH4)2S〇3 式（I2)
[0058] (2)石灰石-石膏法：
[0059] .w: + 入 +十2"々 + co:2 斗,"、 2" 式 C13)
[0060] S02在液膜内进行吸收反应，在液相主体中由于吸收反应为快速反应，S02易溶于 水，可认为在吸收液侧S〇2的浓度为零，吸收未反应的S〇2全部与水转化为H 2S〇3，从气侧吸收 s〇2为慢反应，其速率由传质方程控制：
[0061 ] ^^ ? ) 式（14)
[0062] 式(14)中，为S〇2的吸收速率，mol/(m3 ? 8)^叫为气相中S〇2分压，Pa;<^〇2为液 相中S02浓度，mo 1 /V;仏〇2为302的亨利系数，（Pa ? m3)/mo 1;aA为脱硫塔的气液比表面积， m2/m3;kG为S〇2的气相传质系数，mol/(m2 ? 's' ? Pa)。
[0063] 石灰石-石膏法中需考虑C02的吸收速率，其传质方程为：
式（15)
[0065] 式（15)中，为⑶2的吸收速率，m〇l/(m3 ? s)#%为C〇2的亨利系数，（Pa ? m3)/ mo 1;Pcq2为气相中S〇2分压，Pa; Cco;为液相中CO2浓度，mo 1 /m3; kL为C〇2的气相传质系数，mo 1 / (m2 ? . s. ? Pa) 〇
[0066] 反应过程中的物质组分浓度计算:对任一物质组分作物料平衡计算：
式（16)
[0068]式（16)中，Ci表示i组分的浓度，mol/m3;ENi是该组分的中浓度生成或消耗速率， mol/(m3 ? s)〇
[0069] 液滴内组分及pH计算模型：物质在反应过程以分子或离子状态进行均可，但本质 是离子在互相结合反应，因此模型中，溶液中对各个离子构建微分方程以计算离子浓度，再 根据电离关系式计算溶液中各物质浓度。在给定对象的初始参数下，可用微分方程求解动 态运行过程各时刻的离子浓度及pH值。
[0070] 溶液中s〇2吸收微分方程为：
式（17)
[0072] 离子微分方程通用式可表述为：
式（18)
[0074] 式（18)中，物质或离子团A电离为正离子A+和负离子A-，C为离子浓度，单位mol/ m3;KA表示A的电离常数，单位为m〇l/m3。以HS(V离子为例微分方程可写为：
式（19)
[0076]实时pH值使用该时刻H+浓度直接计算：
式（20)
[0078] 氧化、结晶计算模型：对于氨法和石灰石-石膏法脱硫，其液位下的氧化主要是对 HS0厂及SOf的氧化，将这两种离子转化为稳定的S〇42_离子，其氧化速率：
[0079] ^ 式（21)
[0080] 式(21)中，Rox为氧化速率，mol/(m3 ? s);K〇x为氧化速率常数，m-^/(mol0'5 ? s)〇
[0081] 使用石灰石-石膏法，还需考虑液位下石膏的结晶及排出；而使用氨法时因硫酸氢 钱的尚溶解性不考虑结晶。石霄的结晶速率：
[0082] Rgy = Kgy ? (RSgy-l)式（22)
[0083] kgy=l.lX10-4 ? Agy 式（23)
[0084] 式(22)和(23)中，Rgy为石膏结晶速率，mol/(m3 ? s);Kgy为石膏结晶速率常数，mol/ (m3 ? 示石膏相对饱和度;Lgy为石膏溶解平衡常数，20.33mol2/m 6;Agy表示单位体 积溶液中石膏颗粒表面积，m2/m3。
[0085]脱硫塔质量与能量建模:脱硫塔内的质量及能量计算分为两步:第一步计算各段 的质量及能量，分段算为提高运算精度以及获得各区段内参数;第二步，在所有区段计算结 束后对整个脱硫塔进行质量与能量平衡计算，以计算脱硫塔内整体平均温度、压力等相关 参数。
[0086]区段间物质质量计算中考虑每一区段中反应物质的生成或消耗，以及液滴表面水 分的蒸发，计算微分方程：
式（24)
[0088]式(24)中，下标i表示某物质组分;下标j表示物质所在区段;M表示该段内某物质 组分的质量，kg; Mri表示某物质的摩尔质量，kg/mo 1; Q表示体积流量，m3/s; C表示物质的浓 度，mol/m3;dT表示计算时间步长，s;Rreacti,j表示该组分i在区段」内反应生成或消耗的速 率，若没有参与反应则等于零，kg/ S;Lu表示该区段内水滴的蒸发速率，kg/s，i表示气相中 水分时加入Li, j项。
[0089]区段间能量计算微分方程：
[0091 ]式（25)中，H表示该段内某物质组分的能量，kJ; W表示区段间的质量流量，kg/s ; hi,j表示区段内某物质的比洽，kJ/kg;Ei,j表示反应生成热，kJ/kg;Cp表示物质定压比热容， kj/(kg ? °C);r表示水的汽化潜热，kJ;aD表示脱硫塔的区段间接触面积，m2; A t表示该区段 内的液滴蒸发温差，K;k^为区段间的换热系数，kW/(m2?K);L区段的平均温度，K。
[0092]区段间质量、能量计算后，需对整个脱硫塔进行质量与能量的平衡计算，以获取脱 硫塔整体气液两侧温度、压力等相关参数。以整个脱硫塔为研究对象，气相和液相侧质量平 衡计算方程：
[0095]式(26)和(27)中，下标g表示烟气侧参数;下标1表示吸收液侧参数;LwatCT表示吸收 液侧水分蒸发的质量流量，kg/s; Wair表示氧化空气质量流量，kg/s; Win?表示补充的新鲜吸 收工质流量，kg/s; Wfw表示工艺水流量，kg/s。
[0096]在脱硫塔中整体能量变化为:输入脱硫塔能量-脱硫塔输出能量=脱硫塔内部能 量，以此气相和液相两侧的能量计算方程分别为：
[0099]式中，下标g表示烟气侧参数；下标1表示吸收液侧参数；下标in、out分别表示进 口、出口参数;下标fw表示工艺水;tgl、tg2、t12、t 12分别表示烟气侧、吸收液侧进出口温度， °C ; AEiossi、AEi〇SS2分别表不烟气侧、吸收液侧对外散热，kj/s。
[0100] 脱硫塔与外界的散热计算方法是，不分区段计算，以脱硫塔为整体，在脱硫塔整体 能量计算结束后，计算脱硫塔气液两侧平均温度T 〒;，后根据方程：
[0101] ，為《咚吞， 式（30)
[0102]式中，kg,sr，ki,sr分别表示烟气、吸收工质侧对塔壁的换热系数，kW/(m 2 ? K);aT表 示换热面积，m2，Tg，〒，分别表示烟气、吸收工质侧平均温度，{(汀^表示环境温度，K。
【主权项】
1. 一种湿法脱硫塔动态特性仿真通用化建模方法，其特征在于，它包括如下步骤： 步骤1:根据脱硫塔内结构和运行特点，对脱硫塔进行分段建模； 步骤2:计算各分段内物质生成或消耗的速率，W及能量吸收或放出的速率； 步骤3:计算脱硫塔内烟气侧和吸收液侧的溫度的溫度，W及烟气侧和吸收液侧的压 力； 步骤4:计算脱硫塔整体对外散热量。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述的分段是指将脱硫塔从上至 下分为四段，包括:净烟气排除段、除雾器及喷淋装置设计段、气液两相流动及化学主反应 段、W及原烟气入口段和反应物循环、氧化及排出段。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，计算各分段内物质的生成或消耗 的速率的公式如下：(1); 其中，式（1)中，下标i表示一种物质；下标j表示物质所在区段;Ml,康示枢段段内该物 质组分的质量，化i表示物质i的摩尔质量;Q表示该区段内总物料的体积流量，C表示该区段 内总物料中，该物质组分的浓度;dT表示计算时间步长;化eacti, j表示该组分i在区段j内反 应生成或消耗的速率;Li,J表示在区段j内水的蒸发速率，Li,J中下标i表示气相中水分时加 入以,j项。4. 根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤2中，计算各分段内能量的吸收或 放出的速率的公式如下：其中，式（2)中，下标i表示一种物质；下标j表示物质所在区段;H表示该段内该物质组 分的能量，W表示该区段内该物质组分的质量流量；hi, j表示在区段j内物质i的比洽； Rreacti, J表示该组分i在区段j内反应生成或消耗的速率;Li, J表示在区段j内水的蒸发速 率，Li, j中下标i表示气相中水分时加入Li, j项;Ei,康示在区段j内物质i的反应生成热;Cp表 示物质定压比热容;r表示水的汽化潜热，QD表示区段间的接触面积；At表示该区段内的液 滴蒸发溫差;ki,康示在区段j内物质i的换热系数;T康示区段j内的平均溫度。5. 根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤3中，计算脱硫塔内烟气侧和吸收 液侧的压力的公式为：(3)； (4)； 其中，式(3)和(4)中，M表示该侧物质的质量，dT表示计算时间步长;下标g表示烟气侧 参数，下标1表示吸收液侧参数;下标in和out分别表示进口和出口参数;Lwater表示表示吸收 液侧水分蒸发的质量流量，Wair表示氧化空气质量流量，Wlnew表示补充的新鲜吸收工质流 量，Wf W表示工艺水流量。6. 根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤3中，计算脱硫塔内烟气侧和吸收 液侧的溫度的公式为：(5); (后)； 其中，式(5)和(6)中，H表示该侧物质的能量，dT表示计算时间步长;下标air表示氧化 空气，下标g表示烟气侧参数，下标1表示吸收液侧参数;t表示溫度Lwater表示表示吸收液侧 水分蒸发的质量流量;W表示质量流量;下标in和out分别表示进口和出口参数;下标fw表示 工艺水;Cp表示物质定压比热容;r表示水的汽化潜热；下标air表示氧化空气；下标gl、邑2、 11和12分别表示烟气侧进口、烟气侧出口、吸收液侧进口和吸收液侧出口； A t表示该侧的 液滴蒸发溫差；A ElDSSl和A Eidss2分别表不烟气侧和吸收液侧对外散热。7. 根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤4中，脱硫塔整体对外散热量的计 算公式为：n; 其中，式(7)中，A Eioss表不脱硫塔整体对外散热，A Eiossi和A Ei〇ss2分别表不烟气侧和 吸收液侧对外散热;kg,Sr和kl,Sr分别表示烟气侧和吸收液侧对塔壁的换热系数;OT表示换热 面积；1;?和分别表示烟气侧和吸收液侧的平均溫度;Tenv表示环境溫度。
【文档编号】G06F17/50GK105912750SQ201610201991
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】王永文, 冷伟
【申请人】东南大学