陈茂兵 ,缪明烽,卢作基

(中环工程有限公司,江苏 南京 211102)

1 引言

Aspen Plus是美国 ASPEN TECH公司于1981年末开发完成的第3代化工流程模拟系统。经过20多年的发展,该软件已先后推出了10多个版本,成为屈指可数的标准大型流程模拟软件,广泛应用于化工、石化、炼油、冶金、动力、医药 、煤炭 、气体加工、环境保护、食品加工等许多工业领域。

2 软件特点

2.1 物性系统完备

数据库和物性模型是流程模拟的到精确可靠结果的关键,Aspen Plus具有适用于工业的最完备的物性系统。Aspen Plus的数据库包括5 000余种纯组分的物性数据,900多种离子和分子溶质的电解质数据库,3 000多种固体的数据参数,60多种水溶液中化合物的Henry常数库,此外还包括二元交互作用参数库,PU RE10数据库等。Aspen Plus拥有完整的状态方程和活度系数方法模型,以及摩尔体积模型、蒸发潜热模型等,这些模型可供用户模拟工艺流程调用[1～3]。

2.2 丰富多样的单元操作模型

Aspen Plus拥有完整的单元操作模型库,可以模拟各种工艺流程。软件使用了PLEX数据结构,对于组分数、进出口物流数以及反应数目等都没有限制,这是Aspen Plus的一大优点。此外,用户还可以根据自己的需要设计自己所需的模型,只须调用用户模型(User Model)即可。

2.3 模拟固体系统和电解质体系

近年来,随着软件的发展与升级,Aspen Plus可以用于模拟固体系统和电解质系统。固体系统主要有煤的净化与液化,高温冶金和湿法冶金、流化床燃烧以及食品加工等。电解质系统如酸水汽提、湿法冶金、胺净化气体、硝酸生产工艺等。

2.4 优秀的工艺参数分析功能和过程优化计算功能

Aspen Plus软件提供了灵敏度分析、设计规定等工艺参数分析功能,可以方便的考察各工艺参数对流程运行的影响情况。结合工程造价,物料价格等经济参数,用户可以自己编写Fortran程序优化工艺参数,指导工艺过程更经济、更可靠的运行。

2.5 友好的操作界面,扩展性强

从A spen10.0版本开始,Aspen Plus使用了标准化Window s界面,使得软件的外观更为友好,让用户用起来赏心悦目、得心应手。Aspen软件具有良好的系统开放性与扩展性,允许用户使用VB、VC++、VJ++、Fortran定制用户模型,支持CAPE-OPEN热力学接口,支持OLE自动技术接口和方法,支持COM接口对原油的虚拟组分和原油混合方法进行改进。

2.6 新的流程解法器-基于EO(联立方程法)

自Aspen11.1版开始,Aspen Plus使用 EO(联立方程法)求解,有效的解决了参数估计和数据调和、模拟复杂的热集成系统或者复杂的循环系统、过程优化求解等问题。

3 基于Aspen Plus软件的烟气脱硫系统(FGD)开发方法

近年来,Aspen软件已逐渐成功运用于煤炭、动力等行业,但用于烟气脱硫系统研究的示例还不多。孙志翱[4]等人模拟了石灰石湿法脱硫的工艺流程,考察了烟气流速、吸收剂浓度等工艺参数对吸收过程的影响。笔者运用Aspen Plus软件对烟气湿法脱硫工艺做了系统的、全方位的研究,主要包括吸收塔、换热器、泵的选型以及工艺全流程优化等。以期指导脱硫工艺系统的开发和改造以及工艺参数的优化。

3.1 吸收塔的模拟与优化

在烟气脱硫系统中,吸收塔是整个工艺过程的主体,所有反应都发生在吸收塔中,因此吸收塔的设计开发是脱硫工艺的核心。烟气脱硫工艺中的吸收塔,在ASPEN软件中一般选用RADFRAC严格核算模型,当然也可以选用DS TWU简单计算模型,初步确立重要的工艺参数,再用严格核算模型进一步模拟。

输入好吸收塔的物料参数和设备参数,物料参数主要包括烟气和吸收液的流量、温度、压力以及各组分含量。设备参数主要包括理论板数、进料位置、吸收塔的压降、塔径。如果是板式吸收塔,还需要塔板类型、降液管数、堰高等参数;如果是填料塔的话则需要填料高度、填料类型及尺寸、当量高度等参数。由于一般的的脱硫吸收塔的吸收段主要是塔段的上面部分,塔段的下面部分是浆液池,浆液池有一定的液位,塔釜不断鼓入氧化空气,以氧化副吸收产物,如石灰石/石膏法工艺中将亚硫酸钙氧化成石膏,氨法脱硫工艺中将亚硫酸铵氧化成硫酸铵。所以软件中RADFRAC模型和实际的吸收塔不尽相同,考虑到塔釜浆液池四周布满了大型搅拌机,釜内液体浓度均匀,因此添加一个RSTOIC模型模拟浆液池,这样就可以模拟实际的工艺脱硫塔。

成功运行吸收塔模拟后,可以利用Model Analysis Tools模型分析工具中的Sensitivity灵敏度分析功能考察各工艺参数(包括物料参数和设备参数)如烟气流速、SO2含量、烟气温度、吸收液流量、吸收剂浓度、液气比、塔操作温度等对塔吸收效率、塔釜产品纯度等考察指标的影响情况。我们还可以利用吸收塔模块内的DESIGN SPECS做些设计规定,研究要达到某些生产指标时,可操作工艺参数必须满足的条件。如研究在保证脱硫效率达到95%的条件时,保持其他参数不变,液气比至少应该不低于多少;又如在保证出口SO2含量不超过40×10-6时,保持其他工艺条件不变,吸收剂浓度应不低于多少。

结合物料的单位价格、公用工程的单位耗资、吸收塔材质的费用以及工程施工造价,运用模型分析工具中的Optimization最优化功能,通过软件自带的程序编写窗口编写简单的Fortran程序(或EXCEL程序),便可实现在保证运行效率的前提下,通过改变设计条件,从而使得工程造价或者运行操作费用达到最优化程度。当然,所编写的程序也可以是外部软件编写,然后用A spen Plus软件通过数据接口连接调用。

3.2 换热器(GGH)的核算与设计

烟气换热器在烟气脱硫工艺系统中起着重要的作用,烟气经过吸收塔洗涤、净化后温度降至50℃以下,这个温度低于酸的露点,为防止烟气对下游设备的腐蚀和对环境的影响,一般需要在热交换器中将烟气加热至80℃以上,然后再由烟囱排出进人大气[5]。

Aspen Plus拥有丰富的换热器模型,可以用于各种工业换热器的模拟。如,Heater模型可以模拟加热器或冷却器,HeatX模型可以模拟两股物流的换热器,MHeatX模型多股物流的换热器,Hetran模型可以用于模拟管壳式换热器,Aerotran模型则一般用于模拟空冷换热器[6]。湿法烟气脱硫工艺中,一般采用列管式换热器或者回转式换热器,在Aspen Plus模拟系统中,我们可以选用HeatX模型。HeatX模型可以模拟逆流和并流换热器、弓形隔板换热器、圆形隔板换热器、裸管和翅片管换热器等。

HeaterX有简捷法(Shortcut)和严格法(Detailed)两种核算模型。简捷法(Shortcut)模型可以用于设计和模拟两种计算,不需要换热器的结构或几何尺寸数据,做设计计算时依据工艺参数和总传热系数可以估算出传热面积。严格法(Detailed)可以用已知的几何尺寸去估算换热器的传热膜系数、总传质系数、压降、对数平均温差校正因子等,但是该模型不能用于设计计算。

在用Aspen Plus做GGH的设计计算时,我们可以把简捷法(Shortcut)和严格法(Detailed)结合起来使用。首先根据初始条件用简捷法估算换热器的传热面积,然后参考简捷法的计算结果用严格法进行进一步核算。上述方法,可以对换热器进行全区域的分析,还可以用于显热、气泡状气化、凝结膜系数的计算,传热和压降的计算、以及内置的或者用户定义的一些关联式。在FGD系统中,烟囱防腐要求和环保要求决定了净烟气出口温度,净烟气进口温度是已知的,这样可以计算出换热量,确定好换热器界的结构,选择好材质之后,就可以进行设计计算。参考换热器材质的价格以及其他相关费用,结合模型分析工具,可以优化换热器的设计成本与工程造价。

3.3 泵的选型与设计

在FGD系统中,泵是输送浆液的主要设备,也是脱硫系统运行中耗能较大的设备,加上输送介质的成分的复杂性,因此泵的选型与材质的选用显得尤为重要[7]。在石灰石湿法脱硫系统中,泵输送的介质主要包括石灰石浆液、石膏浆液、滤液水、工艺水等。这些物料中氯离子含量较高,对输送机械的防腐蚀性要求很高;其次,石灰石浆液和石膏浆液的含固量很高,因此输送这些物料的泵需要较强的耐磨性。

在模拟泵时,首先画出管线流程,输入必须的工艺参数,如物料流量及组成、温度、压力,泵进、出口管径及长度,从而计算出泵进、出口管系阻力。再根据进、出口侧设备间的位差、压力差及速度头损失,可以计算出泵的扬程,再乘以安全系数(一般取1.05～1.10)。据此,运送介质的物性以及流量、扬程等都可以确定,从而选出合适的泵型和规格[8]。

然后在管线图中加入PUMP模块,输入泵的性能曲线参数,就可以进行泵的相关核算,当然用户也可以提供Fortran子程序来计算特性曲线[6]。Aspen Plus不仅可以计算正常、最大及最小流量下的出口压力,也可以计算指定出口压力下的流量,即泵的最大输送能力[8]。PUMP模型的计算结果还包括泵的有效汽蚀余量、轴功率等重要参数。当系统需要更高扬程或者流量,而现有的泵的规格不能满足需要时,用户可以将若干台泵串联或者并联进行模拟设计,无需再计算串联或者并联后性能曲线。

3.4 工艺全流程优化

Aspen Plus不仅可以做单个模块的灵敏度分析、局部设计规定和局部优化,还可以做全局性的流程分析、总体工艺的设计优化与成本优化。首先确定优化目标,如果该目标参数在软件中已经定义过,则直接调用即可,如果是软件中没有的参数,则需重新添加或者在Fortran子程序中进行定义;然后确定操作变量,如果操作变量仅有一个,则直接调用之并确定其范围,但在实际工艺中,影响目标值的参数往往有很多,而且可能分别属于不同的模块或者物流,此时需要确定各操作变量对目标变量的关系,写出函数关系式并编程;或者定义一个新的变量,该变量与目标变量存在着简单的函数关系,而且可以用各操作变量的初等函数结合表达,这样就可以方便的进行全局工艺流程的分析与优化。

如图1为笔者利用Aspen Plus软件建立的石灰石-石膏法烟气脱硫系统工艺流程图,主要包括烟气换热器GG H、吸收塔ABSORBER、浆液循环泵PUMP、石膏旋流器SSPLIT 1、废水旋流器SSPLIT 2、工艺水箱 H2OPOOL等模块。

图1 石灰石-石膏法烟气脱硫系统工艺流程图

4 结语

Aspen Plus能够很好的运用于湿法FGD系统的流程模拟,可以用于工艺参数的分析与优化,指导脱硫关键设备的选型、开发、设计与核算,降低脱硫项目的工程造价与设备造价等。Aspen Plus软件库中累积了很多经验的数据,可用于实际工况的模拟。运用Aspen Plus指导工程设计与设备的开发等工作,其模拟结果准确可靠,而且非常方便,当某些参数改变时,只需在输入条件中改变该参数值,便可方便地输出模拟结果,节省了很多人力物力,极大地提高了工作效率。

通过本文,笔者虽然对Aspen Plus软件在湿法FGD系统中的运用作了较为全面的阐述,但是仅介绍了脱硫工艺中关键设备的开发、设计运用,对一些辅助设备如升压风机、旋流器和结晶器等设备尚未深入研究,有待于以后的工作中进一步改进。

[1]Elan G.Aspen plus user guide version 10.2[M].California：Aspen Technology,1998.

[2]Jim Green.Aspen plus phieal property methods and models[M].California：Aspen Technology,2000.

[3]孙志翱,金保升,李 勇,等.基于 AS PEN PLUS软件的湿法烟气脱硫模型[J].洁净煤技术,2006,12(3)：17～18.

[4]马宗庆.热管烟气换热器在湿法脱硫工艺中的应用及比较[J].电力建设,2008(6)：71～72.

[5]杨育慧,饶思泽,李落成.湿法石灰石/石膏烟气脱硫泵的选材及选型[J].电力环境保护,2006,22(1)：161～162.

[6]黄卫国.Aspen Plu s在泵选型设计中的应用[J].高桥石化,2007,22(2)：27～ 28.