李 焱，赵纪光，凡 明，陶文亮

（1. 贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025；2. 毕节学院，贵州 毕节 551700）

废气处理

固定床活性炭干法烟气脱硫过程的模拟研究

李 焱1，赵纪光1，凡 明1，陶文亮2

（1. 贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025；2. 毕节学院，贵州 毕节 551700）

采用流程模拟软件对固定床活性炭干法烟气脱硫过程进行模拟，并用已公开发表的文献实验数据进行了模型验证。模型验证结果与文献值吻合较好。利用该模型对活性炭干法烟气脱硫过程进行模拟研究，探讨了脱硫过程中床层高度、进口烟气中SO2质量浓度、吸附温度等工艺参数对SO2脱除率的影响。模拟结果表明：随床层高度增加，SO2脱除率提高；随进口烟气中SO2质量浓度增加，SO2脱除率提高；在吸附温度为100 ～160 ℃的范围内，随吸附温度升高，SO2脱除率逐渐下降。

烟气脱硫；工艺参数；数值模拟

2013年，“雾霾”成为年度关键词。此后，中国不少地区将雾霾天气作为灾害性天气预警预报。雾霾主要由SO2、NOx和可吸入颗粒物组成。其中，SO2主要来源于燃煤过程所产生的烟气［1］。干法烟气脱硫技术因其工艺简单、占地少、无需废水处理等优点受到越来越多的关注，特别是活性炭干法烟气脱硫技术，具有可资源化、节水与硫回收等特征［2-3］。

本工作采用流程模拟软件对固定床活性炭干法烟气脱硫过程进行模拟，分析了脱硫过程中吸附温度、床层高度、进口烟气中SO2浓度等工艺参数对脱硫率的影响。

1 活性炭干法烟气脱硫模型模拟

1.1 数学计算方法

吸附流程模拟所进行的一系列数学计算大多是偏微分方程组的计算。工程数学中对偏微分方程计算采用发散的方法。采用一阶上风差分法（UDS1），稳定性好，收敛较为迅速，基于一阶泰勒展开式推导，见式（1）。

式中：Γi为吸附量方程；z为轴向长度，m。

1.2 固定床内物料平衡和动量传递

固定床内气相总质量平衡包括混合气体经过对流和扩散由气相向固相传递等传质过程。在压力和温度恒定的条件下，模拟穿透曲线的微分方程见式（2）。

式中：vg为气体表观速率，m/s；ρg为气体密度，kmol/m3；ρs为吸附剂堆密度，kg/m3；qk为吸附量，kmol/kg；t为时间，s。

对于流过固定床的烟气中的任一组分，可以采用式（3）进行物料恒算。

式中：εi为床层空隙率，m3/m3；Ezk为轴向弥散系数，m2/s；ck为气体浓度，kmol/m3；Erk为径向弥散系数，m2/s；r为径向长度，m；εB为总空隙率，m3/m3；Jk为传质速率，kmol/（m3·s）。

左边各项分别为：轴向扩散项、径向扩散项、对流传质项、气相积累项和传递速率项。实际模拟中进行适当的简化，利用所处的状态参数来计算轴向扩散项和径向扩散项，一方面保证模拟的顺利进行，另一方面保证结果与实际更加接近。

1.3 其他假设

活性炭吸附脱除烟气中SO2的实际过程中，吸附温度为100～180 ℃，压力为常压。本文建立的是固定床吸附模型，为了简化过程，对于气体在管道中的流动，只考虑轴向速率而不考虑径向速率，基本假设条件为：1）低压下气体可以看作理想气体，遵守理想气体状态方程；2）吸附剂颗粒形状相同，大小均一，内部温度统一，脱硫过程看作等温吸附过程；3）气相流动模型忽略轴向扩散及浓度分布；4）恒定的气体流速和恒定的有效扩散系数；5）传质系数均为常数；6）吸附剂的活性衰减问题不予考虑。

2 活性炭干法烟气脱硫过程模型验证

2.1 吸附平衡模型

由于真实固体表面的能量分布并不均匀，即吸附位是非均匀地分布在吸附质的表面。假定在非均匀表面发生吸附，根据经典统计热力学，具有吸附热（ΔHα，kJ/mol）的吸附位的数目（nα）为［4］：

式中：n0为常数；ΔHm为常数，kJ/mol。

因此，气体平衡吸附量（q*，kmol/kg）和气体平衡压力（p，Pa）的关系为：

式中：T为温度，K；a为常数，mol/（kJ·Pa）；R为气体常数，J/（mol·K）。

对其运用理想气体状态方程，可简化为：

式中：c*为吸附平衡时气相中的气体浓度，kmol/ m3；K和n为Henry常数。

式（6）即为Freundlich等温吸附方程。当n接近于1时，该式可以看做Henry吸附式，常数K和n依赖于吸附剂、吸附质的种类和吸附温度。对式（6）两边取对数可得：

由式（7）可知，lnq*和lnc*呈直线关系，由直线的截距和斜率可得到K和n的值。

2.2 模型验证

活性炭干法烟气脱硫过程的模拟计算机程序流程简图见图1。建立所需的模拟吸附流程，设置进口物流参数、吸附条件、吸附模型参数等后进行计算机运算，最后对结果进行输出分析。

图1 活性炭干法烟气脱硫过程计算机程序流程简图

根据文献［5］提供的活性炭吸附SO2的实验数据，拟合出Freundlich等温吸附方程的模型参数，K=1.59，1/n=1.012。同时采用文献［5］提供的进口物流参数（见表1）代入Freundlich等温吸附方程进行计算，得出有效吸附时间为13.13 min，文献值为13 min，二者具有很高的吻合度，表明所建立的模型准确合理，可用于预测操作参数对活性炭脱硫的穿透曲线的影响。

表1 进口物流参数

国内外研究活性炭烟气脱硫技术的结果表明，影响烟气脱硫过程的操作参数主要有吸附床层厚度、进口烟气中SO2质量浓度及吸附温度等［6-11］。本工作采用Freundilch等温吸附方程对活性炭干法烟气脱硫过程进行模拟研究与分析，可用于分析各种操作参数对脱硫率的影响以及寻找最优操作条件。

3 模拟计算结果及分析

3.1 SO2吸附量的变化

脱硫塔内不同床层高度处的SO2吸附量见图2。由图2可见：随着吸附时间的延长，SO2吸附量逐渐增大；达到穿透时间（780 s）之后，SO2吸附量趋于饱和，基本不再变化。

图2 脱硫塔内不同床层高度处的SO2吸附量

3.2 操作参数对SO2脱除率的影响

3.2.1 床层高度

在进口烟气中SO2质量浓度为2 000 mg/L、吸附温度为120 ℃的条件下，床层高度对SO2脱除率的影响见图3。由图3可见，随床层高度增加，SO2脱除率提高。这是因为，床层高度增加后提供的吸附SO2的活性位增加，使更多的SO2被吸附。但床层高度越大，所需的穿透时间越长，床层阻力也越大。综合考虑所需达到的脱除率和吸附剂成本，选择床层高度为10 cm较适宜。

图3 床层高度对SO2脱除率的影响

3.2.2 进口烟气中SO2质量浓度

在床层高度为10 cm、吸附温度为120 ℃的条件下，进口烟气中SO2质量浓度对SO2脱除率的影响见图4。

图4 进口烟气中SO2质量浓度对SO2脱除率的影响

由图4可见，随进口烟气中SO2质量浓度提高，SO2脱除率缓慢提高，这是因为进口烟气中SO2质量浓度较高时，一部分SO2还未扩散到活性炭内部时就通过了床层，因此出口烟气中SO2质量浓度也较高，但是对SO2脱除率的影响并不是很大。可以看出，此模型对烟气中SO2质量浓度在较大的跨度内都有良好的处理效果。

3.2.3 吸附温度

在床层高度为10 cm、进口烟气中SO2质量浓度为2 000 mg/L的条件下，吸附温度对SO2脱除率的影响见图5。由图5可见，随吸附温度升高，SO2脱除率逐渐下降。这是因为SO2分子在活性炭表面的停留时间与温度成反比，即温度越高，停留时间越短，没有足够的时间被吸附。如果温度一直升高，会使吸附向反方向进行，即温度较低时，吸附处于主导地位，温度较高时，脱附速率提高。综合考虑，选择吸附温度为120 ℃较适宜。

图5 吸附温度对SO2脱除率的影响

4 结论

a）用文献实验数据对固定床活性炭干法烟气脱硫过程的模型验证结果与文献值吻合较好。

b）采用Freundilch等温吸附方程对活性炭干法烟气脱硫过程进行模拟研究结果表明：随床层高度增加，SO2脱除率提高；随进口烟气中SO2质量浓度增加，SO2脱除率提高；在吸附温度为100 ～160 ℃的范围内，随吸附温度升高， SO2脱除率逐渐下降。

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（编辑 祖国红）

Process simulation of dry flue gas desulfurization by activated carbon in fixed bed

Li Yan1，Zhao Jiguang1，Fan Ming1，Tao Wenliang2

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China；2. Bijie University，Bijie Guizhou 551700，China）

The dry fl ue gas desulfurization process by activated carbon in fi xed bed was numerical simulated. The model was validated by experimental data in published literature and the results were in good agreement with literature values. By this model，the process of dry fl ue gas desulfurization by activated carbon was studied and the effects of the operation parameters on SO2removal rate were analyzed，such as：bed height，inlet SO2mass concentration，adsorption temperature，and so on. The simulation results show that the SO2removal rate is increased with the increasing of bed height and inlet SO2mass concentration，but reduced with the increasing of adsorption temperature in the range of 100-160 ℃.

fl ue gas desulfurization；operation parameter；numerical simulation

X701.3

A

1006-1878（2016）03-0317-04

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.03.016

2015 - 10 - 31；

2015 - 11 - 20。

李焱（1974—），女，贵州省贵阳市人，硕士，副教授，电话 0851 - 88297910，电邮 ce.yl@163.com。

国家“863”计划项目子课题（2011AA060803）。