混合气体中SO2与CO2协同脱除和资源化利用系统及其灵活调控方法

本发明属于污染物脱除和资源化利用，具体地说是涉及一种混合气体中so2与co2协同脱除和资源化利用系统及其灵活调控方法。

背景技术：

1、在工业生产和能源利用等人类活动的过程中，混合气体的分离和净化不可避免，混合气体中的so2和co2脱除是常见的工艺步骤，传统的so2和co2脱除系统是按照顺序分开处理的，在能量和物料的利用上都是分离的，需要投建独立的so2和co2脱除系统，两套系统的投建成本和土地成本巨大，so2脱除系统的脱除效率还能够极大地影响co2脱除系统的脱除效率。

2、中国专利cn117046266a公开了一种二氧化硫与二氧化碳协同捕集的吸收剂、烟气中二氧化硫与二氧化碳的捕集方法，使用特定的醇胺类化合物作为吸收剂主要成分和活化剂，以去离子水作为溶剂配制二氧化硫与二氧化碳协同捕集的吸收剂溶液。除此之外，提供了一种烟气中二氧化硫与二氧化碳的捕集方法。该技术虽然很好地将二氧化硫与二氧化碳的脱除步骤集中在一个塔内并开发出与之适配的吸收剂，节省了投建成本。但是，so2和co2脱除使用了同一种吸收剂吸收-解吸，各自未完全解吸的吸收剂贫液经过混合后会影响后续的脱除效率，以及so2和co2吸收剂富液的各自解吸会消耗大量热量。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的不足，解决混合气体中so2与co2脱除过程的高能耗和高成本，本发明提供了一种混合气体中so2与co2协同脱除和资源化利用系统及其灵活调控方法。

2、一种混合气体中so2与co2协同脱除和资源化利用系统，所述系统包括还原反应器、富液预热器、第一冷凝器、第一气液分离器、风机、吸收塔、贫富液换热器、解吸塔、再沸器、第二冷凝器、第二气液分离器、蒸发结晶池、副产物储液罐、鼓泡塔、物料输送泵、储液罐和储气罐；所述还原反应器、第一冷凝器、第一气液分离器、风机、吸收塔、贫富液换热器、解吸塔、第二冷凝器、第二气液分离器、鼓泡塔、储气罐顺次连通，所述富液预热器内置于还原反应器内，所述解吸塔底部与再沸器相连通；所述储液罐、物料输送泵、鼓泡塔、副产物储液罐和蒸发结晶池顺次连通，所述储气罐下部与还原反应器顶部相连通。

3、作为优选，所述贫富液换热器分别与富液输送泵和贫液输送泵相连通，所述富液输送泵与富液预热器相连通，贫液输送泵与解吸塔下部相连通。

4、含有so2和co2的混合气体与含有还原性的粗气在还原反应器充分接触后，其中的so2与还原气反应生成液态硫和水蒸汽，并放出大量热。经冷凝器冷凝后，生成的粗硫于气液分离器中所分离，脱硫后的混合气则在吸收塔中富集co2得到富液，富液在混气反应塔内吸收热量预热升温，输运至解吸塔后经再沸器加热后解吸出co2，分流少量co2于鼓泡塔与硫氢化钠溶液反应生成硫化氢和碳酸氢钠溶液，硫化氢混合气输至反应塔脱硫，碳酸氢钠溶液经过浓缩结晶后获得副产物。整体工艺流程整合了so2和co2的脱除过程，余热利用提高了能量利用效率，副产物的产出降低了成本。

5、作为优选，进入还原反应器前混合气体中的so2的体积分数为1～40％，混合气体中的co2的体积分数为1～40％。

6、还原反应器内的温度为100～400℃，压力为0～0.5mpa；第一冷凝器、第一气液分离器的温度为120～150℃。

7、作为优选，所述吸收塔内温度为60～150℃，吸收塔内喷淋吸收剂贫液，吸收剂选用碱性co2吸收剂，质量分数为0～30％，气体流速为0.1～0.5m/s，吸收剂的流速为吸收塔塔内气体流速的1～10倍；所述解吸塔内温度为60～150℃，解吸塔内喷淋吸收剂富液，流速为解吸塔塔内气体流速的1～10倍。

8、作为优选，所述第二冷凝器、第二气液分离器的工作温度为60～90℃，所述鼓泡塔需要抽取气体进行反应，鼓泡塔抽取第二气液分离器气体出口的气体体积分数为0～20％，反应温度为20～50℃，液体流速为鼓泡塔塔内气体流速的1～10倍；储气罐内的温度为0～40℃，压力为0.1～1mpa；

9、储液罐内盛装碱性硫化物溶液，包括硫氢化钠、硫化钠、硫化钾和硫化铵在内的碱性硫化物溶液，但不限于其他可与co2反应生成还原性气体的溶液，碱性硫化物溶液质量分数为0～40％，所述储液罐内的温度为20～40℃；

10、副产物储液罐内盛装鼓泡塔反应后的副产物，所述副产物储液罐内的温度为40～60℃；所述蒸发结晶池的温度120～200℃。

11、所述再沸器可根据实际工况选用立式、卧式、釜式和降膜类型，使用高温流体进行加热，温度为120～150℃。

12、还原反应器内设置1～n层催化填料层，用于提高还原so2的选择性，催化剂的选择则依据还原气体的类别。

13、还原反应器内均匀布置1～n条回路的富液预热器管路，用于预热提高富液的温度，回收余热，降低解吸能耗。

14、吸收塔内可以布置1～n层填料层，解吸塔内布置1～n层填料层。

15、所述上述所有部件，依据自身所涉及功能用途，在其合适位置均安装有参数监测控制装置，可实时监测流量、压力、温度和气体组分(个别涉及气体参与的部件具备)等参数。

16、本发明还提供上述混合气体中so2与co2协同脱除和资源化利用系统的灵活调控方法，包括建立下述三种模型：基于复杂气体工况的知识与数据协同驱动的还原反应器so2脱除控制预测模型、吸收塔co2脱除控制和解吸塔再沸器蒸汽流量供给控制预测模型；

17、以气体组分、so2还原反应机理和还原反应器内的反应工况为基础，建立复杂气体工况的知识与数据协同驱动的还原反应器so2脱除控制预测模型；

18、以气体组分、co2吸收反应机理、工质流量和吸收塔内的反应工况为基础，建立复杂气体工况的知识与数据协同驱动的吸收塔co2脱除控制预测模型；

19、以吸收剂富液在吸收塔、富液预热器和贫富液换热器装置出口的温度和压力为基础，结合再沸器供给蒸汽的温度和压力、吸收剂富液的解吸性能，建立复杂气体工况的知识与数据协同驱动的解吸塔再沸器蒸汽流量供给控制预测模型。

20、联立三种模型，根据混合气体组分调整再沸器蒸汽供给量来控制so2脱除效率和co2脱除效率，提出合理的能量供给策略。

21、作为优选，所述混合气体中so2与co2协同脱除和资源化利用系统的灵活调控方法，具体包括下述步骤：

22、s1：基于在线与历史运行数据，建立涵盖吸收剂物性参数、so2还原反应条件工况参数、还原反应器、吸收塔、富液预热器、解吸塔和再沸器的装置设计参数，进入还原反应器前的混合气体中so2和co2组分含量及其流量参数，进入还原反应器前还原气体中的还原性组分含量及其流量参数，还原反应器内平均温度和压力参数，吸收塔气体进出口处的混合气体中so2和co2组分含量、流量和压力参数，吸收塔、富液预热器、贫富液换热器出口吸收剂富液的平均温度和压力参数，以及再沸器供给蒸汽的温度和压力参数的数据库；

23、s2：基于步骤s1构建的参数数据库，针对还原反应器装置，基于还原反应器中不同配比还原性气体还原so2的反应机理和反应条件，分析待处理混合气体中so2组分和还原性气体组分在还原反应器内工况下的反应速度，进一步结合还原性气体还原so2反应动力学数据，建立复杂气体工况的知识与数据协同驱动的还原反应器so2脱除控制预测模型；

24、s3：基于步骤s1构建的参数数据库，针对吸收塔装置，基于吸收塔装置、吸收剂和不同co2含量的混合气反应的反应机理和传热传质过程，分析吸收塔装置内的温度和压力、吸收剂的流量，结合吸收剂的物性参数数据和吸收塔气体出口的气体成分对吸收塔的co2脱除效率进行修正，建立复杂气体工况的知识与数据协同驱动的吸收塔co2脱除控制预测模型；

25、s4：基于步骤s1构建的参数数据库，针对富液预热器、贫富液换热器、解吸塔和再沸器装置，基于富液预热器、贫富液换热器、解吸塔和再沸器装置间不同热源与吸收剂富液的换热机理和运行经验知识，分析吸收塔、富液预热器和贫富液换热器出口吸收剂富液的温度和压力、再沸器所需供给蒸汽的温度和压力、解吸塔气体出口的气体流量，结合吸收剂富液的解吸性能参数，建立复杂气体工况的知识与数据协同驱动的解吸塔再沸器蒸汽流量供给控制预测模型。

26、作为优选，步骤s2中建立的复杂气体工况的知识与数据协同驱动的还原反应器so2脱除控制预测模型表述为：

27、hso2＝f(k1so2，k1co2，q1sc，kre，qre，t1，p1)

28、其中，hso2为还原反应器的so2脱除效率，k1so2和k1co2分别为进入还原反应器前的混合气体中so2和co2组分含量，q1sc为进入还原反应器前的混合气体的流量，kre和qre分别为进入还原反应器前还原气体中的还原性组分含量和流量，t1和p1分别为还原反应器内的平均温度和压力。

29、作为优选，步骤s3中建立的复杂气体工况的知识与数据协同驱动的吸收塔co2脱除控制预测模型表述为：

30、hco2＝f(qso2，k2co2，q2sc，k3so2，k3co2，q3sc，t2，p2，qab，g1)

31、其中，k2so2和k2co2分别为进入吸收塔前的混合气体中so2和co2组分含量，q2sc为进入吸收塔前的混合气体的流量，k3so2和k3co2分别为吸收塔气体出口的混合气体中so2和co2组分含量，q3sc为吸收塔气体出口的混合气体的流量，t2和p2分别为吸收塔内的平均温度和压力，qab为吸收塔内吸收剂的流速，g1为吸收剂的co2吸收特征常数。

32、作为优选，步骤s4中建立的复杂气体工况的知识与数据协同驱动的解吸塔再沸器蒸汽流量供给控制预测模型表述为：

33、qst＝f(qde，t3，p3，t4，p4，t5，p5，t6，p6，qco2，g2)

34、其中，qst为再沸器所需供给的蒸汽流量，qde为吸收塔出口吸收剂富液的流量，t3和p3分别为吸收塔出口吸收剂富液的温度和压力，t4和p4分别为富液预热器出口吸收剂富液的温度和压力，t5和p5分别为贫富液换热器出口吸收剂富液的温度和压力，t6和p6分别为再沸器内供给蒸汽的温度和压力，qco2为解吸塔气体出口的co2流量，g2为吸收剂的co2解吸特征常数。

35、通过建立三个模型，联立起混合气体组分、so2脱除效率、co2脱除效率和再沸器蒸汽供给量等参数之间的关系。通过了解混合气体组分，调整再沸器蒸汽供给量来灵活调控so2脱除效率和co2脱除效率等参数，提出合理的能量供给策略。

36、本发明提供了混合气体中so2与co2协同脱除和资源化利用系统及其灵活调控方法，通过集成so2和co2脱除系统，建立起两者之间的能量和物料联系，提高能量和物料利用效率，协同脱除过程中产生的副产品能够带来很好的经济效益，弥补运维成本；同时设计了适配于该系统的灵活调控方法，进一步优化物质和能量利用效率；该技术实现了混合气体中so2与co2工艺过程的低投建运维成本、低能耗运行、高经济收益。