NaOH 脫硫工藝中漿液循環(huán)泵技術(shù)

孫道林

（中石化寧波工程有限公司，浙江寧波 315103）

隨著中國石油化工產(chǎn)業(yè)的興起及裝置規(guī)模的擴大，新建煉油和乙烯聯(lián)合一體化工程中都相應(yīng)配套動力中心進行熱電聯(lián)產(chǎn)，為裝置提供所需的蒸汽并提供并網(wǎng)發(fā)電。隨著國家對環(huán)境保護減排的要求，采用煙氣脫硫技術(shù)控制動力中心鍋爐煙氣二氧化硫排放。目前國內(nèi)采取的煙氣脫硫工藝主要有：濕法石灰石/石灰煙氣脫硫、雙堿法脫硫、氨法脫硫、海水脫硫。相應(yīng)的漿液循環(huán)泵主要有：襯橡膠或襯陶瓷泵和護套合金泵。本文介紹的脫硫工藝為NaOH堿法脫硫工藝，通過詳細的技術(shù)分析，在國內(nèi)首次使用該工藝時即對關(guān)鍵設(shè)備漿液循環(huán)泵進行了國產(chǎn)化，達到100%工藝設(shè)備國產(chǎn)化；漿液循環(huán)泵采用符合石化標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)的全合金泵。

1 脫硫工藝流程和所用漿液循環(huán)泵的特點

煙氣脫硫已存在的工藝路線很多，最終目標(biāo)是對大氣實現(xiàn)環(huán)保排放，降低酸雨的發(fā)生，改善人類的生存環(huán)境。煙氣脫硫大都通過化學(xué)過程將煙氣中的二氧化硫吸收或反應(yīng)掉，使用的漿液循環(huán)泵作為關(guān)鍵核心設(shè)備之一。

1.1 傳統(tǒng)脫硫工藝和相應(yīng)漿液循環(huán)泵特點

氨法是利用氨水與空氣中的二氧化硫反應(yīng)生成亞硫酸銨，并氧化成硫酸銨，經(jīng)過結(jié)晶、過濾、干燥得到銨肥。氨法的特點是：反應(yīng)速度快，無吸收劑再循環(huán)系統(tǒng)；氨法工藝無廢水、廢渣排放，副產(chǎn)物可作肥料；副產(chǎn)物分離系統(tǒng)復(fù)雜；不可避免銨的泄漏問題，吸收劑消耗量大，成本高；易腐蝕，凈化后尾氣存在氣溶膠問題。

雙堿法脫硫工藝，克服了石灰/石灰石法容易結(jié)垢和堵塞的缺點。該法先用可溶性的堿性清液作為吸收劑吸收SO2，然后再用石灰乳或石灰對吸收液進行再生[3]。雙堿法可得到較高的脫硫率，可達80%以上，應(yīng)用范圍較廣，該法的主要缺點是再生池和澄清池占地面積較大。

傳統(tǒng)濕法脫硫工藝占脫硫應(yīng)用的85%以上，也是成功工業(yè)化和成熟技術(shù)，漿液成分見表1。

表1 典型濕法脫硫漿液特性Table 1 Typical wet desulfurization slurry characteristics

根據(jù)漿液特性，pH 值3 ～ 7 呈酸性，泵主要以耐酸性腐蝕和磨蝕為主。國內(nèi)目前漿液循環(huán)泵主要采用襯膠泵和合金泵。傳統(tǒng)漿液循環(huán)泵特性見表2。

表2 常用漿液循環(huán)泵特性Table 2 Characteristics of common slurry circulating pump

1.2 新工藝脫硫特點

本設(shè)備裝置流程如下圖1 所示，鍋爐煙氣經(jīng)袋式除塵器進行除塵后由風(fēng)機送入脫硫塔，通過堿液泵送入的堿液至塔底形成堿性溶液，漿液循環(huán)泵將塔底液送入脫硫塔內(nèi)部的噴嘴對煙氣進行洗滌和吸收二氧化硫，達到凈化煙氣的目的。爆氣風(fēng)機深化脫硫效果，漿液循環(huán)泵間歇把達到一定濃度的漿液送入漿液后處理系統(tǒng)，加入絮凝劑后經(jīng)澄清槽和脫水系統(tǒng)進行固液分離，液體返回脫硫塔進行補水，將固體物質(zhì)主要是Na2SO3和煙氣中的灰塵進行集中收集處理。

圖1 NaOH 脫硫工藝流程示意Fig.1 NaOH desulfurization process schematically

與濕法石灰石脫硫、雙堿法脫硫、氨法脫硫、海水脫硫等國內(nèi)常用脫硫工藝系統(tǒng)相比：不需要石灰石池、澄清池、再生池占地面積大的設(shè)施；系統(tǒng)內(nèi)的水循環(huán)使用，只需對尾氣蒸發(fā)的水進行補充，故沒有廢水的排放；脫硫用堿液要求不高，可利用各類副產(chǎn)的廢苛性堿液即可；整個系統(tǒng)按照石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，可靠性高，運行周期長；具有更潔凈、高效、占地小、無二次污染等特點。漿液組成成分如表3 所 示。

從表3 可看出漿液成分與石灰石脫硫漿液差別較大， pH 值6.5 ～ 8 呈中性，漿液中容易結(jié)晶結(jié)垢的成分低有助于裝置連續(xù)運轉(zhuǎn)，呈弱堿性和中性提高了脫硫效率。使用的液循環(huán)泵特性見表4。

表3 NaOH 脫硫漿液特性Table 3 NaOH desulfurization slurry characteristics

表4 漿液循環(huán)泵特性Table 4 NaOH desulfurization slurry circulating pump characteristics

2 不同工藝對應(yīng)泵特性及結(jié)構(gòu)分析

濕法脫硫和NaOH 脫硫工藝不同，造成泵的運行點也不相同。由于動力中心為石化裝置服務(wù)的特點，要求泵滿足石化行業(yè)相關(guān)要求。

2.1 運行條件

由于采用了NaOH 脫硫，漿液的流動性能好，不易結(jié)晶、結(jié)垢，固體含量也相對較低，所以泵送流量比濕法脫硫循環(huán)量少，相應(yīng)消耗較??；為了保證脫硫效果，加大了塔內(nèi)氣液混合時間，揚程是傳統(tǒng)漿液循環(huán)泵的一倍；為石化裝置服務(wù)確定泵連續(xù)運行周期長，要求泵的可靠性高。運行條件對比情況如表5所示。

表5 漿液循環(huán)泵運行條件對照表Table 5 Comparison of pump operating conditions

2.2 泵材料的選擇

不同濃度、不同溫度、不同的壓力下介質(zhì)腐蝕特性不盡相同。在壓力、溫度升高和流動沖刷同時存在的情況介質(zhì)會加劇金屬材料的腐蝕速度，而且一般情況下溫度升高10℃，腐蝕速率約增加1 ～ 3 倍。提高材料表面硬度來減小固體成分在高速流動過程中摩擦金屬產(chǎn)生的磨蝕。所以漿液循環(huán)泵材料的要求比較特殊，合理選材至關(guān)重要。對泵用常用金屬材料的性能在本漿液特性下進行對比分析進行篩選，如表6所示。

表6 各種金屬在NaOH 脫硫漿液的腐蝕、磨蝕情況Table 6 Corrosion and abrasion of several metals in NaOH desulfurization slurry

經(jīng)過選擇優(yōu)先選用A532，此材料為“抗磨鑄鐵”采用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，等效于我國GB/T 8263《抗磨白口鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)》，材料主要成分含Cr 5% ～ 18%、Ni 5.0% ～ 6.5%、C 2.6% ～ 3.2%、Mo 2%、Mn 0.8% ～ 1.3%、Si 0.5% ～ 1.2%、Cu 1%，加入的合金成分有效地提高了抗腐蝕能力。但材料屬于脆性材料，很容易因溫度驟變而致使鑄件產(chǎn)生裂紋，熱處理難度大。經(jīng)冷態(tài)裝爐、緩慢溫升、不穩(wěn)定化處理、硬化處理后HB 硬度值可以達到500 ～ 800。

采用此材料制作全合金金屬泵克服了襯膠泵產(chǎn)生的脫膠問題和內(nèi)外泵體采用不同材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，承壓性好，維修量少。

2.3 泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

漿液循環(huán)泵設(shè)計參照美國石油協(xié)會API 610 標(biāo)準(zhǔn)OH2 懸臂泵型整體撬裝進行設(shè)計。采用徑向剖分，中心支撐低轉(zhuǎn)速，配置符合API 682 標(biāo)準(zhǔn)的集裝式機械密封，Plan 32 外沖洗方案，前圓柱軸承后深溝球軸承＋圓錐推力軸承支撐，采用帶加長節(jié)的撓性膜片聯(lián)軸器，稀油潤滑鑄鋼軸承箱，寬流道單渦殼，全A532 合金過流部件的設(shè)計。由于泵殼和葉輪材料的的硬度高耐腐蝕性強，省略了傳統(tǒng)合金漿液循環(huán)泵的前后護板結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、維修量少，如圖2 所示。

圖2 兩種漿液循環(huán)泵外形Fig.2 Outline drawing of two slurry circulating pumps

采用整體撬裝設(shè)計，減少現(xiàn)場安裝工作量，整個泵系統(tǒng)剛性大，運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)；中心支撐能帶來更好的泵體承受外力的作用，穩(wěn)定性提高；單獨的推力軸承能夠承受更大的軸向力，在泵負荷變化時也能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；適當(dāng)降低的轉(zhuǎn)速雖然使泵型加大造價增加，但能夠有效地降低磨蝕且減小汽蝕余量，延長了使用壽命，提高了穩(wěn)定性；大密封腔的API 682 集裝機封不但延長了機封的使用壽命，而且容易更換使用可靠。參照API 610 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計適合石化行業(yè)，提高了設(shè)備可靠性，為連續(xù)長周期運轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)[4-6]。

3 漿液循環(huán)泵的工業(yè)運行

經(jīng)過與泵廠的技術(shù)交流，方案得到實施。制造了三臺全合金漿液循環(huán)泵。該泵流量1 300 m3/h， 揚程50 m。于2007 年在某大型煉化工程動力中心脫硫裝置投入運行?，F(xiàn)場實測在額定流量設(shè)計點下運行：揚程51 m，最大點振動1.7 mm/s，軸承溫升小于20℃，噪音76 dBA，通過實際運行，泵的性能、機械性能達到標(biāo)準(zhǔn)要求。不停車連續(xù)運行超30 000 h，易損件無一更換。整個脫硫工藝流程運轉(zhuǎn)正常，脫硫效果優(yōu) 秀。

4 結(jié)論

通過對新型脫硫技術(shù)的流程分析，完成了關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)自主生產(chǎn)，經(jīng)裝置實際生產(chǎn)驗證，實現(xiàn)不間斷連續(xù)運轉(zhuǎn)保證了裝置長穩(wěn)安滿優(yōu)運行，截至目前設(shè)備運行良好。泵從設(shè)計階段即按照國際標(biāo)準(zhǔn)進行，實際運行情況證明了泵達到國際水平。具備連續(xù)運轉(zhuǎn)周期長、結(jié)構(gòu)簡單、維修量小、運行可靠的等優(yōu)點。

在首次使用新工藝技術(shù)進行工程設(shè)計時即對關(guān)鍵核心設(shè)備進行國產(chǎn)化和開發(fā)是一次大膽的嘗試。在經(jīng)過詳細的工藝技術(shù)論證和分析后，進行有的放矢對核心問題進行解決，提高設(shè)備國產(chǎn)自主能力也是作為一個工程技術(shù)人員的迫切任務(wù)。

愿能為引進技術(shù)的消化吸收提供借鑒，共同提高國內(nèi)石化裝備設(shè)備的制造水平和能力，推動裝備國產(chǎn)化的進程。