脫硫氧化風(fēng)系統(tǒng)母管制節(jié)能技術(shù)研究

谷小兵 寧翔 李建 肖海平

（1 大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 北京 100097 2 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 北京 102206）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)火電燃煤機(jī)組大多采用濕法脫硫技術(shù)，石灰石濕法脫硫技術(shù)較為成熟，具有成本低、脫硫效率高等特點(diǎn)［1-3］。電站W(wǎng)FGD的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性成為當(dāng)前濕法脫硫研究的熱點(diǎn)，即優(yōu)化設(shè)備能耗同時(shí)保證脫硫效率［4-5］。濕法脫硫系統(tǒng)能耗占據(jù)供電總量的1%～2%左右［6-8］，而氧化風(fēng)機(jī)是脫硫系統(tǒng)主要的耗能設(shè)備之一。常用的氧化空氣子系統(tǒng)主要分為氧化空氣噴槍式和空氣管網(wǎng)噴射式［9-10］。氧化空氣噴槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本低，噴槍管徑較大，出口不易堵塞；但因鼓出的氣泡較大，氧化空氣利用率較低，風(fēng)機(jī)能耗大?？諝夤芫W(wǎng)噴射式在吸收塔氧化區(qū)底部斷面上均布若干氧化空氣母管，母管上有眾多分支管，能形成細(xì)小的氣泡，均勻分布在吸收塔內(nèi)，氧化空氣利用率較高，風(fēng)機(jī)能耗?。坏^小的氧化空氣孔，容易被漿液中的固體堵塞，維護(hù)成本較高。

在實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)入吸收塔的氧化風(fēng)量遠(yuǎn)高于實(shí)際需求量，一方面造成風(fēng)機(jī)能耗過高，另一方面過量的氧化空氣會(huì)加劇塔內(nèi)泡沫的產(chǎn)生，造成吸收塔液位虛高，嚴(yán)重情況甚至造成漿液溢流。這一問題在當(dāng)前火電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行的情況下更加突出，也不利于火電機(jī)組的靈活運(yùn)行。所以，脫硫系統(tǒng)氧化風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造勢(shì)在必行。

陸建軍等［11］針對(duì)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)介紹了氧化空氣量和氧化風(fēng)機(jī)的壓頭計(jì)算公式，為脫硫氧化風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型提供了參考。郭西清［12］結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行，將離心式氧化風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式由原先的“兩運(yùn)一備”變?yōu)椤耙贿\(yùn)兩備”后，大大降低了氧化風(fēng)機(jī)的能耗。張超［6］對(duì)脫硫離心式氧化風(fēng)機(jī)故障原因進(jìn)行了分析，提出了采取單臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)通過風(fēng)機(jī)出口聯(lián)絡(luò)管供應(yīng)相鄰兩個(gè)吸收塔的運(yùn)行方式并成功地進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

本文重點(diǎn)討論離心風(fēng)機(jī)母管制工藝，計(jì)算不同脫硫負(fù)荷下吸收塔實(shí)際所需的氧化風(fēng)量，確定單臺(tái)離心風(fēng)機(jī)額定出力下能滿足兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的最高脫硫負(fù)荷。在高負(fù)荷時(shí)采取雙風(fēng)機(jī)單元制運(yùn)行策略，為雙吸收塔各自供風(fēng)，低負(fù)荷時(shí)切換單風(fēng)機(jī)母管制運(yùn)行以供給雙吸收塔，從而降低氧化風(fēng)機(jī)的能耗。

1 氧化風(fēng)系統(tǒng)母管制工藝

火電廠機(jī)組負(fù)荷變化幅度較大，大部分氧化風(fēng)機(jī)采用離心式風(fēng)機(jī)。離心風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓頭與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比［13-14］。若通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，氧化風(fēng)機(jī)出口壓力也會(huì)相應(yīng)減少，當(dāng)出口壓力小于氧化風(fēng)總阻力就無法將氧化空氣噴入漿液池中。所以離心式氧化風(fēng)機(jī)無法采用變頻節(jié)能改造技術(shù)，在低負(fù)荷工況下氧化風(fēng)供應(yīng)量過剩，能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。

以某電廠2×350 MW 機(jī)組濕法煙氣脫硫系統(tǒng)為例：該廠設(shè)置了2 座吸收塔，每座吸收塔匹配2 臺(tái)離心式氧化風(fēng)機(jī)，每臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)的額定流量為3 Nm3/s，額定功率為315 kW，出口相對(duì)壓力為88 kPa。機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行過程氧化風(fēng)供應(yīng)量過大，導(dǎo)致能耗增加，液位波動(dòng)大，運(yùn)行安全性下降。

針對(duì)離心式氧化風(fēng)機(jī)的節(jié)能，可采用母管制氧化風(fēng)系統(tǒng)，將4 臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)出口引入供風(fēng)母管中，2 座吸收塔連接同一供風(fēng)母管，母管中間安裝1 個(gè)聯(lián)絡(luò)電動(dòng)門。每座吸收塔前的氧化風(fēng)管上裝有氧化風(fēng)流量計(jì)和電動(dòng)閥，保證氧化風(fēng)能根據(jù)實(shí)際需求量進(jìn)入2 座吸收塔中。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 脫硫氧化風(fēng)母管制工藝流程

實(shí)際運(yùn)行過程中，高負(fù)荷階段，聯(lián)絡(luò)電動(dòng)門關(guān)閉，2 座吸收塔采用單元制運(yùn)行，各吸收塔氧化風(fēng)機(jī)各自供風(fēng)。低負(fù)荷階段，聯(lián)絡(luò)電動(dòng)門開啟，停掉1 臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)，只保留1 臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，該風(fēng)機(jī)的氧化風(fēng)通過聯(lián)通母管同時(shí)向2 座吸收塔供風(fēng)，即氧化風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入母管制運(yùn)行方式，節(jié)約能耗。在某氧化風(fēng)機(jī)事故狀態(tài)下，可通過氧化風(fēng)母管制運(yùn)行，提高脫硫系統(tǒng)的安全性和冗余性。

2 氧化空氣量需求

氧化風(fēng)母管制和單元制運(yùn)行模式切換必須基于脫硫氧化風(fēng)量的精確計(jì)算。氧化風(fēng)機(jī)作用是向吸收塔鼓入足量空氣，保證塔內(nèi)亞硫酸鈣的氧化［15-17］，具體反應(yīng)式如式（1）。

在實(shí)際運(yùn)行中，吸收塔所供應(yīng)的氧化空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際所需空氣量。亞硫酸鈣經(jīng)歷了2 個(gè)階段的氧化，即噴淋層內(nèi)的自然氧化和吸收塔漿液內(nèi)的強(qiáng)制氧化。自然氧化率與噴淋層的個(gè)數(shù)有關(guān)，噴淋層個(gè)數(shù)越多，漿液中亞硫酸鈣被煙氣中氧氣氧化的量越多。超低排放后，國(guó)內(nèi)脫硫系統(tǒng)自然氧化能力明顯提高，導(dǎo)致實(shí)際氧化風(fēng)量遠(yuǎn)超脫硫需要的氧化風(fēng)量。

氧化風(fēng)以氣泡的形式通入漿液中，對(duì)亞硫酸鈣進(jìn)行強(qiáng)制氧化。由于氣膜和液膜、液膜和液膜之間的傳質(zhì)速率有限，有一部分氧化風(fēng)來不及發(fā)生反應(yīng)，隨著氣泡一起跑到漿液外。氧化空氣噴嘴到吸收塔液面距離越大，氣泡在漿液中停留時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)制氧化率越高。所以，強(qiáng)制氧化風(fēng)量與運(yùn)行參數(shù)如吸收塔液位、脫硫負(fù)荷等參數(shù)密切相關(guān)?；谝陨戏治?，建立氧化風(fēng)實(shí)際需求量公式如式（2）。

式中：Q實(shí)際為氧化風(fēng)實(shí)際需求量，Nm3/h；α 為自然氧化率，與吸收塔運(yùn)行方式有關(guān)，一般在0.2～0.3 之間；Qgas為脫硫塔入口煙氣量，Nm3/h；CSO2為脫硫塔入口SO2濃度，mg/Nm3；η 為脫硫效率；β 為強(qiáng)制氧化率，是吸收塔液位的函數(shù)。

基于公式（2），求得該電廠不同負(fù)荷下氧化風(fēng)實(shí)際需求量如表1。

表1 氧化風(fēng)實(shí)際供應(yīng)量與實(shí)際需求量對(duì)比

在脫硫負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，自然氧化風(fēng)量基本不變，強(qiáng)制氧化風(fēng)實(shí)際需求量隨脫硫負(fù)荷降低而降低。機(jī)組負(fù)荷在70%負(fù)荷以下時(shí)，強(qiáng)制氧化風(fēng)實(shí)際需求量在3 Nm3/s 以下，可切換為母管制運(yùn)行。由于離心風(fēng)機(jī)的出口流量基本不發(fā)生變化，所以在母管制運(yùn)行下，很多時(shí)候的氧化風(fēng)實(shí)際供應(yīng)量仍然大于實(shí)際需求量。但相比于2 臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，母管制運(yùn)行節(jié)能效果顯著。

3 氧化風(fēng)子系統(tǒng)運(yùn)行模式和能耗分析

離心風(fēng)機(jī)的能耗可由式（3）算出計(jì)算［13］。

式中：Nof表示氧化風(fēng)機(jī)能耗，kW；qv表示風(fēng)機(jī)出口流量，m3/s；Δp 表示風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓差，Pa；η 表示風(fēng)機(jī)效率；ηd表示傳動(dòng)效率；ηg表示原動(dòng)機(jī)效率。

在運(yùn)行中，吸收塔所供應(yīng)的氧化空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際所需的空氣量。離心風(fēng)機(jī)因其特殊的性能曲線，不宜調(diào)整出口的風(fēng)量，而在脫硫負(fù)荷較低時(shí)可切換為1 臺(tái)風(fēng)機(jī)帶2 臺(tái)機(jī)組脫硫塔的形式?；贒CS 數(shù)據(jù)和氧化風(fēng)需求量公式進(jìn)行計(jì)算，可分別得到單元制和母管制運(yùn)行的能耗，如表2 所示。

表2 某電廠不同負(fù)荷下氧化風(fēng)機(jī)的能耗

由表2 可以看出，該廠氧化風(fēng)機(jī)的選型偏大，氧化風(fēng)實(shí)際供應(yīng)量遠(yuǎn)高于實(shí)際需求量。離心式氧化風(fēng)機(jī)在單風(fēng)機(jī)單塔運(yùn)行下只能全負(fù)荷運(yùn)行，不適合當(dāng)前靈活性發(fā)電節(jié)能的要求。但采用母管制運(yùn)行時(shí)，70%以下的脫硫負(fù)荷時(shí)可用單氧化風(fēng)機(jī)供給雙吸收塔運(yùn)行，可降低50%左右的能耗。

母管制運(yùn)行模式下，低負(fù)荷時(shí)2 座吸收塔只需要1 臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，顯著提高了氧化風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提高了運(yùn)行的靈活性和安全性。

4 母管制阻力與流量的討論

氧化風(fēng)流量越大，則系統(tǒng)阻力越大。如果氧化風(fēng)系統(tǒng)總阻力大于氧化風(fēng)機(jī)出口的額定壓力，可能會(huì)使氧化風(fēng)機(jī)發(fā)生跳閘事故。母管制的運(yùn)行方式減少了單臺(tái)吸收塔的氧化風(fēng)量，氧化風(fēng)機(jī)受到的總阻力也會(huì)相應(yīng)減小。氧化風(fēng)進(jìn)入脫硫系統(tǒng)過程中主要受到4種阻力：液位阻力、調(diào)節(jié)閥阻力、除霧器阻力和管道沿程阻力。

本研究對(duì)象的液位阻力一般是60 kPa～70 kPa，占總阻力的70%～90%。調(diào)節(jié)閥阻力與調(diào)節(jié)閥的開度有關(guān)，開度越小，阻力越大，閥門全開時(shí)則阻力很??；在50%的開度時(shí)阻力達(dá)到了4 kPa 以上。除霧器的阻力也不容忽視，發(fā)生堵塞時(shí)會(huì)超過500 Pa。管道沿程阻力和局部阻力相對(duì)較小，且與運(yùn)行工況關(guān)聯(lián)度較小。

液位阻力和調(diào)節(jié)閥阻力隨運(yùn)行條件而變化。吸收塔液位每增加1 m，液位阻力增加10 kPa，對(duì)氧化風(fēng)總阻力的影響很大。母管制運(yùn)行時(shí)，2 座吸收塔液位不一致會(huì)導(dǎo)致氧化空氣阻力分布不均，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)1 座吸收塔沒有氧化風(fēng)的情況。所以，母管制運(yùn)行時(shí)要時(shí)刻關(guān)注液位的變化，2 座吸收塔液位偏差不能太大，盡量避免用調(diào)節(jié)閥平衡氧化風(fēng)的阻力。除霧器發(fā)生堵塞時(shí)阻力也需要加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視，及時(shí)沖洗并保證沖洗水的流量和壓力，停運(yùn)期間做好除霧器的檢查和維護(hù)工作。

5 小結(jié)

（1）根據(jù)離心風(fēng)機(jī)的特性，提出了低負(fù)荷下氧化風(fēng)機(jī)母管制運(yùn)行策略，以降低氧化風(fēng)機(jī)能耗，同時(shí)提高脫硫氧化風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

（2）根據(jù)脫硫氧化機(jī)理建立氧化風(fēng)需求量模型，計(jì)算出不同負(fù)荷下2 座吸收塔需要的氧化風(fēng)量，為母管制的運(yùn)行切換提供了理論依據(jù)。

（3）以某電廠2×350 MW 機(jī)組為例，當(dāng)2 臺(tái)機(jī)組脫硫負(fù)荷在70%以下時(shí)可切換為母管制運(yùn)行，能降低50%左右的能耗。

（4）液位阻力和調(diào)節(jié)閥阻力隨運(yùn)行條件而變化。脫硫液位壓差是氧化風(fēng)系統(tǒng)的主要阻力來源，占總阻力的70%～90%，控制液位波動(dòng)有利于氧化風(fēng)母管制運(yùn)行安全。