600MW機(jī)組濕法脫硫氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)可行性探討

深能合和電力（河源）有限公司 張宇棟 趙建彬

深能合和電力(河源)有限公司的2×600MW 超超臨界燃煤機(jī)組采用石灰石-石膏法脫硫工藝，通過(guò)對(duì)氧量的理論核算、氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后吸收塔液位的影響分析、漿液品質(zhì)分析與石膏品質(zhì)分析，得出氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)的可行性探討。試驗(yàn)表明，在停運(yùn)過(guò)程中，凈煙氣SO2濃度、漿液中CaSO3濃度在正常范圍內(nèi)，石膏成分及脫水正常。本文通過(guò)優(yōu)化氧化風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式，可實(shí)現(xiàn)降低廠用電率0.07%。

1 氧化風(fēng)停運(yùn)可行性分析

深能合和電力（河源）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“河源電廠”）的2×600MW 超超臨界燃煤機(jī)組采用石灰石-石膏法脫硫工藝，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1座脫硫吸收塔，每座吸收塔設(shè)置兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)。

1.1 空氣量對(duì)吸收塔的影響

氧化風(fēng)量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加；過(guò)多的氣泡會(huì)導(dǎo)致吸收塔產(chǎn)生虛假液位。氧化風(fēng)量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)設(shè)備的結(jié)垢和堵塞；抑制SO2的吸收，降低脫硫效率；影響脫硫石膏的品質(zhì)[1]。因此，脫硫吸收塔需要的氧量需要相對(duì)精準(zhǔn)控制。在保證脫硫效率的前提下，提供合理的氧化風(fēng)，一方面可降低脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，另一方面可保證脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 氧化需求氧量、實(shí)際氧量計(jì)算

根據(jù)脫硫系統(tǒng)反應(yīng)方程式，SO32-完全轉(zhuǎn)化為SO42-，氧化需求氧氣量QO2計(jì)算公式為QO2=SO2去除量×0.5)/ρ；實(shí)際參與反應(yīng)氧量QO2r計(jì)算公式為QO2r=(O2-α×SO2×0.5)×β。計(jì)算保留最大裕度，取自然氧化率20%、氧化空氣利用率20%，以燃燒高硫煤種工況為主，考慮修正因素，采集各負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的煙氣數(shù)據(jù)，計(jì)算得出相應(yīng)QO2、QO2r如表1。

表1 相關(guān)理論計(jì)算值

式中QO2為氧化需求氧氣量，Nm3/h；ρ 為氧氣的密度，ρ=1.43kg/Nm3；0.5為氧化反應(yīng)化學(xué)當(dāng)量摩爾比；QO2r為實(shí)際參與反應(yīng)的氧量，Nm3/h；SO2為二氧化硫脫除量，Nm3/h；O2為原煙氣氧量，Nm3/h；α 為自然氧化率，20%；β 為空氣利用率，20%。

從表1中可以明顯看出：各負(fù)荷下煙氣中提供的氧氣量遠(yuǎn)大于氧化所需的氧氣量，從反應(yīng)需求氧量來(lái)看，氧化風(fēng)機(jī)是具備停運(yùn)條件的。

此外，由于煙氣僅會(huì)與噴淋出的漿液逆向接觸而發(fā)生氧化反應(yīng)，通過(guò)漿液池表面吸收的氧量是很小的，此時(shí)煙氣中的氧量能否將噴淋區(qū)漿液中亞硫酸鹽氧化為硫酸鹽是停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵。對(duì)此，做出如下分析：經(jīng)典雙膜理論認(rèn)為，對(duì)于氧化反應(yīng)的進(jìn)行，其控制步驟是O2的吸收，而O2透過(guò)液膜的能力與接觸表面積有關(guān)，接觸表面積越大，O2的吸收能力越強(qiáng)，提高接觸表面積的方法是提高液—?dú)獗?，由于漿液循環(huán)泵參數(shù)確定，最大液—?dú)獗纫汛_定，為了能夠提高漿液自然氧化的效率，可以通過(guò)增加漿液循環(huán)停留時(shí)間τc 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

τc（min）是漿液在吸收塔內(nèi)循環(huán)一次在吸收塔中的平均停留時(shí)間，等于吸收塔漿液體積與循環(huán)漿液總流量之比。石灰石工藝的τc 一般為3.5～7min[2]。Tc=漿液體積（m3）/循環(huán)漿液總流量（m3/h）×60。

吸收塔直徑15.3m；面積183.76062m2；循環(huán)量：ABC 漿液循環(huán)泵9800m3/h，D 漿液循環(huán)泵7100m3/h。當(dāng)漿液循環(huán)泵ABCD、BCD 泵運(yùn)行時(shí)，控制吸收塔液位分別在11.5m、11.3m，此時(shí)τc 分別為3.48min、4.67min，在保證石灰石溶解及石膏生長(zhǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較多漿液循環(huán)次數(shù)，在噴淋效果穩(wěn)定且富氧的情況下，自然氧化將在噴淋區(qū)持續(xù)發(fā)生。

1.3 氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后漿液品質(zhì)與石膏品質(zhì)的變化

為了探究氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)對(duì)吸收塔漿液品質(zhì)、石膏品質(zhì)的影響，通過(guò)對(duì)氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后的吸收塔漿液進(jìn)行6小時(shí)內(nèi)的逐小時(shí)化驗(yàn)，得出結(jié)果如表2，并分別于4月12日、16日、21日、22日進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)0.5h、3.0h、5.0h、5.0h 的停運(yùn)試驗(yàn)，在試驗(yàn)后對(duì)吸收塔漿液、石膏中石灰石含量、亞硫酸鈣等參數(shù)進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果如表2～4所示。

表2 吸收塔漿液分時(shí)品質(zhì)

結(jié)合表2～4相關(guān)化驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后對(duì)吸收塔漿液品質(zhì)、石膏品質(zhì)基本無(wú)影響，各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，尤其亞硫酸鹽含量，始終保持在較低含量，證明了氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)的可行性。

表3 氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后吸收塔漿液品質(zhì)參數(shù)

表4 氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后吸收塔石膏品質(zhì)參數(shù)

1.4 氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后吸收塔液位變化

吸收塔密度計(jì)算為：ρ=Δ P/g Δ H，液位計(jì)算公式為：H=P/ρg+h，式中Δ P 為差壓，Pa；Δ H為差壓變送器2個(gè)膜片的高度差，Δ H=8.8m；ρ 為漿液密度計(jì)算值，kg/m3；g 為重力加速度，9.8m/s；P 為吸收塔底部/頂部平均壓力，Pa；h 為底部/頂部壓力變送器的安裝高度，h=0.97m/9.70m。

河源電廠脫硫吸收塔存在起泡現(xiàn)象，為防止氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后產(chǎn)生溢流等事故，需探究氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)對(duì)液位的影響，實(shí)施了多次風(fēng)機(jī)停運(yùn)試驗(yàn)，在試驗(yàn)前將吸收塔液位降低至10.5m 左右，結(jié)果如表5。

表5 氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)統(tǒng)計(jì)表

編號(hào)1、2、3是未投加增效劑時(shí)氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后的吸收塔液位變化情況，編號(hào)4、5是投加增效劑后吸收塔液位變化情況。可以看出液位出現(xiàn)上漲、下降兩種情況。吸收塔參數(shù)見(jiàn)表6。

1.4.1 以3號(hào)試驗(yàn)吸收塔液位升高進(jìn)行分析

由表6可以看出，氧化風(fēng)機(jī)跳閘后吸收塔液位上漲約1.46m 是由于吸收塔頂部壓力P 頂部上漲了約11.60kPa 所致。具體分析如下：

表6 吸收塔參數(shù)表

吸收塔漿液有一定粘度，在噴淋過(guò)程中夾雜煙氣在漿液表面形成氣泡，隨著氧化風(fēng)機(jī)所輸入的空氣不斷逸出到漿液表面，氣泡的內(nèi)部壓力不斷增大，當(dāng)壓力超過(guò)其表面張力時(shí)，氣泡破裂，漿液回落至漿液池中。當(dāng)氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)后，氣泡無(wú)法自行完成長(zhǎng)大破裂，這種情況形成大量小氣泡，提高了起泡層高度。此時(shí)由于起泡層的含水率不斷增加，導(dǎo)致了吸收塔頂部壓力升高，而底部壓力基本保持不變。

1.4.2 以1號(hào)試驗(yàn)吸收塔液位降低進(jìn)行分析

由表6可以看出，氧化風(fēng)機(jī)跳閘后吸收塔液位降低約0.24m 是由于吸收塔頂部壓力P 頂部降低了約2.5kPa 所致。具體分析如下：

結(jié)合2號(hào)試驗(yàn)可以看出，吸收塔液位在BC 漿液循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)會(huì)造成吸收塔液位降低，可能原因?yàn)橥＿\(yùn)D 漿液循環(huán)泵后，由于循環(huán)量變少、漿液擾動(dòng)減少導(dǎo)致基本不產(chǎn)生氣泡。此外可能由于D 漿液循環(huán)泵噴淋層位于吸收塔頂層位置，噴淋落下的小液滴不斷融合成大液滴，具有的能量較多、對(duì)漿液擾動(dòng)較大、起泡層增高，而在BC 漿液循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)避免了該現(xiàn)象。

頂部壓力測(cè)點(diǎn)在停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)后壓力降低，其原因?yàn)樵跐{液自身起泡現(xiàn)象較輕的情況下，氧化風(fēng)機(jī)向吸收塔內(nèi)鼓氣會(huì)使?jié){液表面形成新的氣泡，使得起泡層增厚。而停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)后，起泡層由于沒(méi)有新的空氣鼓入而逐漸降直至穩(wěn)定，使得頂部測(cè)點(diǎn)壓力變小。

1.4.3 以5號(hào)試驗(yàn)投加增效劑后吸收塔液位升高進(jìn)行分析

表6中5號(hào)試驗(yàn)是處理缺陷而停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)的前后吸收塔參數(shù)變化數(shù)據(jù)。可以看出，氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)、增啟D 泵并噴淋95t 后塔位分別升高了0.46m、0.78m，原因是吸收塔頂部壓力分別升高了4.07kPa、6.17kPa，底部液位在啟泵后升高5.58kPa 所致，原因分析如下：

此時(shí)漿液中氯根濃度為16187mg/L，漿液品質(zhì)相對(duì)較差，在A、B、C 三臺(tái)漿液循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)，停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)后吸收塔液位上升了0.46m，符合以往的判斷，漿液在氧化風(fēng)斷供后發(fā)生了起泡現(xiàn)象。但是相對(duì)于以往停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)的塔位變化（4號(hào)試驗(yàn)氯根8000mg/L、5號(hào)試驗(yàn)氯根10000mg/L），可以看出雖然漿液品質(zhì)相對(duì)較差，但是液位反而漲幅下降，加入的增效劑可以有效抑制漿液起泡。增啟D 漿液循環(huán)泵后液位出現(xiàn)了明顯上升，增量最大至1.24m，其原因一方面是啟泵后，對(duì)吸收塔漿液池表層產(chǎn)生擾動(dòng)，起泡層增厚，另一方面由于向塔內(nèi)補(bǔ)充了95t水，約使塔位上升0.5m。

本次停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)機(jī)組負(fù)荷為600MW，為預(yù)防吸收塔起泡而產(chǎn)生液位升高而溢流的現(xiàn)象，提前進(jìn)行了倒?jié){操作，為漿液起泡留下充足的裕度。在經(jīng)過(guò)停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)、增啟漿液循環(huán)泵、增啟除霧水泵等可以使吸收塔液位升高的操作后，可見(jiàn)吸收塔液位仍在可控范圍內(nèi)，對(duì)運(yùn)行無(wú)影響。

此外，本次停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)可以看出增效劑的加入有效抑制了吸收塔漿液的起泡情況，更有利于創(chuàng)造停運(yùn)條件，同時(shí)保證了吸收塔凈煙氣在要求范圍內(nèi)，未發(fā)生高負(fù)荷凈煙氣硫份超標(biāo)現(xiàn)象。因此，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的角度考量看，可以定期向塔內(nèi)投加少量增效劑，在保持對(duì)吸收塔漿液起泡抑制效果的同時(shí)，做到改善吸收塔運(yùn)行工況，節(jié)約石灰石采購(gòu)量，減少濕磨機(jī)運(yùn)行時(shí)間節(jié)約電量等降本情況，并且實(shí)現(xiàn)氧化風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)期停運(yùn)。

綜上，按全年全負(fù)荷停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)，停運(yùn)兩臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)可節(jié)約電量3512.6MWh，每年兩臺(tái)機(jī)組停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)保守計(jì)算可增收約162.6萬(wàn)元（不包括減少的設(shè)備損耗費(fèi)用），存在巨大節(jié)能潛力。目前通過(guò)燃燒高硫煤投加催化劑的經(jīng)驗(yàn)，可以在停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)過(guò)程中持續(xù)添加催化劑，保持吸收塔內(nèi)的催化劑在一定濃度范圍內(nèi)。投加適量催化劑在提高脫硫率的情況下，還可達(dá)到以下效果：抑制吸收塔起泡，在停運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)降低液位時(shí)可適當(dāng)提高最低液位；穩(wěn)定吸收塔pH，在保證自然氧化的同時(shí)減少對(duì)SO2吸收的抑制；減少石灰石用量，減少濕磨機(jī)運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約成本，緩解因濕磨機(jī)故障而產(chǎn)生的石灰石漿液制備壓力大的問(wèn)題。