濕法煙氣脫硫系統仿真試驗及結果分析

吳 聰

(廣東亞仿科技股份有限公司，廣東 珠海 519015)

1 引言

煤炭資源作為我國的主要能源是由于我國的土地組成情況復雜，能源分布不均勻等多種原因造成的[1]。近30多年來，我國經濟的快速增長，對能源的需求劇增，煤炭資源的大量使用形成的煤煙型污染成為了我國二氧化硫、氮氧化物產生的最大污染源，濕法煙氣脫硫系統應運而生并蓬勃發展。濕法煙氣脫硫技術成熟、脫硫效率優秀，在全世界商業化運作程度非常高，但其技術工藝較為復雜，對電廠專業技術人員的要求也較高，利用濕法煙氣脫硫系統的仿真模型對各種工況進行運行和事故處理的演練，能有效地幫助現場工作人員提高運行水平，減少事故的發生。

2 建立仿真模型的條件

本文研究的濕法煙氣脫硫仿真系統是以某電廠1000MW超超臨界壓力燃煤發電機組采用的石灰石-石膏就地強制氧化濕法煙氣脫硫系統為背景。該系統總脫硫效率設計≥96%，采用一爐一塔的單元布置方式。脫硫裝置的煙氣處理能力能適應單臺爐30%～100%BMCR工況的煙氣量。

吸收塔內總反應式[2]：

(1)

3 不同工況條件下的仿真試驗

原煙氣的流量和溫度、入口煙氣SO2濃度、吸收塔內的pH值、液氣比等是吸收塔脫硫效率的主要擾動因素[4～6]。本文研究利用已經建立和驗證的仿真系統對吸收塔的脫硫效率等進行定量分析，可以進行濕法煙氣脫硫效率的提高和運行費用的降低的研究分析。

3.1 入口煙氣量變化仿真試驗

在表1工況情況下，將鍋爐負荷從1000 MW調低至700 MW，觀察吸收塔內pH值和脫硫效率的變化：

表1 仿真試驗設定工況1

對入口煙氣量變化對pH值及脫硫效率的影響進行的試驗和分析：圖1、圖2展示在漿液輸入量一定的情況下，通過調節鍋爐負荷來減小入口煙氣量，發現pH值逐漸升高，而脫硫效率也隨著煙氣流量的減小而增大。分析原因是因為入口煙氣量減小后，導致液氣比的提高，氣液傳質阻力減小，此時SO2的吸收效率上升。同時發現脫硫效率在煙氣流量減少的瞬間有短暫下降的波動，是由于煙氣量的減少導致鈣硫比的急劇增大，脫硫效率隨硫份的減少的一瞬間減小，但很快就會隨漿液pH的增大而增大[7]。

圖1 入口煙氣流量減少pH值變化曲線

3.2 入口煙氣SO2濃度對脫硫效率影響的仿真試驗

在表2工況情況下，將入口煙氣SO2濃度從924.8 mg/Nm3調整至1200 mg/Nm3。

圖2 入口煙氣流量減小脫硫效率變化曲線

參數單位數值環境溫度 ℃25環境壓力kgf/cm21.304鍋爐負荷MW1000原煙氣SO2濃度mg/Nm3924.8原煙氣溫度 ℃100原煙氣煙囪mg/ Nm324.7原煙氣流量m3/s1043.7閥門開度%10漿液流量m3/h6.12原始pH值-5.168脫硫效率%98.5

對入口煙氣SO2濃度對脫硫效率的影響進行仿真試驗和分析：通過圖3和圖4可以看出，吸收塔入口煙氣SO2含量增加后，由于硫份的增加導致鈣硫比會有急速的下降。而吸收塔內的漿液pH值因為鈣硫比的影響也會同步下降。但從圖4可以看到，在SO2含量增加瞬間，脫硫效率有短暫的升高，然后又很快隨著漿液的pH值的降低而降低，經過一段時間逐步趨向平衡。分析原因是因為脫硫率降低的同時，鈣硫比增大。由曲線也可以看出，當入口SO2的含量增加的時候，煙氣出口SO2濃度也一定程度的增加，這與脫硫效率的下降是吻合的。

圖3 入口SO2濃度變化后pH值的動態變化曲線

3.3 吸收塔內pH值對脫硫效率影響的仿真試驗

在上述工況不變的情況下，通過手動大幅調節石灰石漿液閥來增加新鮮石灰石漿液的用量進行pH值對脫硫效率的影響仿真分析： 由圖5可以看出，脫硫效率隨著pH值的增加在穩定增大。分析可知是由于液相傳質系數的增大，從而SO2的吸收率也隨之增大。但當pH值大于6.8時，脫硫效率上升逐漸減緩，而且在達到95%的時候無法再往上提升，分析其主要原因是系統結構現象和石灰石中Ca的溶解速度減慢的原因。另外，觀察模型界面發現此時漿液高度下降為3 m，是正常情況下的30%，原因為在手動操作狀態下，系統存在吸收塔石膏排出泵進口閥泄露的情況，而在手動狀態下，吸收塔補水閥未能自動開啟和補水，導致吸收塔液位在逐步下降，從而對脫硫效率產生影響。這也說明了脫硫效率在系統中受到的綜合影響[9]。

圖4 入口SO2濃度變化后脫硫效率的動態變化曲線

圖5 循環漿液pH值與脫硫效率關系曲線

4 結語

本文主要利用已經建立的仿真模型來進行仿真試驗，驗證了已建立的數學模型的行為特征基本符合實際生產情況，在指導生產方面有以下結論：①進塔SO2濃度伴隨著進塔煙氣量的增加而增加后，脫硫效率會有一定的下降，這也意味著出口SO2濃度也會一定程度的增加。在脫硫控制系統中增加相關的前饋信號將有利于克服系統滯后的缺點；②系統脫硫效率隨著pH值的增大而增加，但當pH值到達6.8之后，脫硫效率的提升明顯減緩。在生產中考慮經濟性和環保性能的結合情況下，將pH值維持在5.3～5.5是本系統運行費用和達標的最優工況；③系統部分設備故障狀態，例如吸收塔石膏排出泵進口閥泄露的情況下，脫硫效率會因為吸收塔液位的下降發生較大的變化，利用仿真系統對吸收塔補水閥補水開度進行試驗，可幫助實際運行過程中的應急處理更加精確和及時有效。