脫硫系統羅茨氧化風機的節能優化

谷小兵，李 建，寧 翔，孟 磊，肖海平

(1.大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引言

目前，國內火電燃煤機組大多采用濕法脫硫技術，石灰石濕法脫硫技術較為成熟，具有成本低、效果好等特點[1-3]。電站WFGD的經濟性及環保性的優化成為當前濕法脫硫研究的熱點，即優化設備能耗同時保證脫硫效率[4-5]。通常，脫硫系統能耗占電廠供電總量的1%～2%左右[6-7]。脫硫系統的核心設備吸收塔中包含大量高耗能設備，包括漿液循環泵、氧化風機、增壓風機和濕磨機等[8]。因此，在保證脫硫效率的前提下，對WFGD高耗能設備進行節能改造對提升企業效益和社會效益具有重要意義[9-10]。然而，在當前靈活性發電背景下，火電機組長期處于低負荷運行，經營壓力日趨加重，火電企業必須通過改造降低脫硫系統的能耗。而大多數機組的氧化風機仍保持額定負荷下的出力，導致氧化風機能耗顯著增加[11]。

目前，我國脫硫氧化風機節能方面的研究主要集中在風機運行策略控制和氧化風機變頻改造。在風機優化運行方面，馬雙忱等[12-13]通過研究脫硫漿液多相氧化過程機理，提出了pH和氧化還原電位雙控制策略，調節氧化風量實現精準氧化。郝潤龍等[14]依據現場運行情況推導出增壓風機、氧化風機和循環漿液泵的數學模型，根據SO2質量濃度和煙氣量變化優化氧化風機出力。陳爾魯[15]通過PSO優化算法研究氧化風機運行和成本模型，得到了較好的風機運行模式。黃紅[16]通過分析電廠不同工況下的SO2脫除量和風機最佳運行轉速曲線，確定了某電廠鍋爐負荷在57%以下時，可由兩臺氧化風機切換為一臺氧化風機運行。黃鍇[17]根據電廠用煤含硫量、脫硫量及脫硫速率等實際數據進行變頻方案設計，再結合現有氧化風機的基本性能特點對其進行變頻改造，實現脫硫過程的變頻控制。

常用的氧化風機有羅茨風機和離心風機。離心風機出口壓力隨流量變化而變化，因此離心風機難以變頻運行。而羅茨風機出口壓力不隨流量變化，降低頻率對出口壓力影響較小，所以在脫硫氧化風機變頻改造方面，選用羅茨風機并進行變頻運行，可使其根據負荷自動調節運行狀態，從而降低氧化風機能耗。

目前針對羅茨氧化風機變頻改造的研究相對缺乏。本文建立了最佳氧化風量模型和羅茨風機變頻模型，根據SO2濃度、煙氣量及吸收塔液位得出羅茨風機最佳運行頻率，并進行了氧化風改造試驗。本文研究內容可以為電站濕法脫硫氧化風機節能運行提供理論指導。

1 脫硫氧化風模型

最佳氧化風需求量能根據脫硫負荷和吸收塔運行狀況來做出相應的調整，保持氧化風供應量與吸收塔內氧化風需求量一致。基于最佳氧化風需求量的精確計算，可以對脫硫羅茨氧化風機進行變頻改造，實現按需供風，達到節能目的。目前，很多學者對氧化風需求量的計算進行過研究。

陸建軍等人[18]根據脫硫氧化反應原理得出了氧化空氣量的簡要計算式

(1)

此公式能對脫硫系統需要的氧化空氣量進行簡單計算，但該公式沒有考慮吸收塔內部的強制氧化率，與現場實際情況相差較大。徐書德等人[19]對氧化空氣量進行了更準確的表達

(2)

此公式考慮了強制氧化率β對漿液氧化的影響，比陸建軍等人的氧化模型更接近實際的氧化風需求量。但不同廠脫硫運行工況差別較大，吸收塔內部的強制氧化率也不一樣。

在這些氧化模型中，大部分沒有考慮擴散的影響。現場運行參數時刻變化，不同液位對氧化空氣的擴散影響不同，氧化風需求量也會時刻發生變化。 本文擬建立不同運行參數與最佳氧化風量的關聯式，為氧化風機節能改造奠定基礎。

在理想情況下，假設所有通入漿液中的氧氣被完全利用，可以得到理論氧化空氣需求量

(3)

(4)

式中MSO2——需要脫除的SO2量/kg·h-1；

Qgas——脫硫塔入口煙氣量/Nm3·h-1；

CSO2——脫硫塔入口SO2濃度/mg·Nm-3；

η——脫硫效率；

Qth——理論氧化風需求量/Nm3·h-1。

理論氧化空氣量的計算沒有考慮到實際擴散問題。在實際過程中，當氧化空氣以氣泡的形式通入漿液中時，氣泡以一定速度向上擴散，由于氣膜和液膜、液膜和液膜之間的傳質速率有限，有一部分空氣因為來不及與漿液中的亞硫酸鈣發生反應，隨著氣泡一起跑到漿液外。氧化空氣噴嘴到吸收塔液面的距離越大，氣泡在漿液中停留的時間越長，參與亞硫酸鈣氧化的氣泡數量越多，空氣在漿液中的強制氧化率也就越大。所以，強制氧化率的大小與吸收塔液位密切相關。

為了探索氧化空氣在漿液中轉移速度與空氣噴入深度的關系，URZA和JACKSON在1975年得出了化學當量因素和氧化空氣噴入深度的關系，通過對氧化過程的深入分析得出了化學當量因素與液位的關系式

Fas=-3.072-0.098h+20.326/h+1.723logh

(5)

強制氧化率與化學當量因素是倒數關系，因此，結合前人的研究結果可以得到最佳氧化風需求量的準確表達式

(6)

式中Qop——最佳氧化風需求量/Nm3·h-1；

h——吸收塔內氧化空氣噴槍至吸收塔液面的高度/m；

k——常數，為8.63×10-7。

氧化風實際需求量與吸收塔液位、自然氧化率、吸收塔入口煙氣量、SO2濃度和脫硫效率有關。因此，本公式能夠實時表述不同工況下的最佳氧化風需求量。

2 羅茨風機變頻模型

羅茨風機的流量Q與轉速n成正比[20-21]，轉速與頻率f成正比

(7)

(8)

式中Q——羅茨風機流量/m3·min-1；

D——葉輪外徑/m；

L——葉輪長度/m；

λ——面積利用系數，表征風機氣缸空間的有效利用程度(圓弧-漸開線型線的面積利用系數λ=0.521～0.563)；

n——葉輪轉速/r·min-1；

f——頻率；

s——轉速差；

p——電機磁極對數。

因此，通過額定流量Q0與額定轉速n0，求得實際需求量對應的轉速，從而得到羅茨風機需要的頻率

(9)

式中f1——最佳氧化風需求量對應的風機頻率；

Q0——風機額定流量；

f0——風機額定工作頻率50 Hz。

本公式是羅茨氧化風機變頻運行依據，根據實際脫硫運行參數來確定風機運行頻率，確保送入最佳氧化風量。

3 羅茨風機變頻改造及試驗驗證

3.1 試驗臺架及羅茨風機變頻邏輯改造

該脫硫試驗裝置是一個滿足300 MW機組1∶30脫硫裝置試驗平臺，煙氣處理能力為3×104Nm3/h。煙氣從靜電除塵器出口煙道上引出，通過設置1臺離心引風機增壓，進入吸收塔內脫硫凈化，由除霧器除去水霧后，接入吸收塔入口煙道。通過氧化風機向漿液池中鼓入空氣，使吸收塔漿液池中的亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣。設計有一臺羅茨氧化風機，采用變頻方式，通過DCS實現氧化風機的啟停、運行監視、聯鎖保護和故障風機的自動切除及備用風機的自動投運。該風機額定流量為450 Nm3/h，全壓為80 kPa，電機額定功率為15 kW。

依據公式(9)，增加羅茨風機變頻邏輯，羅茨式氧化空氣量閉環調節控制邏輯如圖1所示。該邏輯中，由吸收塔的煙氣量、SO2濃度、吸收塔液位這三個運行參數確定最佳氧化風需求量，通過變頻調節使得風機出口氧化空氣量與最佳氧化風需求量接近，從而減少氧化風機能耗的過程。

圖1 羅茨式氧化空氣量閉環調節的控制邏輯圖

3.2 試驗驗證方法

通過實驗基地的脫硫試驗對建立的脫硫氧化公式進行驗證。根據模型計算出不同工況下的最佳氧化風需求量，然后通過實驗基地的變頻改造，將實驗基地吸收塔內的氧化風供應量與模型計算的最佳氧化風需求量保持一致并穩定運行一段時間。最后取一部分吸收塔漿液底部石膏樣品，通過測量石膏中亞硫酸鈣含量來判斷通入的氧化風量是否滿足吸收塔內實際需求量。

為了驗證不同脫硫負荷下的脫硫效果，試驗按不同煙氣流量制定了3個工況試驗，如表1所示。分別為100%煙氣負荷(煙氣流量30 000 Nm3/h)、80%煙氣負荷(煙氣流量24 000 Nm3/h)、60%煙氣負荷(煙氣流量18 000 Nm3/h)。試驗過程入口SO2濃度為2 200 mg/Nm3，pH值保持在5.5～5.7之間，吸收塔液位固定為6 m，噴淋層數為2，試驗時間為4 h。根據模型計算得出不同工況下的氧化空氣供應量和風機頻率，每個工況變頻試驗前后各取一次石膏漿液樣品。

表1 實驗工況

取回的石膏樣品采用高溫焙燒法測量含水率；用硫代硫酸鈉滴定法測量亞硫酸鈣的含量；用氯化鋇沉淀法測量硫酸鈣的含量；用酸堿滴定法測量碳酸鈣含量[20]。

3.3 羅茨風機變頻運行氧化效果分析

通過對三種不同工況變頻試驗前后所取石膏樣品進行滴定分析，得出了各工況下變頻調節前后脫硫樣品的含水率、碳酸鈣含量、石膏含量以及半水亞硫酸鈣含量，并進行了對比，如表2所示。

由表2可以看出，工況1至工況3的脫硫效率在98%左右，滿足該實驗基地的脫硫設計值。石膏中含水率在10%～20%之間，碳酸鈣含量在3%以內，石膏含量在90%以上，滿足大部分電廠脫硫石膏的測試數據。此外，各工況下變頻試驗后取樣測得的半水亞硫酸鈣的含量依次減少。其中，經過變頻調節，工況1中半水亞硫酸鈣含量由4.27%下降至2.57%，工況2和工況3變頻調節前后亦分別從2.57%和0.66%下降至2.22%和0.61%。

表2 脫硫樣品滴定實驗結果

根據現場實際運行情況可知，基地自啟動以來，煙氣量基本在20 000 Nm3/h以上，吸收塔入口SO2濃度基本在2 000 mg/Nm3以上。羅茨氧化風機一直保持定速運行，而通入吸收塔內實際的煙氣量和SO2濃度時刻發生變化。這樣使得吸收塔內氧化風的供應量和需求量不匹配，在脫硫負荷較低時，氧化風量過剩，造成能量的浪費；在脫硫負荷較高時，氧化風量不足，造成亞硫酸鈣氧化不充分。這樣的不合理供風方式使得在做變頻試驗之前半水亞硫酸鈣含量已經高達4.27%，吸收塔內的漿液有很大一部分未氧化的亞硫酸鈣。在實驗的過程中，通入的氧化空氣量，也有很大一部分需要氧化試驗前殘留的亞硫酸鈣，導致前兩個工況取樣測的半水亞硫酸鈣的含量較高，但按試驗進行的順序呈下降趨勢。到最后一個工況時，半水亞硫酸鈣含量已經降低到0.66%和0.61%，滿足大部分電廠的脫硫測試標準。

4 改造經濟性比較

羅茨氧化風機的能耗可由下式[21]計算

(10)

式中Nof——氧化風機能耗/kW；

Δp——風機進出口壓差/Pa；

Qth——風機實際流量/m3·s-1；

ηm——風機總效率，一般為90%。

改造前，現場根據經驗對羅茨風機頻率進行調節，當處理煙氣量不大時頻率給定30 Hz，當處理煙氣量大于25 000 Nm3/h時，頻率給定40 Hz。根據變頻改造前后的運行參數，可得能耗對比的情況。

由表3可以看出，變頻改造后平均能耗下降30%，最大可節約40% 以上的能耗。這主要是因為變頻改造前主要憑經驗進行調節，為保證脫硫效率，羅茨風機的氧化風量過大。改造后，最佳氧化風量由脫硫負荷、液位等參數準確計算得出，氧化風量按需供應，提高了氧化風的利用率。

5 結論

(1)由吸收塔入口SO2濃度、煙氣流量和液位確定了最佳氧化風模型；由羅茨風機變頻模型得出最佳頻率，確保實時送入最佳氧化風量。

(2)變頻試驗過程中不同工況下送入的氧化風量滿足亞硫酸鈣氧化的需求，脫硫效率穩定。石膏樣品中含水率在10%～20%之間，碳酸鈣含量在3% 以內，石膏含量在90% 以上。三組試驗工況下，變頻調節前后樣品石膏中半水亞硫酸鈣含量均有所降低。

(3)變頻改造后脫硫系統運行穩定，變頻運行工況下羅茨風機能耗下降了20%-40%，脫硫系統能耗得以降低。