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)能源動力與機械工程學(xué)院 北京 102206）

0 引言

目前，國內(nèi)火電燃煤機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［1-3］。電站W(wǎng)FGD的經(jīng)濟性和環(huán)保性成為當(dāng)前濕法脫硫研究的熱點，即優(yōu)化設(shè)備能耗同時保證脫硫效率［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)機能耗大。空氣管網(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)機能耗小；但較小的氧化空氣孔，容易被漿液中的固體堵塞，維護(hù)成本較高。

在實際運行中，進(jìn)入吸收塔的氧化風(fēng)量遠(yuǎn)高于實際需求量，一方面造成風(fēng)機能耗過高，另一方面過量的氧化空氣會加劇塔內(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)前火電機組長時間低負(fù)荷運行的情況下更加突出，也不利于火電機組的靈活運行。所以，脫硫系統(tǒng)氧化風(fēng)機的節(jié)能改造勢在必行。

陸建軍等［11］針對濕法煙氣脫硫系統(tǒng)介紹了氧化空氣量和氧化風(fēng)機的壓頭計算公式，為脫硫氧化風(fēng)機的設(shè)計選型提供了參考。郭西清［12］結(jié)合理論計算和實際運行，將離心式氧化風(fēng)機的運行方式由原先的“兩運一備”變?yōu)椤耙贿\兩備”后，大大降低了氧化風(fēng)機的能耗。張超［6］對脫硫離心式氧化風(fēng)機故障原因進(jìn)行了分析，提出了采取單臺氧化風(fēng)機通過風(fēng)機出口聯(lián)絡(luò)管供應(yīng)相鄰兩個吸收塔的運行方式并成功地進(jìn)行運行優(yōu)化試驗。

本文重點討論離心風(fēng)機母管制工藝，計算不同脫硫負(fù)荷下吸收塔實際所需的氧化風(fēng)量，確定單臺離心風(fēng)機額定出力下能滿足兩臺機組運行的最高脫硫負(fù)荷。在高負(fù)荷時采取雙風(fēng)機單元制運行策略，為雙吸收塔各自供風(fēng)，低負(fù)荷時切換單風(fēng)機母管制運行以供給雙吸收塔，從而降低氧化風(fēng)機的能耗。

1 氧化風(fēng)系統(tǒng)母管制工藝

火電廠機組負(fù)荷變化幅度較大，大部分氧化風(fēng)機采用離心式風(fēng)機。離心風(fēng)機的流量與轉(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)機出口壓力也會相應(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，能耗浪費嚴(yán)重。

以某電廠2×350 MW 機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 臺離心式氧化風(fēng)機，每臺氧化風(fēng)機的額定流量為3 Nm3/s，額定功率為315 kW，出口相對壓力為88 kPa。機組低負(fù)荷運行過程氧化風(fēng)供應(yīng)量過大，導(dǎo)致能耗增加，液位波動大，運行安全性下降。

針對離心式氧化風(fēng)機的節(jié)能，可采用母管制氧化風(fēng)系統(tǒng)，將4 臺氧化風(fēng)機出口引入供風(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 個聯(lián)絡(luò)電動門。每座吸收塔前的氧化風(fēng)管上裝有氧化風(fēng)流量計和電動閥，保證氧化風(fēng)能根據(jù)實際需求量進(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

實際運行過程中，高負(fù)荷階段，聯(lián)絡(luò)電動門關(guān)閉，2 座吸收塔采用單元制運行，各吸收塔氧化風(fēng)機各自供風(fēng)。低負(fù)荷階段，聯(lián)絡(luò)電動門開啟，停掉1 臺氧化風(fēng)機，只保留1 臺氧化風(fēng)機運行，該風(fēng)機的氧化風(fēng)通過聯(lián)通母管同時向2 座吸收塔供風(fēng)，即氧化風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入母管制運行方式，節(jié)約能耗。在某氧化風(fēng)機事故狀態(tài)下，可通過氧化風(fēng)母管制運行，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)母管制和單元制運行模式切換必須基于脫硫氧化風(fēng)量的精確計算。氧化風(fēng)機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）。

在實際運行中，吸收塔所供應(yīng)的氧化空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際所需空氣量。亞硫酸鈣經(jīng)歷了2 個階段的氧化，即噴淋層內(nèi)的自然氧化和吸收塔漿液內(nèi)的強制氧化。自然氧化率與噴淋層的個數(shù)有關(guān)，噴淋層個數(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，國內(nèi)脫硫系統(tǒng)自然氧化能力明顯提高，導(dǎo)致實際氧化風(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，對亞硫酸鈣進(jìn)行強制氧化。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間越長，強制氧化率越高。所以，強制氧化風(fēng)量與運行參數(shù)如吸收塔液位、脫硫負(fù)荷等參數(shù)密切相關(guān)。基于以上分析，建立氧化風(fēng)實際需求量公式如式（2）。

式中：Q實際為氧化風(fēng)實際需求量，Nm3/h；α 為自然氧化率，與吸收塔運行方式有關(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)實際需求量如表1。

表1 氧化風(fēng)實際供應(yīng)量與實際需求量對比

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

3 氧化風(fēng)子系統(tǒng)運行模式和能耗分析

離心風(fēng)機的能耗可由式（3）算出計算［13］。

式中：Nof表示氧化風(fēng)機能耗，kW；qv表示風(fēng)機出口流量，m3/s；Δp 表示風(fēng)機進(jìn)出口壓差，Pa；η 表示風(fēng)機效率；ηd表示傳動效率；ηg表示原動機效率。

在運行中，吸收塔所供應(yīng)的氧化空氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際所需的空氣量。離心風(fēng)機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)荷較低時可切換為1 臺風(fēng)機帶2 臺機組脫硫塔的形式。基于DCS 數(shù)據(jù)和氧化風(fēng)需求量公式進(jìn)行計算，可分別得到單元制和母管制運行的能耗，如表2 所示。

表2 某電廠不同負(fù)荷下氧化風(fēng)機的能耗

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

母管制運行模式下，低負(fù)荷時2 座吸收塔只需要1 臺氧化風(fēng)機運行，顯著提高了氧化風(fēng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，同時提高了運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)機出口的額定壓力，可能會使氧化風(fēng)機發(fā)生跳閘事故。母管制的運行方式減少了單臺吸收塔的氧化風(fēng)量，氧化風(fēng)機受到的總阻力也會相應(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，閥門全開時則阻力很小；在50%的開度時阻力達(dá)到了4 kPa 以上。除霧器的阻力也不容忽視，發(fā)生堵塞時會超過500 Pa。管道沿程阻力和局部阻力相對較小，且與運行工況關(guān)聯(lián)度較小。

液位阻力和調(diào)節(jié)閥阻力隨運行條件而變化。吸收塔液位每增加1 m，液位阻力增加10 kPa，對氧化風(fēng)總阻力的影響很大。母管制運行時，2 座吸收塔液位不一致會導(dǎo)致氧化空氣阻力分布不均，嚴(yán)重時可能會出現(xiàn)1 座吸收塔沒有氧化風(fēng)的情況。所以，母管制運行時要時刻關(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)生堵塞時阻力也需要加強運行監(jiān)視，及時沖洗并保證沖洗水的流量和壓力，停運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)機的特性，提出了低負(fù)荷下氧化風(fēng)機母管制運行策略，以降低氧化風(fēng)機能耗，同時提高脫硫氧化風(fēng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全性。

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

（3）以某電廠2×350 MW 機組為例，當(dāng)2 臺機組脫硫負(fù)荷在70%以下時可切換為母管制運行，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%，控制液位波動有利于氧化風(fēng)母管制運行安全。