谷小兵，李 建，寧 翔，孟 磊，肖海平

(1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，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、效果好等特點[1-3]。電站W(wǎng)FGD的經(jīng)濟性及環(huán)保性的優(yōu)化成為當(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]。通常，脫硫系統(tǒng)能耗占電廠供電總量的1%～2%左右[6-7]。脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備吸收塔中包含大量高耗能設(shè)備，包括漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機、增壓風(fēng)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(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造對提升企業(yè)效益和社會效益具有重要意義[9-10]。然而，在當(dāng)前靈活性發(fā)電背景下，火電機組長期處于低負(fù)荷運行，經(jīng)營壓力日趨加重，火電企業(yè)必須通過改造降低脫硫系統(tǒng)的能耗。而大多數(shù)機組的氧化風(fēng)機仍保持額定負(fù)荷下的出力，導(dǎo)致氧化風(fēng)機能耗顯著增加[11]。

目前，我國脫硫氧化風(fēng)機節(jié)能方面的研究主要集中在風(fēng)機運行策略控制和氧化風(fēng)機變頻改造。在風(fēng)機優(yōu)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(diào)節(jié)氧化風(fēng)量實現(xiàn)精準(zhǔn)氧化。郝潤龍等[14]依據(jù)現(xiàn)場運行情況推導(dǎo)出增壓風(fēng)機、氧化風(fēng)機和循環(huán)漿液泵的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)SO2質(zhì)量濃度和煙氣量變化優(yōu)化氧化風(fēng)機出力。陳爾魯[15]通過PSO優(yōu)化算法研究氧化風(fēng)機運行和成本模型，得到了較好的風(fēng)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(fēng)機最佳運行轉(zhuǎn)速曲線，確定了某電廠鍋爐負(fù)荷在57%以下時，可由兩臺氧化風(fēng)機切換為一臺氧化風(fēng)機運行。黃鍇[17]根據(jù)電廠用煤含硫量、脫硫量及脫硫速率等實際數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻方案設(shè)計，再結(jié)合現(xiàn)有氧化風(fēng)機的基本性能特點對其進(jìn)行變頻改造，實現(xiàn)脫硫過程的變頻控制。

常用的氧化風(fēng)機有羅茨風(fēng)機和離心風(fēng)機。離心風(fēng)機出口壓力隨流量變化而變化，因此離心風(fēng)機難以變頻運行。而羅茨風(fēng)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(fēng)機變頻改造方面，選用羅茨風(fēng)機并進(jìn)行變頻運行，可使其根據(jù)負(fù)荷自動調(diào)節(jié)運行狀態(tài)，從而降低氧化風(fēng)機能耗。

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

1 脫硫氧化風(fēng)模型

最佳氧化風(fēng)需求量能根據(jù)脫硫負(fù)荷和吸收塔運行狀況來做出相應(yīng)的調(diào)整，保持氧化風(fēng)供應(yīng)量與吸收塔內(nèi)氧化風(fēng)需求量一致?；谧罴蜒趸L(fēng)需求量的精確計算，可以對脫硫羅茨氧化風(fēng)機進(jìn)行變頻改造，實現(xiàn)按需供風(fēng)，達(dá)到節(jié)能目的。目前，很多學(xué)者對氧化風(fēng)需求量的計算進(jìn)行過研究。

陸建軍等人[18]根據(jù)脫硫氧化反應(yīng)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(tǒng)需要的氧化空氣量進(jìn)行簡單計算，但該公式?jīng)]有考慮吸收塔內(nèi)部的強制氧化率，與現(xiàn)場實際情況相差較大。徐書德等人[19]對氧化空氣量進(jìn)行了更準(zhǔn)確的表達(dá)

(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(fēng)需求量。但不同廠脫硫運行工況差別較大，吸收塔內(nèi)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?，F(xiàn)場運行參數(shù)時刻變化，不同液位對氧化空氣的擴散影響不同，氧化風(fēng)需求量也會時刻發(fā)生變化。 本文擬建立不同運行參數(shù)與最佳氧化風(fēng)量的關(guān)聯(lián)式，為氧化風(fēng)機節(jié)能改造奠定基礎(chǔ)。

在理想情況下，假設(shè)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(fēng)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(dāng)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(zhì)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(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(shù)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(guān)。

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

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

(5)

強制氧化率與化學(xué)當(dāng)量因素是倒數(shù)關(guān)系，因此，結(jié)合前人的研究結(jié)果可以得到最佳氧化風(fēng)需求量的準(zhǔn)確表達(dá)式

(6)

式中Qop——最佳氧化風(fēng)需求量/Nm3·h-1；

h——吸收塔內(nèi)氧化空氣噴槍至吸收塔液面的高度/m；

k——常數(shù)，為8.63×10-7。

氧化風(fēng)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(guān)。因此，本公式能夠?qū)崟r表述不同工況下的最佳氧化風(fēng)需求量。

2 羅茨風(fēng)機變頻模型

羅茨風(fēng)機的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比[20-21]，轉(zhuǎn)速與頻率f成正比

(7)

(8)

式中Q——羅茨風(fēng)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(shù)，表征風(fēng)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(shù)λ=0.521～0.563)；

n——葉輪轉(zhuǎn)速/r·min-1；

f——頻率；

s——轉(zhuǎn)速差；

p——電機磁極對數(shù)。

因此，通過額定流量Q0與額定轉(zhuǎn)速n0，求得實際需求量對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而得到羅茨風(fēng)機需要的頻率

(9)

式中f1——最佳氧化風(fēng)需求量對應(yīng)的風(fēng)機頻率；

Q0——風(fēng)機額定流量；

f0——風(fēng)機額定工作頻率50 Hz。

本公式是羅茨氧化風(fēng)機變頻運行依據(jù)，根據(jù)實際脫硫運行參數(shù)來確定風(fēng)機運行頻率，確保送入最佳氧化風(fēng)量。

3 羅茨風(fēng)機變頻改造及試驗驗證

3.1 試驗臺架及羅茨風(fēng)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(shè)置1臺離心引風(fēng)機增壓，進(jìn)入吸收塔內(nèi)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(fēng)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(shè)計有一臺羅茨氧化風(fēng)機，采用變頻方式，通過DCS實現(xiàn)氧化風(fēng)機的啟停、運行監(jiān)視、聯(lián)鎖保護和故障風(fēng)機的自動切除及備用風(fēng)機的自動投運。該風(fēng)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(jù)公式(9)，增加羅茨風(fēng)機變頻邏輯，羅茨式氧化空氣量閉環(huán)調(diào)節(jié)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(shù)確定最佳氧化風(fēng)需求量，通過變頻調(diào)節(jié)使得風(fēng)機出口氧化空氣量與最佳氧化風(fēng)需求量接近，從而減少氧化風(fēng)機能耗的過程。

圖1 羅茨式氧化空氣量閉環(huán)調(diào)節(jié)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(jìn)行驗證。根據(jù)模型計算出不同工況下的最佳氧化風(fēng)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(nèi)的氧化風(fēng)供應(yīng)量與模型計算的最佳氧化風(fēng)需求量保持一致并穩(wěn)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(fēng)量是否滿足吸收塔內(nèi)實際需求量。

為了驗證不同脫硫負(fù)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(fù)荷(煙氣流量30 000 Nm3/h)、80%煙氣負(fù)荷(煙氣流量24 000 Nm3/h)、60%煙氣負(fù)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(shù)為2，試驗時間為4 h。根據(jù)模型計算得出不同工況下的氧化空氣供應(yīng)量和風(fēng)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(fēng)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(jìn)行滴定分析，得出了各工況下變頻調(diào)節(jié)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(jìn)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(shè)計值。石膏中含水率在10%～20%之間，碳酸鈣含量在3%以內(nèi)，石膏含量在90%以上，滿足大部分電廠脫硫石膏的測試數(shù)據(jù)。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(jīng)過變頻調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)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(jié)果

根據(jù)現(xiàn)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(fēng)機一直保持定速運行，而通入吸收塔內(nèi)實際的煙氣量和SO2濃度時刻發(fā)生變化。這樣使得吸收塔內(nèi)氧化風(fēng)的供應(yīng)量和需求量不匹配，在脫硫負(fù)荷較低時，氧化風(fēng)量過剩，造成能量的浪費；在脫硫負(fù)荷較高時，氧化風(fēng)量不足，造成亞硫酸鈣氧化不充分。這樣的不合理供風(fēng)方式使得在做變頻試驗之前半水亞硫酸鈣含量已經(jīng)高達(dá)4.27%，吸收塔內(nèi)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(dǎo)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(jìn)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(jīng)降低到0.66%和0.61%，滿足大部分電廠的脫硫測試標(biāo)準(zhǔn)。

4 改造經(jīng)濟性比較

羅茨氧化風(fēng)機的能耗可由下式[21]計算

(10)

式中Nof——氧化風(fēng)機能耗/kW；

Δp——風(fēng)機進(jìn)出口壓差/Pa；

Qth——風(fēng)機實際流量/m3·s-1；

ηm——風(fēng)機總效率，一般為90%。

改造前，現(xiàn)場根據(jù)經(jīng)驗對羅茨風(fēng)機頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)處理煙氣量不大時頻率給定30 Hz，當(dāng)處理煙氣量大于25 000 Nm3/h時，頻率給定40 Hz。根據(jù)變頻改造前后的運行參數(shù)，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(jié)約40% 以上的能耗。這主要是因為變頻改造前主要憑經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)，為保證脫硫效率，羅茨風(fēng)機的氧化風(fēng)量過大。改造后，最佳氧化風(fēng)量由脫硫負(fù)荷、液位等參數(shù)準(zhǔn)確計算得出，氧化風(fēng)量按需供應(yīng)，提高了氧化風(fēng)的利用率。

5 結(jié)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(fēng)模型；由羅茨風(fēng)機變頻模型得出最佳頻率，確保實時送入最佳氧化風(fēng)量。

(2)變頻試驗過程中不同工況下送入的氧化風(fēng)量滿足亞硫酸鈣氧化的需求，脫硫效率穩(wěn)定。石膏樣品中含水率在10%～20%之間，碳酸鈣含量在3% 以內(nèi)，石膏含量在90% 以上。三組試驗工況下，變頻調(diào)節(jié)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(tǒng)運行穩(wěn)定，變頻運行工況下羅茨風(fēng)機能耗下降了20%-40%，脫硫系統(tǒng)能耗得以降低。