谷小兵 寧翔 李建 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 華北電力大學能源動力與機械工程學院 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，石灰石濕法脫硫技術較為成熟，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)保性成為當前濕法脫硫研究的熱點，即優(yōu)化設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］，而氧化風機是脫硫系統(tǒng)主要的耗能設備之一。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］。氧化空氣噴槍結構簡單，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，風機能耗大?？諝夤芫W(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，能形成細小的氣泡，均勻分布在吸收塔內(nèi)，氧化空氣利用率較高，風機能耗小；但較小的氧化空氣孔，容易被漿液中的固體堵塞，維護成本較高。

在實際運行中，進入吸收塔的氧化風量遠高于實際需求量，一方面造成風機能耗過高，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，嚴重情況甚至造成漿液溢流。這一問題在當前火電機組長時間低負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機的壓頭計算公式，為脫硫氧化風機的設計選型提供了參考。郭西清［12］結合理論計算和實際運行，將離心式氧化風機的運行方式由原先的“兩運一備”變?yōu)椤耙贿\兩備”后，大大降低了氧化風機的能耗。張超［6］對脫硫離心式氧化風機故障原因進行了分析，提出了采取單臺氧化風機通過風機出口聯(lián)絡管供應相鄰兩個吸收塔的運行方式并成功地進行運行優(yōu)化試驗。

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

1 氧化風系統(tǒng)母管制工藝

火電廠機組負荷變化幅度較大，大部分氧化風機采用離心式風機。離心風機的流量與轉速成正比，壓頭與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的三次方成正比［13-14］。若通過調(diào)節(jié)轉速來調(diào)節(jié)風量，氧化風機出口壓力也會相應減少，當出口壓力小于氧化風總阻力就無法將氧化空氣噴入漿液池中。所以離心式氧化風機無法采用變頻節(jié)能改造技術，在低負荷工況下氧化風供應量過剩，能耗浪費嚴重。

以某電廠2×350 MW 機組濕法煙氣脫硫系統(tǒng)為例：該廠設置了2 座吸收塔，每座吸收塔匹配2 臺離心式氧化風機，每臺氧化風機的額定流量為3 Nm3/s，額定功率為315 kW，出口相對壓力為88 kPa。機組低負荷運行過程氧化風供應量過大，導致能耗增加，液位波動大，運行安全性下降。

針對離心式氧化風機的節(jié)能，可采用母管制氧化風系統(tǒng)，將4 臺氧化風機出口引入供風母管中，2 座吸收塔連接同一供風母管，母管中間安裝1 個聯(lián)絡電動門。每座吸收塔前的氧化風管上裝有氧化風流量計和電動閥，保證氧化風能根據(jù)實際需求量進入2 座吸收塔中。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 脫硫氧化風母管制工藝流程

實際運行過程中，高負荷階段，聯(lián)絡電動門關閉，2 座吸收塔采用單元制運行，各吸收塔氧化風機各自供風。低負荷階段，聯(lián)絡電動門開啟，停掉1 臺氧化風機，只保留1 臺氧化風機運行，該風機的氧化風通過聯(lián)通母管同時向2 座吸收塔供風，即氧化風系統(tǒng)進入母管制運行方式，節(jié)約能耗。在某氧化風機事故狀態(tài)下，可通過氧化風母管制運行，提高脫硫系統(tǒng)的安全性和冗余性。

2 氧化空氣量需求

氧化風母管制和單元制運行模式切換必須基于脫硫氧化風量的精確計算。氧化風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］，具體反應式如式（1）。

在實際運行中，吸收塔所供應的氧化空氣量遠遠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，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，導致實際氧化風量遠超脫硫需要的氧化風量。

氧化風以氣泡的形式通入漿液中，對亞硫酸鈣進行強制氧化。由于氣膜和液膜、液膜和液膜之間的傳質(zhì)速率有限，有一部分氧化風來不及發(fā)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，強制氧化風量與運行參數(shù)如吸收塔液位、脫硫負荷等參數(shù)密切相關。基于以上分析，建立氧化風實際需求量公式如式（2）。

式中：Q實際為氧化風實際需求量，Nm3/h；α 為自然氧化率，與吸收塔運行方式有關，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），求得該電廠不同負荷下氧化風實際需求量如表1。

表1 氧化風實際供應量與實際需求量對比

在脫硫負荷發(fā)生變化時，自然氧化風量基本不變，強制氧化風實際需求量隨脫硫負荷降低而降低。機組負荷在70%負荷以下時，強制氧化風實際需求量在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，很多時候的氧化風實際供應量仍然大于實際需求量。但相比于2 臺氧化風機運行，母管制運行節(jié)能效果顯著。

3 氧化風子系統(tǒng)運行模式和能耗分析

離心風機的能耗可由式（3）算出計算［13］。

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

在運行中，吸收塔所供應的氧化空氣量遠遠高于實際所需的空氣量。離心風機因其特殊的性能曲線，不宜調(diào)整出口的風量，而在脫硫負荷較低時可切換為1 臺風機帶2 臺機組脫硫塔的形式?；贒CS 數(shù)據(jù)和氧化風需求量公式進行計算，可分別得到單元制和母管制運行的能耗，如表2 所示。

表2 某電廠不同負荷下氧化風機的能耗

由表2 可以看出，該廠氧化風機的選型偏大，氧化風實際供應量遠高于實際需求量。離心式氧化風機在單風機單塔運行下只能全負荷運行，不適合當前靈活性發(fā)電節(jié)能的要求。但采用母管制運行時，70%以下的脫硫負荷時可用單氧化風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，低負荷時2 座吸收塔只需要1 臺氧化風機運行，顯著提高了氧化風系統(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

氧化風流量越大，則系統(tǒng)阻力越大。如果氧化風系統(tǒng)總阻力大于氧化風機出口的額定壓力，可能會使氧化風機發(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量，氧化風機受到的總阻力也會相應減小。氧化風進入脫硫系統(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，開度越小，阻力越大，閥門全開時則阻力很??；在50%的開度時阻力達到了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致氧化空氣阻力分布不均，嚴重時可能會出現(xiàn)1 座吸收塔沒有氧化風的情況。所以，母管制運行時要時刻關注液位的變化，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工作。

5 小結

（1）根據(jù)離心風機的特性，提出了低負荷下氧化風機母管制運行策略，以降低氧化風機能耗，同時提高脫硫氧化風系統(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需求量模型，計算出不同負荷下2 座吸收塔需要的氧化風量，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2 臺機組脫硫負荷在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母管制運行安全。