摘要：“雙碳”目標(biāo)下，隨著新能源的快速發(fā)展，為保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，不僅要求燃煤機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行且負(fù)荷變動(dòng)頻繁，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，也要求對(duì)相應(yīng)的煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化改造?；诖?，首先對(duì)濕法煙氣脫硫（WFGD）系統(tǒng)的能耗進(jìn)行研究，然后針對(duì)WFGD系統(tǒng)關(guān)鍵耗能設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化研究進(jìn)行綜述和分析，最后提出WFGD系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的發(fā)展方向，期望為“雙碳”目標(biāo)下WFGD系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化改造提供參考。

關(guān)鍵詞：濕法煙氣脫硫；氧化風(fēng)機(jī)；漿液循環(huán)泵；節(jié)能優(yōu)化

引言

隨著實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)各項(xiàng)措施的推進(jìn)，以及《國家“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃》的頒布，我國的風(fēng)電、光伏等新能源裝機(jī)容量不斷增大。2022年，我國風(fēng)電、光伏等新能源合計(jì)新增裝機(jī)突破1億kW，占全部新增發(fā)電裝機(jī)比重63% [1]。然而，新能源的間歇性和不穩(wěn)定性給電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。作為我國能源結(jié)構(gòu)的“壓艙石”，燃煤電廠等通過深度調(diào)峰促進(jìn)新能源消納，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。在此背景下，燃煤電廠目前的運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)很大，大部分機(jī)組在低負(fù)荷下長期運(yùn)行。與之配套的以濕法煙氣脫硫（WFGD）為代表的脫硫系統(tǒng)[3]，一方面能耗較高，其運(yùn)行的能耗約占燃煤電廠機(jī)組發(fā)電量的1%，部分電廠甚至可以達(dá)到2%～3%；另一方面，缺乏與機(jī)組負(fù)荷變化相適應(yīng)的調(diào)控措施，導(dǎo)致在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)WFGD系統(tǒng)仍然高負(fù)荷甚至滿負(fù)荷運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能運(yùn)行。因此，分析研究WFGD系統(tǒng)的能源消耗，優(yōu)化WFGD關(guān)鍵設(shè)備與系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)降低WFGD系統(tǒng)的運(yùn)行能耗具有重要意義?；诖?，為助力“雙碳”目標(biāo)下WFGD系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化改造，本文對(duì)WFGD系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化開展研究，提出了WFGD系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的發(fā)展方向。

1 WFGD系統(tǒng)能耗分析

1.1系統(tǒng)運(yùn)行流程

WFGD系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示，經(jīng)過除塵后的煙氣由引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)入SO2吸收塔，石灰石漿液由漿液泵送入SO2吸收塔循環(huán)漿液池，循環(huán)漿液池中的漿液由漿液循環(huán)泵送入SO2吸收塔的噴淋母管。在吸收塔內(nèi)，循環(huán)漿液通過霧化噴嘴霧化形成細(xì)小顆粒，并與煙氣逆向接觸反應(yīng)捕集SO2。凈煙氣通過吸收塔頂部的除霧器去除煙氣中的液滴，然后進(jìn)入煙囪排放。吸收塔底部的氧化風(fēng)機(jī)鼓入空氣將吸收SO2形成的亞硫酸鈣氧化生成硫酸鈣，然后通過石膏排出泵進(jìn)入石膏脫水系統(tǒng)制成符合要求的石膏制品。

1.2 系統(tǒng)能耗分析

WFGD系統(tǒng)中主要設(shè)備的能耗占比如表1所示，氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵和增壓風(fēng)機(jī)是濕法脫硫系統(tǒng)的主要能耗設(shè)備，其能耗約占脫硫系統(tǒng)能耗的80%[4]。在燃煤電廠深度調(diào)峰的背景下，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)很大，大部分機(jī)組在低負(fù)荷下長期運(yùn)行。然而，WFGD系統(tǒng)傳統(tǒng)的漿液pH值調(diào)控和漿液循環(huán)泵組合運(yùn)行優(yōu)化的方式，缺乏靈活快速的深度調(diào)節(jié)能力[5]，難以實(shí)現(xiàn)WFGD系統(tǒng)低碳節(jié)能運(yùn)行，因此國內(nèi)外針對(duì)WFGD系統(tǒng)能耗較高的主要設(shè)備進(jìn)行了大量的節(jié)能優(yōu)化研究，并對(duì)WFGD系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

2氧化風(fēng)機(jī)節(jié)能優(yōu)化研究

在風(fēng)壓變化不大的情況下，氧化風(fēng)機(jī)的能耗主要由風(fēng)機(jī)鼓入的空氣量所決定，而鼓入的空氣量與煙氣量和SO2濃度有關(guān)[6]。鼓入的空氣量越多，CaSO3的氧化越充分，但過量的氧化空氣會(huì)導(dǎo)致氧化系統(tǒng)能耗的增加。因此，國內(nèi)外學(xué)者圍繞優(yōu)化氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行、降低氧化風(fēng)機(jī)能耗等問題展開了大量研究。

2.1氧化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行

目前，WFGD系統(tǒng)常用的氧化風(fēng)機(jī)主要有羅茨風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)[6]。與離心風(fēng)機(jī)相比，羅茨風(fēng)機(jī)的出口壓力與風(fēng)機(jī)流量無關(guān)，降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率對(duì)其出口壓力影響較小。因此，針對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行變頻改造實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，降低運(yùn)行能耗。谷小兵等[7]根據(jù)電廠的吸收塔運(yùn)行狀況、煙氣流量和SO2濃度確定氧化風(fēng)的最佳需求量，并基于最佳需求量建立羅茨風(fēng)機(jī)的變頻模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示羅茨風(fēng)機(jī)變頻改造后平均運(yùn)行能耗下降30%以上。

由于采用離心風(fēng)機(jī)，就需要對(duì)其進(jìn)行變頻改造，從而影響其出口壓力，以及影響氧化系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此有學(xué)者提出多臺(tái)風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行并結(jié)合入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)等方式降低能耗。如，黃鍇[8]建立了2臺(tái)風(fēng)機(jī)并行運(yùn)行系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低運(yùn)行能耗；谷小兵等[9]提出了氧化風(fēng)系統(tǒng)母管制工藝，采用供風(fēng)母管將多臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)和多個(gè)吸收塔相連，根據(jù)脫硫負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控風(fēng)機(jī)和供風(fēng)母管系統(tǒng)閥門的開閉，以降低氧化風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。

2.2 氧化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的控制指標(biāo)研究

通過氧化風(fēng)機(jī)的優(yōu)化運(yùn)行可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，但要實(shí)現(xiàn)氧化風(fēng)機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)控，還需確定氧化風(fēng)機(jī)的控制指標(biāo)及具體參數(shù)。郝潤龍等[10]收集燃煤電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定氧化風(fēng)所需空氣量，建立如式（1）所示的氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，并基于數(shù)學(xué)模型根據(jù)煙氣量和SO2濃度優(yōu)化氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率。

式中 P風(fēng)機(jī)—氧化風(fēng)機(jī)功率，kW；P液—液壓，Pa；P空—空氣密度，kg/m3；ζ氧—氧化風(fēng)機(jī)阻力系數(shù)；Pin—入口SO2濃度，mg/m3；Q煙—煙氣量，m3/s；η1—SO2氧化效率，50%～60%；η2—氧氣利用率，25%～30%；S氧—氧化風(fēng)機(jī)管道截面積，m2。

呂麗娜[11]發(fā)現(xiàn)溶解氧（DO）可作為傳質(zhì)指標(biāo)表示氧化程度，但利用脫硫漿液吸收SO2時(shí)，DO需要控制在合適的范圍 。三菱重工提出了利用OPR作為指示脫硫漿液氧化程度的標(biāo)準(zhǔn)。馬雙忱等[12]研究了脫硫漿液多相氧化過程，推導(dǎo)計(jì)算了SO32-濃度關(guān)于pH的公式，即式（2），以此獲得SO32-的精確濃度，并以此建立pH和OPR耦合的雙控制模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)氧化。

式中 —SO32-的共軛酸HSO3-的解離常數(shù)。

張鑫博[13]在原有基礎(chǔ)上，引入DO和OPR控制指標(biāo)，建立“DO-SO32--OPR”控制模型，開發(fā)了基于雙向反饋的氧化風(fēng)機(jī)智能調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用節(jié)能效果顯著。

上述研究有效地提高了氧化風(fēng)機(jī)對(duì)機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組深度調(diào)峰下氧化風(fēng)機(jī)的及時(shí)調(diào)控與低能耗運(yùn)行。

3 脫硫漿液循環(huán)泵節(jié)能優(yōu)化

WFGD系統(tǒng)的吸收塔內(nèi)有多層漿液噴淋層，每層對(duì)應(yīng)1臺(tái)脫硫漿液循環(huán)泵。漿液循環(huán)泵的運(yùn)行調(diào)控主要根據(jù)電廠機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷和入口煙氣SO2濃度來確定，由于缺乏理論指導(dǎo)，這種調(diào)控方法存在一定缺陷，經(jīng)常偏離最佳值，因此，確定合理的漿液循環(huán)量，優(yōu)化漿液循環(huán)泵運(yùn)行，對(duì)保障WFGD系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

3.1 漿液循環(huán)泵的運(yùn)行優(yōu)化

基于電廠脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)漿液循環(huán)泵進(jìn)行優(yōu)化控制研究，可獲得滿足當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組要求的低成本運(yùn)行組合。牛擁軍等[14]通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了相同運(yùn)行條件下不同漿液循環(huán)泵運(yùn)行組合下的能耗，以此指導(dǎo)各運(yùn)行狀態(tài)下的漿液循環(huán)泵最佳組合運(yùn)行。景玉潔[15]根據(jù)運(yùn)行工況，改造循環(huán)泵降低其設(shè)計(jì)流量，實(shí)現(xiàn)其綜合能耗降低約16%。李偉等[16]研究了控制漿液循環(huán)泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)WFGD系統(tǒng)安全低耗運(yùn)行，應(yīng)用變頻調(diào)速控制漿液循環(huán)泵轉(zhuǎn)速后，運(yùn)行機(jī)組每年可降低電耗約26%。

3.2 漿液循環(huán)泵的智能控制優(yōu)化

由于漿液循環(huán)泵的優(yōu)化運(yùn)行大多基于現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制優(yōu)化，但對(duì)于一些燃煤電廠而言，更換燃用煤種都有可能影響優(yōu)化方法運(yùn)行準(zhǔn)確性，因此有學(xué)者基于反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了控制優(yōu)化研究。WARYCH J等[17]詳細(xì)分析了濕法脫硫的反應(yīng)過程，利用膜理論對(duì)漿液吸收SO2過程進(jìn)行建模分析，實(shí)現(xiàn)漿液循環(huán)泵的運(yùn)行優(yōu)化。徐剛等[18]分析脫硫反應(yīng)中脫硫效率和漿液液氣比的關(guān)系，利用線性回歸方法建立二者模型，詳見式（3）、式（4），以此得到最優(yōu)能耗下的脫硫漿液量，進(jìn)而確定循環(huán)泵最優(yōu)運(yùn)行組合。

式中 η—脫硫效率，%；" " " " " " "和

—WFGD系統(tǒng)的入口和出口SO2濃度，mg/m3；

L/G—漿液噴淋量與煙氣量的比值；a、b —擬合系數(shù)。

還有學(xué)者利用數(shù)據(jù)優(yōu)化對(duì)漿液循環(huán)泵進(jìn)行優(yōu)化控制研究。王星久[19]通過基于遺傳算法的 LS-SVM建立基于漿液消耗和漿液循環(huán)泵能耗的脫硫系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用模型，對(duì)漿液pH值與液氣比進(jìn)行預(yù)測實(shí)現(xiàn)控制優(yōu)化。因此，對(duì)脫硫漿液循環(huán)泵節(jié)能優(yōu)化研究可有效提高漿液循環(huán)泵調(diào)控的精準(zhǔn)度，對(duì)實(shí)現(xiàn)WFGD系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控的精準(zhǔn)性和經(jīng)濟(jì)性具有指導(dǎo)意義。

4 增壓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化研究

隨著超低排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，電廠的WFGD系統(tǒng)取消了增壓風(fēng)機(jī)，進(jìn)行了“引增合一”的系統(tǒng)改造，改造后引風(fēng)機(jī)的綜合效率得到大幅提高，風(fēng)機(jī)耗電量降低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性也得到提高，設(shè)備維護(hù)工作量和維修減少，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提高。另外，實(shí)行“引增合一”后，新引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率較之前明顯增大，而針對(duì)新引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)、型式和驅(qū)動(dòng)形式，也有效降低了新引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。

增壓風(fēng)機(jī)的取消為煙道的進(jìn)一步優(yōu)化改造提供了空間。通過對(duì)煙道進(jìn)行流場優(yōu)化改造，可有效降低風(fēng)機(jī)出口至脫硫吸收塔入口之間的煙道阻力，進(jìn)而降低風(fēng)機(jī)能耗，減少系統(tǒng)運(yùn)行的電耗。

5 WFGD系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化研究

良好的吸收反應(yīng)條件對(duì)促進(jìn)煙氣脫硫快速反應(yīng)具有重要意義，漿液pH值和密度、吸收塔液位高和石灰石粉細(xì)度等影響因素也對(duì)吸收過程具有顯著的影響。邊小君[20]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于WFGD系統(tǒng)保持漿液pH穩(wěn)定在5.4～5.5時(shí)，可在保證脫硫效率的前提下節(jié)約石灰石漿液的消耗，進(jìn)而降低循環(huán)漿液泵等設(shè)備的電耗。劉生璐[21]研究發(fā)現(xiàn)，漿液密度維持在1080～1200 kg/m3，可提高脫硫效率，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗；同時(shí)，由于吸收塔內(nèi)漿液吸收SO2需要一定反應(yīng)空間，而反應(yīng)空間過大或過小都會(huì)影響脫硫效率，增加漿液的消耗和運(yùn)行設(shè)備的電耗。李鵬[22]研究發(fā)現(xiàn)，控制吸收塔液位高度在7.3～7.8 m時(shí)可以獲得最佳的脫硫效率，有效降低運(yùn)行能耗。此外，石灰石粉的細(xì)度也可影響脫硫效率，當(dāng)石灰石粉細(xì)度約為250目時(shí)，脫硫效率更好，不僅可減少石灰石的用量，也可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

使用脫硫增效劑也可促進(jìn)脫硫漿液吸收SO2，降低系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的能耗。于崢等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在某300MW機(jī)組的WFGD系統(tǒng)中使用脫硫增效劑后系統(tǒng)的脫硫效率顯著提高，減少了脫硫漿液的消耗和漿液循環(huán)泵等運(yùn)行設(shè)備的電耗。

結(jié)論

對(duì)氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵和增壓風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵耗能設(shè)備及WFGD系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)等節(jié)能優(yōu)化研究進(jìn)行綜述和分析，研究結(jié)果顯示 WFGD系統(tǒng)的能耗主要來自于氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵和增壓風(fēng)機(jī)。但目前圍繞氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵等相關(guān)設(shè)備的優(yōu)化與調(diào)控研究，仍面臨一定的問題。由于氧化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)類型已從羅茨風(fēng)機(jī)逐漸更換為單級(jí)高速/多級(jí)低速離心風(fēng)機(jī)、磁懸浮/空氣懸浮離心風(fēng)機(jī)等，其風(fēng)量調(diào)控易引起風(fēng)壓的變化，因而導(dǎo)致其風(fēng)量調(diào)控的范圍受限，并且漿液循環(huán)泵也存在同樣的問題，以及同時(shí)存在循環(huán)泵的頻繁啟停對(duì)電機(jī)和葉輪的沖擊損害等問題。未來，WFGD系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化還需要進(jìn)一步研究與關(guān)注這些問題。

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作者簡介

石榮桂（1971—），男，漢族，山東郯城人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事電廠煙氣凈化處理工藝研究工作。