基于臨界沉積速度的濕法脫硫石灰石供漿系統(tǒng)優(yōu)化

谷小兵，寧 翔，孟 磊，時 浩，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(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

近幾年，火電行業(yè)紛紛進(jìn)行超低排放改造[1-2]。脫硫系統(tǒng)的大功率耗能設(shè)備多，濕法脫硫系統(tǒng)用電占火力發(fā)電廠用電的20%左右，提高了供電煤耗，增加了火電廠運行成本；另一方面，為滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，脫硫系統(tǒng)石灰石漿液泵等耗能設(shè)備保持額定功率運行，不能根據(jù)煙氣中含硫氧化物的含量實時調(diào)整，出口煙氣SO2含量遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)，造成能耗浪費；同時，面對新的能源供應(yīng)格局，燃煤機(jī)組將長時間在低負(fù)荷狀態(tài)下運行，脫硫系統(tǒng)也必須進(jìn)行靈活性改造才能滿足機(jī)組的運行要求[3-5]。

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)采用石灰石粉作為吸收劑[6]。為便于控制石灰石添加量，通常將石灰石粉和水以一定比例混合成石灰石漿液，并通過石灰石漿液供應(yīng)系統(tǒng)向脫硫塔內(nèi)添加石灰石?，F(xiàn)有的石灰石漿液供應(yīng)系統(tǒng)一般采用變頻泵的供漿方式，通過調(diào)節(jié)漿液流量來控制石灰石添加量[7]。由于石灰石漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%，為減小石灰石漿液對輸送管道的磨損和漿液沉積，需將其流速控制在1.5～3.0 m/s，相應(yīng)地，石灰石添加量的安全調(diào)節(jié)范圍在50%～100%[8]。

為保證脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，當(dāng)脫硫塔的SO2負(fù)荷變化時，石灰石添加量應(yīng)隨之實時調(diào)節(jié)[9]。彭國富等[10]以凈煙氣SO2為被控量，利用前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)煙氣側(cè)和漿液側(cè)擾動，開發(fā)了串級前饋石灰石供漿控制策略。賀心燕和李國慶[11]以機(jī)組負(fù)荷和入口SO2濃度為前饋信號，實時調(diào)控供漿流量。SO2負(fù)荷隨鍋爐煙氣量和燃煤硫分的變化而變化，鍋爐煙氣量的變化幅度在40%～100%，燃煤硫分的變化幅度在50%～100%，因此SO2負(fù)荷的變化幅度在20%～100%，遠(yuǎn)高于石灰石添加量的安全調(diào)節(jié)范圍。

現(xiàn)有的石灰石漿液供應(yīng)系統(tǒng)采用單一的供漿泵變頻調(diào)節(jié)方式，只有SO2負(fù)荷大于50%時才能實現(xiàn)石灰石添加量的實時調(diào)節(jié)[9]。宋濤等[12]實現(xiàn)了PID分段控制調(diào)節(jié)pH值的供漿實際應(yīng)用，但負(fù)荷過低時需設(shè)置漿液泵最低開度并手動設(shè)定pH理想值。因此，當(dāng)SO2負(fù)荷低于50%時，如果繼續(xù)降低供漿泵的頻率，會導(dǎo)致管道中漿液的沉積，危及供漿系統(tǒng)安全運行[13-15]。為避免管道中漿液的沉積，現(xiàn)有石灰石漿液供應(yīng)系統(tǒng)采用頻繁啟停石灰石漿液泵的間斷供漿方式，將會帶來以下問題[16]：① 石灰石添加量不能再隨著SO2負(fù)荷的變化而實時調(diào)節(jié)，導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)的pH值變化幅度變大，帶來SO2濃度排放超標(biāo)的風(fēng)險。② 石灰石漿液泵需頻繁啟停，降低泵的使用壽命。③ 每次石灰石漿液泵停運后，為防止?jié){液在管道中沉積，都需要對供漿管道系統(tǒng)進(jìn)行沖洗，消耗大量工藝水。

近年來，國家對環(huán)境治理力度不斷加大，電站燃煤鍋爐煙氣的SO2排放標(biāo)準(zhǔn)更是由100 mg/m3提高到了35 mg/m3，這就要求對脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)，包括pH、石灰石添加量等進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)[17]。同時，燃煤電站的年利用小時數(shù)持續(xù)降低，脫硫系統(tǒng)的SO2負(fù)荷長期處于較低狀態(tài)，原有石灰石漿液供應(yīng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性下降[18]。

為解決上述問題，筆者通過沉積速度試驗，確定含固率和管徑這兩大指標(biāo)與石灰石顆粒臨界沉積速度的定量關(guān)系，進(jìn)而折算為臨界流量，開發(fā)出以石灰石漿液臨界流量為控制指標(biāo)的控制邏輯，實現(xiàn)供漿系統(tǒng)寬負(fù)荷實時調(diào)節(jié)。

1 試驗方法

寬負(fù)荷調(diào)節(jié)供漿技術(shù)試驗平臺如圖1所示。石灰石漿液由石灰石漿液泵打入到有機(jī)玻璃管道中觀察流動情況，經(jīng)過密度計和流量計進(jìn)行測量，試驗完成后排入廢水處理池。中間的取樣口可對石灰石漿液取樣測量使用。為了適應(yīng)安裝不同管徑的有機(jī)玻璃管段，采用不同的變徑段將有機(jī)玻璃和前面公用段管道相連。

圖1 寬負(fù)荷調(diào)節(jié)供漿技術(shù)試驗裝置

試驗流程如下：① 在石灰石漿液罐中配置石灰石漿液，試驗中選取5種不同的石灰石漿液含固量Cv(4%、6%、8%、11%、20%)；② 將變徑口和有機(jī)玻璃管接入到流量計后段，有機(jī)玻璃管管徑選用內(nèi)徑(DN)40、50、60和70 mm四種類型，有機(jī)玻璃管長1 m；③ 啟動石灰石漿液泵，保證石灰石漿液流過有機(jī)玻璃管而不發(fā)生顆粒沉淀；④ 調(diào)節(jié)閥門開度逐漸降低石灰石漿液在管道內(nèi)的流速，觀察石灰石漿液在有機(jī)玻璃管內(nèi)的流動情況；⑤ 當(dāng)有機(jī)玻璃管道內(nèi)出現(xiàn)顆粒沉淀時，記錄密度計和流量計的數(shù)據(jù)ρ1和Q1；⑥ 更換其他管徑的有機(jī)玻璃管，重復(fù)步驟①～⑤。將記錄好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，換算成石灰石顆粒不沉降最低流速v與含固量、管徑之間的關(guān)系，擬合出石灰石顆粒不沉降最低流速v與含固量和管徑的回歸算式v=f(Cv,DN)。

2 結(jié)果與分析

2.1 石灰石粒徑分布

使用濟(jì)南微納顆粒股份技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Winner2000ZDE激光粒度分析儀對試驗所用的石灰石漿液進(jìn)行粒徑分析。測量依據(jù)Fraunhofer衍射理論和完全的米氏光散射理論。光照射顆粒時，衍射和散射的情況與光的波長及顆粒的大小有關(guān)，因此當(dāng)用單色性很好并且波長固定的激光作為光源時，就可以消除波長的影響，從而得出衍射、散射情況與顆粒粒徑分布的對應(yīng)關(guān)系。石灰石漿液顆粒粒徑分布如圖2所示，可知漿液整體粒徑分布主要在10 μm，而漿液粗顆粒粒徑分布主要在100 μm。漿液整體粒徑分布包括外部帶入的細(xì)灰雜質(zhì)，漿液粗顆粒粒徑分布是指純石灰石漿液。當(dāng)顆粒粒徑較小(細(xì)顆粒)時，跟隨性好，能與水形成均質(zhì)漿體；當(dāng)顆粒粒徑較大(粗顆粒)時，其速度明顯小于水流速度，形成顆粒與水的固液兩相流。在顆粒粒徑逐漸變大過程中，跟隨性逐漸變差。

圖2 石灰石漿液顆粒粒徑分布

2.2 沉積速度試驗

2.2.1管徑的影響

為驗證管徑對臨界流速的影響，選取粗顆粒含固率為20%的石灰石漿液在4種不同管徑內(nèi)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 粗顆粒臨界流速與管徑的關(guān)系

由圖3可知，隨著管徑的增加，臨界流速也呈增大的趨勢。臨界流速從管內(nèi)徑為40 mm時的1.28 m/s增加到管內(nèi)徑為70 mm時的1.76 m/s，增加了近40%。關(guān)于管道直徑對臨界流速的影響，學(xué)者們進(jìn)行了不同的研究[19-21]。

杜蘭德公式中，臨界流速νc∝D1/3，在瓦斯普(Wasp)的計算方法里，νc與D1/3成正比?？ㄙ澦够鶕?jù)大量試驗數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗公式為

(1)

其中，νc為臨界流速；D為管內(nèi)徑；Z為懸浮指數(shù)，是顆粒沉速與紊動強(qiáng)度數(shù)群之比；g為重力加速度；Cw為質(zhì)量濃度。公式表明，νc與D1/4成正比。管道內(nèi)徑對臨界流速的影響主要表現(xiàn)在2方面[19]。一方面管道直徑越大，其絕對粗糙度越小，水力半徑越大，紊動作用越強(qiáng)，臨界流速減??；另一方面，管徑加大，固體顆粒從管底懸浮起來難度更大，更難維持原有的垂線濃度梯度，需要更大的輸送速度。

2.2.2含固率的影響

為驗證含固率對臨界流速的影響，選取的管內(nèi)徑為50 mm并在4種不同石灰石漿液含固率的工況下進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 粗顆粒臨界流速與含固率的關(guān)系

由圖4可知，隨著含固率的降低，臨界流速也呈下降趨勢。臨界流速從含固率為20%時的1.42 m/s降低到含固率為4%時的1.06 m/s。汪東等[22-23]研究得出，臨界流速νc與含固率Cv的關(guān)系為

(2)

式中，m為正數(shù)，在0～0.36，大部分在1/3左右。

2.2.3粗細(xì)顆粒臨界流速對比

漿液沉積試驗測試了漿液臨界沉積流速與不同內(nèi)徑和不同含固率的對應(yīng)關(guān)系，得出了粗顆粒和細(xì)顆粒下的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 粗細(xì)顆粒臨界速度與不同內(nèi)徑及含固率的關(guān)系

臨界沉積流速為當(dāng)固體顆粒從懸浮狀態(tài)下流速由大變小，直至開始滾動、滑動和沉積形成固定床面時的最大流速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著管徑的增大，臨界流速增大。隨著含固率的降低，臨界流速降低。前人研究發(fā)現(xiàn)[24]：固液兩相流的漿體輸送管道中，漿體濃度對臨界流速的影響具有雙重作用。一種情況下，單純提高固體濃度時，會大大增加漿體的黏性，紊動對顆粒的支持力減小，從側(cè)面論證了提高濃度可以降低臨界速度；另一種情況，在管徑等試驗條件一定時，提高固體輸送濃度抑制紊動強(qiáng)度，支持顆粒的力減弱，此時增大流速才能維持紊動強(qiáng)度。因此提高固體輸送濃度能同時減小臨界速度和增大臨界速度，導(dǎo)致復(fù)雜現(xiàn)象的出現(xiàn)。根據(jù)濃度與臨界流速關(guān)系公式可知：對于某具體管徑，在一般情況下，如果漿體的輸送管道臨界沉積流速與漿體濃度呈正相關(guān)關(guān)系，則漿體將處在低濃度范圍；相反，當(dāng)漿體濃度超出一定范圍時，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，容易形成層流狀態(tài)，使阻力快速增大。

基于不同管徑和含固率下的石灰石漿液沉積試驗，根據(jù)試驗結(jié)果建立石灰石顆粒沉降特性模型。通過SPSS軟件的二元線性回歸得出了石灰石漿液臨界沉積速度與含固率、管徑的回歸算式，如式(3)和式(4)所示：

對細(xì)顆粒：

νc=f(Cv,DN)=2.362Cv+0.006DN+0.409，

(3)

對粗顆粒：

νc=f(Cv,DN)=2.006Cv+0.018DN+0.132。

(4)

再根據(jù)擬合得出的臨界流速，折算成臨界沉積流量X0，為后期的控制邏輯改造作準(zhǔn)備。

2.3 補(bǔ)水工藝及控制方案

吸收塔漿液值控制系統(tǒng)是石灰石濕法脫硫工藝中最復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其控制目的主要是通過將漿液值控制在合理的范圍內(nèi)以保證預(yù)期的脫硫效率和較高的石灰石利用率[25]。影響漿液pH值的主要因素包括煙氣流量、入口SO2濃度、石灰石漿液流量以及濃度等。在原控制邏輯中，通過調(diào)節(jié)加入脫硫吸收塔反應(yīng)罐中石灰石漿液的流量控制漿液pH值。原控制方案思路為高于50%負(fù)荷，石灰石漿液泵變頻運行；低于50%負(fù)荷，停石灰石漿液泵。靈活性發(fā)電背景下，脫硫系統(tǒng)可能頻繁波動，這種控制方案對泵的壽命極其不利。

根據(jù)前期試驗結(jié)果，對原有的工藝流程和控制方案進(jìn)行了改造。在石灰石漿液箱和石灰石漿液泵之間加入一路工藝水，不同負(fù)荷下根據(jù)石灰石漿液pH值來調(diào)節(jié)補(bǔ)充水量或石灰石添加量，改造后系統(tǒng)流程和控制邏輯分別如圖6和7所示。

圖6 補(bǔ)充工藝水系統(tǒng)流程

工藝水從石灰石漿液泵沖洗水母管上開管口引出，依次經(jīng)過手動截止閥、電動調(diào)節(jié)閥、電動截止閥、手動蝶閥，最后接入石灰石漿液泵入口管。電動調(diào)節(jié)閥作為水量自動控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。后期可以通過電動調(diào)節(jié)閥的不同開度，控制進(jìn)入系統(tǒng)的工藝水，保證寬負(fù)荷下石灰石漿液泵始終在合適的流量下工作，確保泵的安全運行。

由圖7可知，負(fù)荷下降，石灰石漿液量計算值低于臨界沉積流量值X0(前期試驗已經(jīng)得出)時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)從石灰石漿液泵切換成工藝水系統(tǒng)電動調(diào)節(jié)閥，石灰石漿液泵鎖定頻率運行，電動截止閥打開，電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行工藝水的調(diào)節(jié)，通過密度計和流量計生成的石灰石實際添加量與計算值進(jìn)行比較，差值經(jīng)過轉(zhuǎn)化后控制電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制；負(fù)荷回升時，石灰石量計算值高于110%X0，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)從工藝水系統(tǒng)電動調(diào)節(jié)閥切換成石灰石漿液泵，石灰石漿液泵變頻率運行，電動截止閥關(guān)閉，電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。改造后的控制方案已經(jīng)成功在現(xiàn)場實施。在運行過程中，脫硫系統(tǒng)運行參數(shù)穩(wěn)定，pH、漿液密度、石膏品質(zhì)、脫硫效率穩(wěn)定。本供漿系統(tǒng)的優(yōu)化，確保了低負(fù)荷下供漿泵的穩(wěn)定運行，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。

圖7 寬負(fù)荷供漿控制邏輯

3 結(jié) 論

1)石灰石漿液臨界沉積速度的影響因素主要為管道內(nèi)徑、漿液含固率和石灰石粒徑大小。隨著管徑的增大，臨界沉積速度增大；隨著含固率的增加，臨界沉積速度增大；同工況下，粗顆粒的臨界沉積速度要大于細(xì)顆粒。

2)基于試驗結(jié)果得出了石灰石漿液臨界沉積速度與含固率、管徑的回歸算式。

3)基于石灰石漿液臨界沉積速度，提出了寬負(fù)荷補(bǔ)水供漿工藝。并且開發(fā)了低負(fù)荷階段補(bǔ)充水電動調(diào)節(jié)閥控制石灰石漿液邏輯，結(jié)合高負(fù)荷下石灰石漿液泵控制pH的控制邏輯，實現(xiàn)了全負(fù)荷石灰石漿液的調(diào)節(jié)控制，該邏輯成功應(yīng)用于現(xiàn)場，保證了石灰石漿液泵的正常運行。