二氧化硫風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下硫酸廠(chǎng)系統(tǒng)阻力分析與探討

張玉杰 ,王海波

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.河南豫光金鉛股份有限公司,河南 濟(jì)源 454650)

二氧化硫風(fēng)機(jī)是冶煉煙氣制酸系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,是制酸系統(tǒng)耗電量最大的設(shè)備。二氧化硫風(fēng)機(jī)的壓升與系統(tǒng)(設(shè)備、管道)阻力有關(guān),不同負(fù)荷下二氧化硫風(fēng)機(jī)壓升不同。采用變頻調(diào)速方便風(fēng)機(jī)啟動(dòng),節(jié)省電能。

1 冶煉煙氣制酸工藝流程概述

某冶煉煙氣制酸廠(chǎng)采用2 級(jí)洗滌—?dú)怏w冷卻—2 級(jí)電除霧—二氧化硫風(fēng)機(jī)—一轉(zhuǎn)一吸—尾氣脫硫工藝。冶煉煙氣經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量、收塵系統(tǒng)收塵后進(jìn)入制酸系統(tǒng),煙氣經(jīng)一級(jí)高效洗滌、氣體冷卻、2 級(jí)高效洗滌凈化,經(jīng)2 級(jí)電除霧器除霧、干燥塔干燥、二氧化硫風(fēng)機(jī)增壓,經(jīng)Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ換熱器加熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器,煙氣經(jīng)3 段轉(zhuǎn)化、3 次換熱后進(jìn)入吸收塔,煙氣中三氧化硫被濃硫酸吸收,尾氣經(jīng)脫硫由煙囪排放。冶煉煙氣制酸工藝流程如圖1 所示。

圖1 冶煉煙氣制酸工藝流程

2 硫酸系統(tǒng)阻力計(jì)算公式示例

2.1 主要設(shè)備及管道阻力

2.1.1 筒體設(shè)備主體及煙氣管道直管阻力[1-2]

式中 ΔP—筒體設(shè)備主體及煙氣管道直管阻力,Pa;

f—阻力系數(shù);

L—設(shè)備或管道長(zhǎng)度,m;

ρ—?dú)怏w密度,kg/m3;

u—?dú)怏w流速,m/s;

d—設(shè)備或管道內(nèi)徑,m。

2.1.2 設(shè)備進(jìn)出口或管道局部阻力[1-2]

式中 ΔP—設(shè)備進(jìn)出口或管道局部阻力,毫米水柱;

ψ—阻力系數(shù);

W—?dú)怏w流速,m/s;

g—重力加速度,9.81 m/s2。

2.1.3 換熱器殼程阻力[2]

式中 ΔPs—換熱器殼程阻力,Pa;

ΔP1—流體橫向通過(guò)管束的阻力,Pa;

ΔP2—流體通過(guò)折流板缺口的阻力,Pa;

FS—?dú)こ探Y(jié)垢校正系數(shù),無(wú)量綱;

NS—?dú)こ虜?shù),無(wú)量綱。

式中 ΔP1—流體橫向通過(guò)管束的阻力,Pa;

F—換熱管排列方式校正系數(shù);

f0—?dú)こ塘黧w摩擦系數(shù);

nc—管束中心線(xiàn)上的管數(shù);

NB—折流擋板數(shù);

ρ0—?dú)怏w密度,kg/m3;

u0—?dú)怏w流速,m/s。

式中 ΔP2—流體通過(guò)折流板缺口的阻力,Pa;

NB—折流擋板數(shù);

h—折流板間距,m;

D—?dú)?nèi)徑,m;

ρ0—?dú)怏w密度,kg/m3;

u0—?dú)怏w流速,m/s。

2.2 設(shè)備附件阻力

塔填料阻力,計(jì)算較為準(zhǔn)確、應(yīng)用較為廣泛的填料層阻力是?？颂?Eekert)改進(jìn)的通用關(guān)聯(lián)圖[3],絲網(wǎng)捕沫器、纖維除霧器、轉(zhuǎn)化催化層的阻力采用相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[1]。

2.2.1 塔填料阻力[3]

計(jì)算較為準(zhǔn)確、應(yīng)用較為廣泛的填料層阻力是埃克特(Eekert)改進(jìn)的通用關(guān)聯(lián)圖,如圖2 所示,橫坐標(biāo)為流動(dòng)參數(shù),見(jiàn)公式(6),縱坐標(biāo)為泛點(diǎn)Y值,見(jiàn)公式(7)。

圖2 ?？颂胤狐c(diǎn)和壓降通用關(guān)聯(lián)圖[3]

式中FP—流動(dòng)參數(shù),無(wú)量綱;

GL—液體質(zhì)量流速,kg/(m2·s);

GG—?dú)怏w質(zhì)量流速,kg/(m2·s);

ρG—?dú)怏w密度,kg/m3;

ρL—液體密度,kg/m3。

式中Y—泛點(diǎn)Y值;

GG—?dú)怏w質(zhì)量流速,kg/(m2·s);

ψ—水的密度與液體密度之比;

φ—填料因子,m-1;

g—重力加速度,9.81 m/s2;

ρG—?dú)怏w密度,kg/m3;

ρL—液體密度,kg/m3。

μL—液體黏度,mPa·s。

2.2.2 絲網(wǎng)捕沫器阻力[1]

式中 ΔP—絲網(wǎng)捕沫器阻力,毫米水柱;

ω—?dú)怏w流速,m/s;

x—絲網(wǎng)層厚,m;

P—?dú)怏w密度,kg/m3;

ε—孔隙率,無(wú)因次;

g—重力加速度,9.81 m/s2;

d—絲網(wǎng)直徑,m;

f—摩擦系數(shù)。

2.2.3 纖維除霧器阻力[1]

式中 ΔP—纖維除霧器阻力,Pa;

K—透過(guò)系數(shù),無(wú)因次;

L—纖維床層厚度,m;

Q—容積流量,m3/s;

μ—?dú)怏w黏度,Pa·s;

A—纖維床層面積,m2;

d—每根纖維的直徑,m。

2.2.4 轉(zhuǎn)化觸媒層阻力[1]

式中 ΔP—轉(zhuǎn)化觸媒層阻力,毫米水柱;

f—阻力系數(shù),無(wú)量綱;

ρ—?dú)怏w密度,kg/m3;

W—?dú)怏w流速,m/s;

H—觸媒層高度,m。

3 二氧化硫風(fēng)機(jī)及變頻調(diào)速

3.1 二氧化硫風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)介

二氧化硫風(fēng)機(jī)為國(guó)產(chǎn)設(shè)備,風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、制造、檢驗(yàn)及試驗(yàn)采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)機(jī)為單吸雙支撐結(jié)構(gòu),主要由機(jī)殼、主軸、葉輪、隔板、密封、軸承箱及配套輔助系統(tǒng)組成。機(jī)殼材質(zhì)為鑄鐵,主軸材質(zhì)為碳鋼,葉輪材質(zhì)為316L 不銹鋼。

由于冶煉煙氣氣量呈周期性波動(dòng),為滿(mǎn)足氣量波動(dòng)要求,節(jié)能降耗,同時(shí)為降低風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)電流、增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、加快啟動(dòng)過(guò)程,避免風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電路壓降過(guò)大而影響其他用電設(shè)備的運(yùn)行,二氧化硫風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)節(jié),配置變頻器柜及YFP-2 異步變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式見(jiàn)公式(11)。

式中P—極對(duì)數(shù);

U1—定子電壓,V;

r1—定子電阻,Ω;

s—轉(zhuǎn)差率,無(wú)量綱s=f1/f2;

π—圓周率,3.141 592 654;

X1—定子電抗,Ω;

X2—轉(zhuǎn)子電抗,Ω。

3.2 二氧化硫風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速[4-5]

對(duì)二氧化硫風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下的風(fēng)機(jī)壓升實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,趨勢(shì)線(xiàn)為多項(xiàng)式時(shí)的決定系數(shù)(判定系數(shù))R2為0.997。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明:采用變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)二氧化硫風(fēng)機(jī)負(fù)荷(轉(zhuǎn)速),風(fēng)機(jī)升壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比,與式(12)一致。

式中H—風(fēng)壓,Pa;

R—風(fēng)阻,Pa·min2/m6;

Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量,m3/min。

電機(jī)功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比,見(jiàn)式(13)。

式中P—電機(jī)軸功率,kW;

γ—裕量系數(shù);

Q—風(fēng)機(jī)風(fēng)量,m3/min;

H—風(fēng)壓,Pa;

η—效率。

與其他流量控制方式相比,變頻方式調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速/流量節(jié)能效果顯著,如圖3 所示。由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)風(fēng)壓較低,不一定滿(mǎn)足系統(tǒng)阻力要求,另外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)風(fēng)機(jī)電機(jī)效率降低,故風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不宜過(guò)大,通常不低于額定轉(zhuǎn)速的50%。

圖3 不同流量控制效率/功率對(duì)比[4]

同一負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)電機(jī)電流有波動(dòng),加之較低負(fù)荷時(shí)電機(jī)效率有降低,且缺乏電機(jī)效率參數(shù),本文未分析風(fēng)機(jī)電機(jī)電流/消耗功率數(shù)據(jù)。

4 風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下硫酸系統(tǒng)阻力實(shí)測(cè)與分析

4.1 二氧化硫風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下硫酸系統(tǒng)阻力實(shí)測(cè)

試車(chē)投產(chǎn)期間,為試驗(yàn)主風(fēng)機(jī)及變頻裝置性能,對(duì)不同二氧化硫風(fēng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試,并記錄硫酸裝置主要系統(tǒng)與設(shè)備的阻力,其中風(fēng)機(jī)負(fù)荷-風(fēng)機(jī)壓升曲線(xiàn)如圖4 所示,風(fēng)機(jī)負(fù)荷-轉(zhuǎn)化層阻力曲線(xiàn)如圖5 所示,風(fēng)機(jī)負(fù)荷-轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力曲線(xiàn)如圖6 所示,風(fēng)機(jī)負(fù)荷-干燥系統(tǒng)阻力曲線(xiàn)如圖7 所示,風(fēng)機(jī)負(fù)荷-吸收系統(tǒng)阻力曲線(xiàn)如圖8 所示。

圖4 風(fēng)機(jī)負(fù)荷-風(fēng)機(jī)壓升曲線(xiàn)

圖5 風(fēng)機(jī)負(fù)荷-轉(zhuǎn)化層阻力曲線(xiàn)

圖6 風(fēng)機(jī)負(fù)荷-轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力曲線(xiàn)

圖7 風(fēng)機(jī)負(fù)荷-干燥系統(tǒng)阻力曲線(xiàn)

圖8 風(fēng)機(jī)負(fù)荷-吸收系統(tǒng)阻力曲線(xiàn)

4.2 硫酸系統(tǒng)阻力分析

二氧化硫風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷(煙氣流量)下,系統(tǒng)阻力不同。隨著風(fēng)機(jī)負(fù)荷/煙氣流量的增加,所有工序/系統(tǒng)的阻力均增加,其原因如下:

(1)干吸系統(tǒng)阻力增加最大,最大值接近3 kPa。主要原因是干吸塔內(nèi)有一定高度的填料,自塔頂噴淋的濃硫酸在填料表面分散成液膜,并經(jīng)填料間隙向下流動(dòng);煙氣和濃硫酸逆流接觸,在填料潤(rùn)濕表面進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱與反應(yīng)。

(2)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力增加相對(duì)較小,最大值接近2 kPa。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)絕大多數(shù)增加的阻力是在轉(zhuǎn)化層,轉(zhuǎn)化層增加阻力最大超過(guò)1.5 kPa。

(3)由于凈化系統(tǒng)前的收塵系統(tǒng)設(shè)置了高溫風(fēng)機(jī),二氧化硫風(fēng)機(jī)負(fù)荷降低時(shí),系統(tǒng)風(fēng)量降低,此時(shí)高溫風(fēng)機(jī)出口壓頭后移。凈化系統(tǒng)的一部分阻力由高溫風(fēng)機(jī)克服,凈化系統(tǒng)阻力變化會(huì)受高溫風(fēng)機(jī)影響,故本文未單獨(dú)分析二氧化硫風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下凈化系統(tǒng)阻力數(shù)據(jù),但從干吸系統(tǒng)阻力變化分析可知?dú)怏w冷卻塔(填料塔)處阻力增加較大。

5 結(jié)語(yǔ)

二氧化硫風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷(煙氣流量)下,硫酸系統(tǒng)的阻力不同。隨著風(fēng)機(jī)負(fù)荷/氣量的增加,填料塔(如干燥塔、吸收塔、氣體冷卻塔等)阻力增加最大,轉(zhuǎn)化層阻力增加次之,其他設(shè)備殼體與管道阻力增加最小。

冶煉煙氣制酸廠(chǎng)的煙氣氣量呈周期性波動(dòng),二氧化硫風(fēng)機(jī)經(jīng)常進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整,由于設(shè)計(jì)考慮系統(tǒng)的高阻力,且設(shè)計(jì)一般留有一定裕量,在壽命期內(nèi)二氧化硫風(fēng)機(jī)很少在接近滿(mǎn)負(fù)荷工況下運(yùn)行。故建議有條件的硫酸廠(chǎng)二氧化硫風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速,以節(jié)省電能。

采用變頻調(diào)速能降低風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)電流、增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,避免風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電路壓降過(guò)大而影響其他用電設(shè)備的運(yùn)行。二氧化硫風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速也適用于電網(wǎng)容量相對(duì)不大、電網(wǎng)相對(duì)不穩(wěn)定的國(guó)家或地區(qū)。