楊翮，劉芳芳，席琳

(華潤(rùn)電力焦作有限公司，河南 焦作 454450)

0 引言

火電機(jī)組煙氣脫硫是我國(guó)SO2減排的主要措施，煙氣脫硫主要采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)火電機(jī)組均完成了超低排放改造。脫硫系統(tǒng)的節(jié)能主要通過優(yōu)化吸收塔設(shè)計(jì)、減小石灰石粒徑以及變頻控制部分低壓電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其主要目的是降低系統(tǒng)阻力、脫硫劑消耗量以及部分低壓設(shè)備電耗。目前，對(duì)于噴淋層的節(jié)能運(yùn)行及脫硫系統(tǒng)高壓電機(jī)的變頻控制鮮有涉及。

1 脫硫系統(tǒng)噴淋層運(yùn)行及節(jié)能改造現(xiàn)狀

脫硫系統(tǒng)高壓電機(jī)的代表設(shè)備漿液循環(huán)泵是煙氣脫硫系統(tǒng)的重要設(shè)備，工作方式為連續(xù)運(yùn)行，若能實(shí)現(xiàn)變頻控制，則可節(jié)約較多的電能。脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，常會(huì)有一些特定工況，不啟動(dòng)備用循環(huán)泵會(huì)造成出口SO2質(zhì)量濃度超標(biāo)，而啟動(dòng)備用泵會(huì)導(dǎo)致出口SO2質(zhì)量濃度極低，這些工況點(diǎn)不可避免地存在大量的電能浪費(fèi)。若能實(shí)現(xiàn)漿液循環(huán)泵的變頻控制，不僅可以節(jié)約大量電能，而且可以相對(duì)精準(zhǔn)地控制出口污染物質(zhì)量濃度。

目前的脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵變頻改造方案僅增加變頻器，不對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行改造，而脫硫系統(tǒng)廣泛采用霧化噴嘴，這種定壓定流量噴嘴的特性決定了漿液循環(huán)泵可變頻調(diào)節(jié)的范圍不大，且在降低轉(zhuǎn)速后會(huì)犧牲較大的噴射面積，影響覆蓋率，實(shí)際節(jié)能效果不明顯。

某電廠2×660 MW超超臨界機(jī)組脫硫吸收塔設(shè)置5層噴淋層，單層噴淋量為12 000 m3/h，超低排放改造后塔內(nèi)設(shè)置旋匯耦合器+管束式除塵器。設(shè)計(jì)邊界條件為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下入口SO2質(zhì)量濃度為4 427 mg/m3(標(biāo)態(tài)，下同)時(shí)，運(yùn)行5臺(tái)循環(huán)泵可使出口SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3。因?qū)嶋H煤種含硫量遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)值，目前最多運(yùn)行3層噴淋層，經(jīng)觀察，脫硫島入口SO2質(zhì)量濃度平均在2 000 mg/m3左右,鍋爐變工況運(yùn)行時(shí)，常有2層噴淋層投入，不滿足出口SO2質(zhì)量濃度低于35 mg/m3的要求，而運(yùn)行3層噴淋層出口SO2質(zhì)量濃度會(huì)很低，不僅浪費(fèi)大量的廠用電，系統(tǒng)阻力和脫硫劑消耗量也會(huì)隨之增加。

為避免特殊工況點(diǎn)的電能浪費(fèi)，擬對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)根據(jù)進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度來(lái)線性調(diào)節(jié)噴淋量。

2 改造方案

拆除底部2層噴淋層，在現(xiàn)有的旋匯耦合層上部布置2層液柱噴射層，液柱噴嘴在吸收層錯(cuò)層均勻布置；2層液柱層設(shè)計(jì)為母管制，正常運(yùn)行方式為液柱噴射層和霧化噴淋層同時(shí)投入，依靠液柱噴射層調(diào)節(jié)噴淋漿液量；液柱噴射層投入時(shí)，漿液通過液柱噴嘴順煙氣氣流方向噴射，進(jìn)行2次傳質(zhì)接觸，液柱高度通過調(diào)節(jié)并聯(lián)的2臺(tái)漿液循環(huán)泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)，霧化噴淋層作為液柱噴射層的補(bǔ)充工頻運(yùn)行。

圖1為吸收塔內(nèi)部構(gòu)件布置圖[1]，其中液柱噴射層布置在吸收塔的下部，與噴淋層高度差為5～7 m，漿液流量大(5～14 m/s)，可形成高密度的液滴層；除霧器布置在煙氣出口與噴淋層之間，距離噴淋層1.5～3.0 m；噴射層所用漿液循環(huán)泵為變頻式漿液泵，可用于調(diào)節(jié)噴射層噴射高度[2]。

圖1 吸收塔本體結(jié)構(gòu)Fig.1 Absorption tower structure

漿液的流量會(huì)隨著漿液流向不斷減小，若保持管徑不變，末端漿液動(dòng)能最小，吸收塔噴射高度會(huì)隨漿液流向逐漸降低，因此，吸收塔塔外母管與塔內(nèi)支管采用變徑設(shè)計(jì)[3]，管徑隨著漿液的流向逐漸減小，保證單位漿液具有相同的動(dòng)能，塔內(nèi)液柱噴射可保持在一個(gè)高度。

液柱噴射噴嘴孔徑為45 mm，工作壓力為20～160 Pa，噴射高度為0.8～6.0 m。脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷、煙氣量、SO2進(jìn)/出口質(zhì)量濃度等，通過變頻漿液循環(huán)泵控制漿液流量，進(jìn)而控制噴射高度。

3 漿液噴射與霧化噴淋協(xié)同脫硫工藝特點(diǎn)

液柱噴射的漿液與煙氣同向進(jìn)入吸收塔，在上升過程中可與煙氣進(jìn)行接觸吸收，進(jìn)行漿液一次脫硫；噴射的漿液達(dá)到最高處在重力的作用下落下，發(fā)散開形成小液滴，與煙氣中的SO2進(jìn)行氣液傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)漿液二次脫硫[4-5]；未被吸收的SO2繼續(xù)上升，與上層的霧化噴淋漿液接觸，進(jìn)行氣液傳質(zhì)，將煙氣中的SO2徹底脫除，達(dá)到排放要求。液柱噴嘴分2層在吸收塔截面等間距布置，因液柱噴射的介質(zhì)流速遠(yuǎn)高于煙氣流速，故能在每個(gè)液柱周邊對(duì)煙氣進(jìn)行抽吸，有利于氣流均布；上層的霧化噴淋因覆蓋率高，可以對(duì)流經(jīng)液柱層逃逸的污染物進(jìn)行吸收。該技術(shù)方案在滿足出口污染物質(zhì)量濃度要求的同時(shí)降低了系統(tǒng)阻力，實(shí)現(xiàn)了漿液循環(huán)泵的變頻控制[6]。

脫硫塔上部噴淋的液滴與下部上升的液滴、液柱融合、碰撞，會(huì)產(chǎn)生更多新鮮的液滴(如圖2所示)，根據(jù)液膜更新理論，吸收了SO2的液滴會(huì)因?yàn)樯喜恳旱蔚呐鲎残纬尚迈r的吸收膜，提高該區(qū)域的液膜接觸效率[7]。

圖2 塔內(nèi)漿液分布Fig.2 Distribution of slurry in the tower

4 節(jié)能效果分析

4.1 改造前、后脫硫能耗對(duì)比

改造后節(jié)能效果主要來(lái)源于2點(diǎn)：(1)漿液循環(huán)泵變頻調(diào)節(jié)，可降低能耗；(2)由于液氣比降低，吸收塔內(nèi)部煙氣阻力也會(huì)隨之降低，進(jìn)一步降低了能耗。

改造前、后機(jī)組100%負(fù)荷率下脫硫系統(tǒng)能耗對(duì)比見表1(2臺(tái)機(jī)組，年運(yùn)行4 800 h)。由表1可以看出：進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為4 000 mg/m3時(shí)，改造前需運(yùn)行5臺(tái)噴淋泵，脫硫系統(tǒng)總能耗為13 295 kW，改造后采用2臺(tái)液柱噴射+3臺(tái)霧化噴淋的運(yùn)行方式，亦可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，相比改造前節(jié)約能耗959 kW，年節(jié)約電費(fèi)161.11萬(wàn)元；進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為3 000 mg/m3時(shí)，改造后采取2臺(tái)液柱噴射+2臺(tái)霧化噴淋的運(yùn)行方式，相比改造前年節(jié)約電費(fèi)195.72萬(wàn)元；進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為2 000～2 500 mg/m3時(shí)，改造前均需啟用3層噴淋，改造后由于采用2臺(tái)變頻泵+1臺(tái)工頻泵運(yùn)行的方式，可以隨不同的脫硫效率實(shí)時(shí)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，尤其在一定的SO2質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，當(dāng)不能通過調(diào)整噴淋泵的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可根據(jù)SO2質(zhì)量濃度、煙氣量來(lái)變頻調(diào)節(jié)漿液循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而降低能耗。

表1 改造前、后機(jī)組100%負(fù)荷率下脫硫系統(tǒng)能耗對(duì)比Tab.1 Comparison of desulfurization energy consumption with 100% unit load before and after the transformation

注：電價(jià)按0.35元/(kW·h)計(jì)。

表3 改造前、后機(jī)組低負(fù)荷率下脫硫系統(tǒng)能耗對(duì)比Tab.3 Comparison of desulfurization energy consumption with low unit load ratio before and after the transformation

表2為2015—2018年機(jī)組單月負(fù)荷情況(數(shù)據(jù)具有一定代表性)，從表2可以看出，2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，平均負(fù)荷率較低。

表2 2015—2018年機(jī)組平均負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)Tab.2 Average load ratios of units from 2015 to 2018 %

表3為改造前、后機(jī)組低負(fù)荷率下脫硫系統(tǒng)能耗對(duì)比(2臺(tái)機(jī)組，年運(yùn)行6 000 h)。從表3可以看出：進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為3 000 mg/m3時(shí)，改造后按照1臺(tái)液柱噴射+2臺(tái)霧化噴淋的運(yùn)行方式，年節(jié)約電費(fèi)約170.35萬(wàn)元；進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為2 500，2 000 mg/m3時(shí)，改造后均需要運(yùn)行2臺(tái)液柱噴射+1臺(tái)霧化噴淋，年節(jié)約費(fèi)用分別為205.95，212.93萬(wàn)元。

4.2 改造前、后不同工況下煙氣阻力對(duì)比

液柱向上噴射的過程中對(duì)煙氣有順流力的作用，可降低部分阻力；同時(shí)，到達(dá)高處自由散開的漿液量比原霧化噴淋的漿液量小，因此改造后吸收塔阻力比改造前有所降低，見表4。

表4 改造前、后機(jī)組不同負(fù)荷率下煙氣阻力Tab.4 Flue gas resistance at different unit load ratios before and after the transformation

5 機(jī)組最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行方式

圖3為改造前、后滿負(fù)荷工況下脫硫系統(tǒng)循環(huán)泵適用圖。改造前根據(jù)入口SO2質(zhì)量濃度調(diào)整漿液循環(huán)泵運(yùn)行數(shù)量。改造后，當(dāng)SO2質(zhì)量濃度在3 000 mg/m3以下時(shí)3臺(tái)泵運(yùn)行即可滿足要求，質(zhì)量濃度為3 000～3 800 mg/m3時(shí)需啟動(dòng)4臺(tái)泵，3 800 mg/m3以上時(shí)需5臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行。

節(jié)能改造后，對(duì)應(yīng)不同的脫硫效率，脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以采取更靈活的調(diào)節(jié)方式。在100%負(fù)荷率工況下，當(dāng)進(jìn)口質(zhì)量濃度為1 500～2 500 mg/m3時(shí)，可采用2臺(tái)變頻泵+1臺(tái)工頻泵(2變+1工)的運(yùn)行方式，此時(shí)對(duì)應(yīng)改造前3臺(tái)泵運(yùn)行的工況，節(jié)能效果較好；當(dāng)質(zhì)量濃度為2 500～2 800 mg/m3，為了保證排放達(dá)標(biāo)則需要開啟1臺(tái)變頻泵+2臺(tái)工頻泵(1變+2工)，節(jié)能性略有降低；在質(zhì)量濃度為3 000～3 200 mg/m3和3 800～4 000 mg/m3的條件下，可分別采取2臺(tái)變頻泵+2臺(tái)工頻泵(2變+2工)、2臺(tái)變頻泵+3臺(tái)工頻泵(2變+3工)的運(yùn)行方式，節(jié)能效果明顯。

圖3 改造前、后滿負(fù)荷工況下脫硫系統(tǒng)循環(huán)泵適用圖Fig.3 Applicable of the circulating pump in the desulfurization system under full load condition before and after the transformation

6 結(jié)束語(yǔ)

本方案采用了液柱噴射與霧化噴淋協(xié)同脫硫的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了漿液循環(huán)泵的變頻控制，在滿足排放要求的前提下不僅降低了煙氣系統(tǒng)阻力，而且實(shí)現(xiàn)了漿液循環(huán)量的線性調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制，節(jié)約了大量電能，為脫硫系統(tǒng)噴淋層的節(jié)能運(yùn)行提供了有利條件。