濕法煙氣脫硫系統(tǒng)仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析

吳 聰

(廣東亞仿科技股份有限公司，廣東 珠海 519015)

1 引言

煤炭資源作為我國的主要能源是由于我國的土地組成情況復(fù)雜，能源分布不均勻等多種原因造成的[1]。近30多年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，對(duì)能源的需求劇增，煤炭資源的大量使用形成的煤煙型污染成為了我國二氧化硫、氮氧化物產(chǎn)生的最大污染源，濕法煙氣脫硫系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并蓬勃發(fā)展。濕法煙氣脫硫技術(shù)成熟、脫硫效率優(yōu)秀，在全世界商業(yè)化運(yùn)作程度非常高，但其技術(shù)工藝較為復(fù)雜，對(duì)電廠專業(yè)技術(shù)人員的要求也較高，利用濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的仿真模型對(duì)各種工況進(jìn)行運(yùn)行和事故處理的演練，能有效地幫助現(xiàn)場(chǎng)工作人員提高運(yùn)行水平，減少事故的發(fā)生。

2 建立仿真模型的條件

本文研究的濕法煙氣脫硫仿真系統(tǒng)是以某電廠1000MW超超臨界壓力燃煤發(fā)電機(jī)組采用的石灰石-石膏就地強(qiáng)制氧化濕法煙氣脫硫系統(tǒng)為背景。該系統(tǒng)總脫硫效率設(shè)計(jì)≥96%，采用一爐一塔的單元布置方式。脫硫裝置的煙氣處理能力能適應(yīng)單臺(tái)爐30%～100%BMCR工況的煙氣量。

吸收塔內(nèi)總反應(yīng)式[2]：

(1)

3 不同工況條件下的仿真試驗(yàn)

原煙氣的流量和溫度、入口煙氣SO2濃度、吸收塔內(nèi)的pH值、液氣比等是吸收塔脫硫效率的主要擾動(dòng)因素[4～6]。本文研究利用已經(jīng)建立和驗(yàn)證的仿真系統(tǒng)對(duì)吸收塔的脫硫效率等進(jìn)行定量分析，可以進(jìn)行濕法煙氣脫硫效率的提高和運(yùn)行費(fèi)用的降低的研究分析。

3.1 入口煙氣量變化仿真試驗(yàn)

在表1工況情況下，將鍋爐負(fù)荷從1000 MW調(diào)低至700 MW，觀察吸收塔內(nèi)pH值和脫硫效率的變化：

表1 仿真試驗(yàn)設(shè)定工況1

對(duì)入口煙氣量變化對(duì)pH值及脫硫效率的影響進(jìn)行的試驗(yàn)和分析：圖1、圖2展示在漿液輸入量一定的情況下，通過調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷來減小入口煙氣量，發(fā)現(xiàn)pH值逐漸升高，而脫硫效率也隨著煙氣流量的減小而增大。分析原因是因?yàn)槿肟跓煔饬繙p小后，導(dǎo)致液氣比的提高，氣液傳質(zhì)阻力減小，此時(shí)SO2的吸收效率上升。同時(shí)發(fā)現(xiàn)脫硫效率在煙氣流量減少的瞬間有短暫下降的波動(dòng)，是由于煙氣量的減少導(dǎo)致鈣硫比的急劇增大，脫硫效率隨硫份的減少的一瞬間減小，但很快就會(huì)隨漿液pH的增大而增大[7]。

圖1 入口煙氣流量減少pH值變化曲線

3.2 入口煙氣SO2濃度對(duì)脫硫效率影響的仿真試驗(yàn)

在表2工況情況下，將入口煙氣SO2濃度從924.8 mg/Nm3調(diào)整至1200 mg/Nm3。

圖2 入口煙氣流量減小脫硫效率變化曲線

參數(shù)單位數(shù)值環(huán)境溫度 ℃25環(huán)境壓力kgf/cm21.304鍋爐負(fù)荷MW1000原煙氣SO2濃度mg/Nm3924.8原煙氣溫度 ℃100原煙氣煙囪mg/ Nm324.7原煙氣流量m3/s1043.7閥門開度%10漿液流量m3/h6.12原始pH值-5.168脫硫效率%98.5

對(duì)入口煙氣SO2濃度對(duì)脫硫效率的影響進(jìn)行仿真試驗(yàn)和分析：通過圖3和圖4可以看出，吸收塔入口煙氣SO2含量增加后，由于硫份的增加導(dǎo)致鈣硫比會(huì)有急速的下降。而吸收塔內(nèi)的漿液pH值因?yàn)殁}硫比的影響也會(huì)同步下降。但從圖4可以看到，在SO2含量增加瞬間，脫硫效率有短暫的升高，然后又很快隨著漿液的pH值的降低而降低，經(jīng)過一段時(shí)間逐步趨向平衡。分析原因是因?yàn)槊摿蚵式档偷耐瑫r(shí)，鈣硫比增大。由曲線也可以看出，當(dāng)入口SO2的含量增加的時(shí)候，煙氣出口SO2濃度也一定程度的增加，這與脫硫效率的下降是吻合的。

圖3 入口SO2濃度變化后pH值的動(dòng)態(tài)變化曲線

3.3 吸收塔內(nèi)pH值對(duì)脫硫效率影響的仿真試驗(yàn)

在上述工況不變的情況下，通過手動(dòng)大幅調(diào)節(jié)石灰石漿液閥來增加新鮮石灰石漿液的用量進(jìn)行pH值對(duì)脫硫效率的影響仿真分析： 由圖5可以看出，脫硫效率隨著pH值的增加在穩(wěn)定增大。分析可知是由于液相傳質(zhì)系數(shù)的增大，從而SO2的吸收率也隨之增大。但當(dāng)pH值大于6.8時(shí)，脫硫效率上升逐漸減緩，而且在達(dá)到95%的時(shí)候無法再往上提升，分析其主要原因是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)象和石灰石中Ca的溶解速度減慢的原因。另外，觀察模型界面發(fā)現(xiàn)此時(shí)漿液高度下降為3 m，是正常情況下的30%，原因?yàn)樵谑謩?dòng)操作狀態(tài)下，系統(tǒng)存在吸收塔石膏排出泵進(jìn)口閥泄露的情況，而在手動(dòng)狀態(tài)下，吸收塔補(bǔ)水閥未能自動(dòng)開啟和補(bǔ)水，導(dǎo)致吸收塔液位在逐步下降，從而對(duì)脫硫效率產(chǎn)生影響。這也說明了脫硫效率在系統(tǒng)中受到的綜合影響[9]。

圖4 入口SO2濃度變化后脫硫效率的動(dòng)態(tài)變化曲線

圖5 循環(huán)漿液pH值與脫硫效率關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文主要利用已經(jīng)建立的仿真模型來進(jìn)行仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了已建立的數(shù)學(xué)模型的行為特征基本符合實(shí)際生產(chǎn)情況，在指導(dǎo)生產(chǎn)方面有以下結(jié)論：①進(jìn)塔SO2濃度伴隨著進(jìn)塔煙氣量的增加而增加后，脫硫效率會(huì)有一定的下降，這也意味著出口SO2濃度也會(huì)一定程度的增加。在脫硫控制系統(tǒng)中增加相關(guān)的前饋信號(hào)將有利于克服系統(tǒng)滯后的缺點(diǎn)；②系統(tǒng)脫硫效率隨著pH值的增大而增加，但當(dāng)pH值到達(dá)6.8之后，脫硫效率的提升明顯減緩。在生產(chǎn)中考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能的結(jié)合情況下，將pH值維持在5.3～5.5是本系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和達(dá)標(biāo)的最優(yōu)工況；③系統(tǒng)部分設(shè)備故障狀態(tài)，例如吸收塔石膏排出泵進(jìn)口閥泄露的情況下，脫硫效率會(huì)因?yàn)槲账何坏南陆蛋l(fā)生較大的變化，利用仿真系統(tǒng)對(duì)吸收塔補(bǔ)水閥補(bǔ)水開度進(jìn)行試驗(yàn)，可幫助實(shí)際運(yùn)行過程中的應(yīng)急處理更加精確和及時(shí)有效。