基于臨界沉積速度的濕法脫硫石灰石供漿系統優化

谷小兵，寧 翔，孟 磊，時 浩，肖海平

(1.大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0 引 言

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

石灰石-石膏濕法脫硫技術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系統向脫硫塔內添加石灰石。現有的石灰石漿液供應系統一般采用變頻泵的供漿方式，通過調節漿液流量來控制石灰石添加量[7]。由于石灰石漿液的質量分數約為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，相應地，石灰石添加量的安全調節范圍在50%～100%[8]。

為保證脫硫系統的穩定運行，當脫硫塔的SO2負荷變化時，石灰石添加量應隨之實時調節[9]。彭國富等[10]以凈煙氣SO2為被控量，利用前饋補償調節煙氣側和漿液側擾動，開發了串級前饋石灰石供漿控制策略。賀心燕和李國慶[11]以機組負荷和入口SO2濃度為前饋信號，實時調控供漿流量。SO2負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負荷的變化幅度在20%～100%，遠高于石灰石添加量的安全調節范圍。

現有的石灰石漿液供應系統采用單一的供漿泵變頻調節方式，只有SO2負荷大于50%時才能實現石灰石添加量的實時調節[9]。宋濤等[12]實現了PID分段控制調節pH值的供漿實際應用，但負荷過低時需設置漿液泵最低開度并手動設定pH理想值。因此，當SO2負荷低于50%時，如果繼續降低供漿泵的頻率，會導致管道中漿液的沉積，危及供漿系統安全運行[13-15]。為避免管道中漿液的沉積，現有石灰石漿液供應系統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負荷的變化而實時調節，導致脫硫系統的pH值變化幅度變大，帶來SO2濃度排放超標的風險。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，為防止漿液在管道中沉積，都需要對供漿管道系統進行沖洗，消耗大量工藝水。

近年來，國家對環境治理力度不斷加大，電站燃煤鍋爐煙氣的SO2排放標準更是由100 mg/m3提高到了35 mg/m3，這就要求對脫硫系統的關鍵控制參數，包括pH、石灰石添加量等進行精準調節[17]。同時，燃煤電站的年利用小時數持續降低，脫硫系統的SO2負荷長期處于較低狀態，原有石灰石漿液供應系統的經濟性和安全性下降[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與石灰石顆粒臨界沉積速度的定量關系，進而折算為臨界流量，開發出以石灰石漿液臨界流量為控制指標的控制邏輯，實現供漿系統寬負荷實時調節。

1 試驗方法

寬負荷調節供漿技術試驗平臺如圖1所示。石灰石漿液由石灰石漿液泵打入到有機玻璃管道中觀察流動情況，經過密度計和流量計進行測量，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。為了適應安裝不同管徑的有機玻璃管段，采用不同的變徑段將有機玻璃和前面公用段管道相連。

圖1 寬負荷調節供漿技術試驗裝置

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 將變徑口和有機玻璃管接入到流量計后段，有機玻璃管管徑選用內徑(DN)40、50、60和70 mm四種類型，有機玻璃管長1 m；③ 啟動石灰石漿液泵，保證石灰石漿液流過有機玻璃管而不發生顆粒沉淀；④ 調節閥門開度逐漸降低石灰石漿液在管道內的流速，觀察石灰石漿液在有機玻璃管內的流動情況；⑤ 當有機玻璃管道內出現顆粒沉淀時，記錄密度計和流量計的數據ρ1和Q1；⑥ 更換其他管徑的有機玻璃管，重復步驟①～⑤。將記錄好的數據進行處理，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 結果與分析

2.1 石灰石粒徑分布

使用濟南微納顆粒股份技術有限公司生產的Winner2000ZDE激光粒度分析儀對試驗所用的石灰石漿液進行粒徑分析。測量依據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，因此當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關系。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灰雜質，漿液粗顆粒粒徑分布是指純石灰石漿液。當顆粒粒徑較小(細顆粒)時，跟隨性好，能與水形成均質漿體；當顆粒粒徑較大(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種不同管徑內進行試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 粗顆粒臨界流速與管徑的關系

由圖3可知，隨著管徑的增加，臨界流速也呈增大的趨勢。臨界流速從管內徑為40 mm時的1.28 m/s增加到管內徑為70 mm時的1.76 m/s，增加了近40%。關于管道直徑對臨界流速的影響，學者們進行了不同的研究[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。卡贊斯基根據大量試驗數據總結出的經驗公式為

(1)

其中，νc為臨界流速；D為管內徑；Z為懸浮指數，是顆粒沉速與紊動強度數群之比；g為重力加速度；Cw為質量濃度。公式表明，νc與D1/4成正比。管道內徑對臨界流速的影響主要表現在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，臨界流速減小；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，選取的管內徑為50 mm并在4種不同石灰石漿液含固率的工況下進行試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 粗顆粒臨界流速與含固率的關系

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的關系為

(2)

式中，m為正數，在0～0.36，大部分在1/3左右。

2.2.3粗細顆粒臨界流速對比

漿液沉積試驗測試了漿液臨界沉積流速與不同內徑和不同含固率的對應關系，得出了粗顆粒和細顆粒下的對應關系，如圖5所示。

圖5 粗細顆粒臨界速度與不同內徑及含固率的關系

臨界沉積流速為當固體顆粒從懸浮狀態下流速由大變小，直至開始滾動、滑動和沉積形成固定床面時的最大流速。結果發現，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。前人研究發現[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度，支持顆粒的力減弱，此時增大流速才能維持紊動強度。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，導致復雜現象的出現。根據濃度與臨界流速關系公式可知：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關系，則漿體將處在低濃度范圍；相反，當漿體濃度超出一定范圍時，呈負相關關系，容易形成層流狀態，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，根據試驗結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備。

2.3 補水工藝及控制方案

吸收塔漿液值控制系統是石灰石濕法脫硫工藝中最復雜的控制系統，其控制目的主要是通過將漿液值控制在合理的范圍內以保證預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，通過調節加入脫硫吸收塔反應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%負荷，石灰石漿液泵變頻運行；低于50%負荷，停石灰石漿液泵。靈活性發電背景下，脫硫系統可能頻繁波動，這種控制方案對泵的壽命極其不利。

根據前期試驗結果，對原有的工藝流程和控制方案進行了改造。在石灰石漿液箱和石灰石漿液泵之間加入一路工藝水，不同負荷下根據石灰石漿液pH值來調節補充水量或石灰石添加量，改造后系統流程和控制邏輯分別如圖6和7所示。

圖6 補充工藝水系統流程

工藝水從石灰石漿液泵沖洗水母管上開管口引出，依次經過手動截止閥、電動調節閥、電動截止閥、手動蝶閥，最后接入石灰石漿液泵入口管。電動調節閥作為水量自動控制的執行機構。后期可以通過電動調節閥的不同開度，控制進入系統的工藝水，保證寬負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(前期試驗已經得出)時，執行機構從石灰石漿液泵切換成工藝水系統電動調節閥，石灰石漿液泵鎖定頻率運行，電動截止閥打開，電動調節閥進行工藝水的調節，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行比較，差值經過轉化后控制電動調節閥進行控制；負荷回升時，石灰石量計算值高于110%X0，則執行機構從工藝水系統電動調節閥切換成石灰石漿液泵，石灰石漿液泵變頻率運行，電動截止閥關閉，電動調節閥關閉。改造后的控制方案已經成功在現場實施。在運行過程中，脫硫系統運行參數穩定，pH、漿液密度、石膏品質、脫硫效率穩定。本供漿系統的優化，確保了低負荷下供漿泵的穩定運行，提高了設備的穩定性和安全性。

圖7 寬負荷供漿控制邏輯

3 結 論

1)石灰石漿液臨界沉積速度的影響因素主要為管道內徑、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顆粒。

2)基于試驗結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，提出了寬負荷補水供漿工藝。并且開發了低負荷階段補充水電動調節閥控制石灰石漿液邏輯，結合高負荷下石灰石漿液泵控制pH的控制邏輯，實現了全負荷石灰石漿液的調節控制，該邏輯成功應用于現場，保證了石灰石漿液泵的正常運行。