濕法脫硫系統(tǒng)托盤提效計(jì)算模型研究

杜明生 肖海平 張國(guó)柱 孟磊 寧翔 袁照威

（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) 北京 102206）

0 引言

SO2是燃煤電廠排放的主要大氣污染物之一［1-2］。絕大多數(shù)的燃煤電站采用濕法脫硫技術(shù)脫除尾部煙氣內(nèi)SO2。隨著火電廠SO2排放標(biāo)準(zhǔn)［3-4］的推出，現(xiàn)有設(shè)備及技術(shù)已不能滿足相關(guān)要求。燃煤電站需引入脫硫增效技術(shù)以達(dá)到“超低排放”目標(biāo)。

目前，濕法脫硫增效技術(shù)主要分為藥劑增效與設(shè)備增效2方面。藥劑增效包括加入鎂類添加劑、有機(jī)酸等脫硫增效劑［5-6］，從而促進(jìn)CaCO3的溶解。設(shè)備增效主要包括旋匯耦合技術(shù)［7］、托盤［8］、換熱器［9］、導(dǎo)流板［10-11］、整流格柵［12］等技術(shù)。其中，托盤塔技術(shù)應(yīng)用廣泛。托盤塔技術(shù)指在吸收塔內(nèi)原煙道上方、噴淋層下方的整個(gè)橫截面上設(shè)置穿流孔板托盤［13］。脫硫過程中，氣流和液流間歇通過托盤小孔，有規(guī)律地脈動(dòng)。前人［14-17］在電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置進(jìn)行試驗(yàn)，分析托盤的應(yīng)用效果，證明托盤塔技術(shù)具有高效率、低能耗、易檢修、投資少等優(yōu)點(diǎn)。GUO 等［18］采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法研究了一系列參數(shù)對(duì)吸收塔內(nèi)的流型和壓力損失的影響，模擬結(jié)果表明托盤結(jié)構(gòu)可有效提高脫硫效率。馬科偉等［19］采用k-ε 湍流模型對(duì)脫硫塔的托盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了孔隙率的影響。但是很少有學(xué)者開發(fā)濕法脫硫系統(tǒng)增效的計(jì)算軟件，并通過電廠試驗(yàn)對(duì)軟件進(jìn)行準(zhǔn)確性校核。

本文通過托盤增效的濕法脫硫系統(tǒng)構(gòu)建濕法脫硫提效裝置計(jì)算模型，計(jì)算并分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響機(jī)理，并通過電廠試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 模型構(gòu)建方法

1.1 實(shí)驗(yàn)基地簡(jiǎn)介

某電廠2×660 MW 燃煤超超臨界機(jī)組，脫硫系統(tǒng)以1 爐1 塔進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用石灰石/石膏濕式脫硫工藝進(jìn)行煙氣脫硫。在設(shè)計(jì)煤種、鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）下的工況、處理100%煙氣量2 153 900 Nm3/h，脫硫裝置入口SO2濃度小于2 958 mg/Nm3，煙囪入口SO2排放限值小于28 mg/Nm3。

所用托盤主要結(jié)構(gòu)包括開孔合金托盤、單元隔離板及托盤支撐結(jié)構(gòu)。開孔合金托盤為托盤裝置主體結(jié)構(gòu)，其材料為S2205 材質(zhì)，開孔率為51%，氣液兩相流體間歇經(jīng)過合金托盤；單元隔離板為方形結(jié)構(gòu)，焊接在合金托盤上方，將托盤開孔分隔成多個(gè)單元；托盤支撐結(jié)構(gòu)安裝于合金托盤下方。多孔托盤安裝高度為22.93 m。在該電廠進(jìn)行托盤增效試驗(yàn)，讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證托盤作用下的脫硫效率。

1.2 建模計(jì)算方法

基于完成度（D）模型進(jìn)行托盤設(shè)計(jì)計(jì)算。首先設(shè)定目標(biāo)脫硫效率ηSO2，計(jì)算對(duì)應(yīng)的總影響系數(shù)（Dt）。對(duì)于每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定相對(duì)影響系數(shù)R。完成校核計(jì)算，需實(shí)現(xiàn)總影響系數(shù)Dt與各個(gè)相對(duì)系數(shù)的乘積∏R 的無差化。進(jìn)行某參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，只需調(diào)整該參數(shù)對(duì)應(yīng)的相對(duì)影響系數(shù)R 直至Dt與∏R 的無差化，即可輸出該參數(shù)的建議值。

其中，目標(biāo)脫硫效率ηSO2與總影響因素（Dt）的關(guān)系為如式（1）所示。

脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的相對(duì)系數(shù)R 為該參數(shù)的實(shí)際完成度（Da）與基準(zhǔn)完成度（Db）的比值，如式（2）所示。

相對(duì)系數(shù)R 計(jì)算基于脫硫塔內(nèi)的氣相、固相、水相、熱相等物料平衡計(jì)算。通過現(xiàn)場(chǎng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)擬合得到相對(duì)系數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。完成校核計(jì)算，需滿足式（3）。

式中：RSO2為脫硫系統(tǒng)入口SO2濃度相對(duì)系數(shù)；RpH為漿液pH相對(duì)系數(shù)；Rl/g為液氣比相對(duì)系數(shù)；Rdp為吸收塔壓損相對(duì)系數(shù)；B 為比例系數(shù)，通常為常量。

基于完成度模型，將脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o量綱份額，減少了不同影響因素之間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)待校核參數(shù)的精確求解。

2 模型計(jì)算結(jié)果

2.1 開孔率對(duì)脫硫效率的影響

模型計(jì)算開孔率32%～50%變化范圍的脫硫效率，計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。隨著開孔率的降低，脫硫效率增加。當(dāng)開孔率為50%時(shí)，折算脫硫效率ηc為99.30%。當(dāng)開孔率降至32%時(shí)，脫硫效率ηc達(dá)到了99.74%，提高了0.44%。較低的開孔率使脫硫漿液停留時(shí)間增加，氣液接觸更充分，從而提高脫硫效率。因此，為保證氣液的良好接觸，工程上托盤開孔率一般不超過50%。但托盤開孔率過小會(huì)導(dǎo)致托盤堵塞，易誘發(fā)安全事故。

圖1 不同開孔率下的折算脫硫效率

2.2 入口SO2 濃度對(duì)脫硫效率的影響

模型計(jì)算入口SO2濃度2 000 mg/m3～3 000 mg/m3變化范圍的脫硫效率，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。隨著入口SO2濃度的降低，脫硫效率基本呈線性上升的趨勢(shì)。當(dāng)入口SO2濃度為3 000 mg/m3時(shí)，折算脫硫效率ηc為99.25%。當(dāng)入口SO2濃度降為2 000 mg/m3時(shí)，脫硫效率ηc達(dá)到99.62%，提高了0.37%。在較高的入口SO2濃度下，傳質(zhì)速率增加，但需要更多的接觸面積或更長(zhǎng)的接觸時(shí)間來實(shí)現(xiàn)相同的熱量或質(zhì)量變化。因此，入口SO2濃度的增加將更難達(dá)到預(yù)期的脫硫效率。

圖2 不同入口SO2 濃度下的折算脫硫效率

2.3 煙氣流量對(duì)脫硫效率的影響

模型計(jì)算機(jī)組負(fù)荷60%～100%BMCR 煙氣流量變化范圍的脫硫效率，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。隨著煙氣流量的降低，脫硫效率增加。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷100%BMCR，折算脫硫效率ηc為99.27%。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷60%BMCR 時(shí)，煙氣量減少了9.36×105Nm3/h，流速降低了1.47 m/s，脫硫效率達(dá)到99.69%，提高0.42%。當(dāng)煙氣流量降低時(shí)，煙氣流速降低，氣液接觸更充分，從而脫硫效率更高；當(dāng)煙氣流速過大時(shí)，產(chǎn)生的霧沫夾帶破壞泡沫層，氣泡間的聚并阻礙氣泡的更新，氣泡與顆粒物接觸界面減少，從而降低脫硫效率。

圖3 不同煙氣流量下的折算脫硫效率

2.4 漿液pH 值對(duì)脫硫效率的影響

模型計(jì)算了漿液pH 值5.0 至6.0 變化范圍的脫硫效率，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。隨著漿液pH 值的增加，脫硫效率逐漸緩慢增加。當(dāng)pH 值為5.0 時(shí)，折算脫硫效率ηc為94.60%。當(dāng)pH 值為6.0，脫硫效率達(dá)到99.43%，提高4.83%。這是因?yàn)樵谥泻臀者^程中，pH 值越高，越容易生成H2SO3，從而促進(jìn)SO2的脫除。

圖4 不同漿液pH 值下的折算脫硫效率

2.5 漿液循環(huán)量對(duì)脫硫效率的影響

模型計(jì)算漿液循環(huán)量8 200 m3/h 至8 680 m3/h 變化范圍的脫硫效率，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。隨著漿液循環(huán)量的增加，脫硫效率逐漸增加。當(dāng)漿液循環(huán)量值為8 200 m3/h 時(shí)，脫硫率為98.90%。當(dāng)漿液循環(huán)量值為8 680 m3/h 時(shí)，脫硫效率達(dá)到99.27%，提高0.37%。漿液循環(huán)量增加時(shí)，液氣比增加，從而促進(jìn)SO2的吸收。

圖5 不同漿液循環(huán)量下的折算脫硫效率

3 模型計(jì)算驗(yàn)證

選取電廠低負(fù)荷、升負(fù)荷、高負(fù)荷和降負(fù)荷等4 個(gè)工況進(jìn)行脫硫效率模型計(jì)算。4 個(gè)工況參數(shù)以及脫硫效率的測(cè)量值、計(jì)算值如表1 所示。結(jié)果顯示，模型計(jì)算與電廠實(shí)測(cè)的脫硫效率數(shù)值基本一致，絕對(duì)誤差在0.008%～0.091%之間。因此，本脫硫模型可以在較小的誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確計(jì)算出脫硫效率。

表1 不同工況下脫硫效率計(jì)算值和測(cè)量值對(duì)比

4 結(jié)論

（1）建立了基于完成度（D）模型的增效裝置優(yōu)化計(jì)算方法。根據(jù)目標(biāo)脫硫效率ηSO2確定總影響系數(shù)（Dt）。通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)對(duì)應(yīng)的相對(duì)影響系數(shù)R，實(shí)現(xiàn)總影響系數(shù)Dt與各個(gè)相對(duì)系數(shù)的乘積∏R 的無差化，得出托盤優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）模型控制單一參數(shù)變化，計(jì)算系統(tǒng)脫硫效率的改變。在一定參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)開孔率、入口SO2濃度、煙氣流量降低時(shí)，漿液pH 值和漿液循環(huán)量增加時(shí)，脫硫效率均逐漸增加。不同的開孔率、入口SO2濃度、煙氣流量和漿液循環(huán)量條件下，脫硫效率均在99%左右。漿液pH 值對(duì)脫硫效率影響較大，pH 值從5.0 變化到6.0，脫硫效率從94.60%提高到99.43%。

（3）脫硫系統(tǒng)的4 個(gè)典型工況的模型計(jì)算與電廠實(shí)測(cè)的脫硫效率絕對(duì)誤差在0.008%～0.091%之間。因此，模型的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。