濕法煙氣脫硫系統節能優化研究進展

摘要：“雙碳”目標下，隨著新能源的快速發展，為保障電網穩定運行，不僅要求燃煤機組深度調峰運行且負荷變動頻繁，同時為實現節能降耗的目的，也要求對相應的煙氣脫硫系統進行節能優化改造。基于此，首先對濕法煙氣脫硫（WFGD）系統的能耗進行研究，然后針對WFGD系統關鍵耗能設備的節能優化研究進行綜述和分析，最后提出WFGD系統節能優化的發展方向，期望為“雙碳”目標下WFGD系統的節能優化改造提供參考。

關鍵詞：濕法煙氣脫硫；氧化風機；漿液循環泵；節能優化

引言

隨著實現“雙碳”目標各項措施的推進，以及《國家“十四五”電力發展規劃》的頒布，我國的風電、光伏等新能源裝機容量不斷增大。2022年，我國風電、光伏等新能源合計新增裝機突破1億kW，占全部新增發電裝機比重63% [1]。然而，新能源的間歇性和不穩定性給電網的可靠穩定運行帶來了挑戰。作為我國能源結構的“壓艙石”，燃煤電廠等通過深度調峰促進新能源消納，保障電網的安全穩定運行[2]。在此背景下，燃煤電廠目前的運行負荷波動很大，大部分機組在低負荷下長期運行。與之配套的以濕法煙氣脫硫（WFGD）為代表的脫硫系統[3]，一方面能耗較高，其運行的能耗約占燃煤電廠機組發電量的1%，部分電廠甚至可以達到2%～3%；另一方面，缺乏與機組負荷變化相適應的調控措施，導致在機組低負荷運行時WFGD系統仍然高負荷甚至滿負荷運行，無法實現低碳節能運行。因此，分析研究WFGD系統的能源消耗，優化WFGD關鍵設備與系統的運行，對降低WFGD系統的運行能耗具有重要意義。基于此，為助力“雙碳”目標下WFGD系統的節能優化改造，本文對WFGD系統節能優化開展研究，提出了WFGD系統節能優化的發展方向。

1 WFGD系統能耗分析

1.1系統運行流程

WFGD系統運行流程如圖1所示，經過除塵后的煙氣由引風機和增壓風機進入SO2吸收塔，石灰石漿液由漿液泵送入SO2吸收塔循環漿液池，循環漿液池中的漿液由漿液循環泵送入SO2吸收塔的噴淋母管。在吸收塔內，循環漿液通過霧化噴嘴霧化形成細小顆粒，并與煙氣逆向接觸反應捕集SO2。凈煙氣通過吸收塔頂部的除霧器去除煙氣中的液滴，然后進入煙囪排放。吸收塔底部的氧化風機鼓入空氣將吸收SO2形成的亞硫酸鈣氧化生成硫酸鈣，然后通過石膏排出泵進入石膏脫水系統制成符合要求的石膏制品。

1.2 系統能耗分析

WFGD系統中主要設備的能耗占比如表1所示，氧化風機、漿液循環泵和增壓風機是濕法脫硫系統的主要能耗設備，其能耗約占脫硫系統能耗的80%[4]。在燃煤電廠深度調峰的背景下，機組運行負荷波動很大，大部分機組在低負荷下長期運行。然而，WFGD系統傳統的漿液pH值調控和漿液循環泵組合運行優化的方式，缺乏靈活快速的深度調節能力[5]，難以實現WFGD系統低碳節能運行，因此國內外針對WFGD系統能耗較高的主要設備進行了大量的節能優化研究，并對WFGD系統的關鍵運行參數進行了優化研究。

2氧化風機節能優化研究

在風壓變化不大的情況下，氧化風機的能耗主要由風機鼓入的空氣量所決定，而鼓入的空氣量與煙氣量和SO2濃度有關[6]。鼓入的空氣量越多，CaSO3的氧化越充分，但過量的氧化空氣會導致氧化系統能耗的增加。因此，國內外學者圍繞優化氧化風機運行、降低氧化風機能耗等問題展開了大量研究。

2.1氧化風機系統的優化運行

目前，WFGD系統常用的氧化風機主要有羅茨風機和離心風機[6]。與離心風機相比，羅茨風機的出口壓力與風機流量無關，降低風機的運行頻率對其出口壓力影響較小。因此，針對羅茨風機可以進行變頻改造實現優化運行，降低運行能耗。谷小兵等[7]根據電廠的吸收塔運行狀況、煙氣流量和SO2濃度確定氧化風的最佳需求量，并基于最佳需求量建立羅茨風機的變頻模型，實驗結果顯示羅茨風機變頻改造后平均運行能耗下降30%以上。

由于采用離心風機，就需要對其進行變頻改造，從而影響其出口壓力，以及影響氧化系統正常運行，因此有學者提出多臺風機聯合運行并結合入口導葉調節等方式降低能耗。如，黃鍇[8]建立了2臺風機并行運行系統，根據運行負荷控制風機運行臺數和轉速，進而降低運行能耗；谷小兵等[9]提出了氧化風系統母管制工藝，采用供風母管將多臺氧化風機和多個吸收塔相連，根據脫硫負荷優化調控風機和供風母管系統閥門的開閉，以降低氧化風機的運行能耗。

2.2 氧化風機系統的控制指標研究

通過氧化風機的優化運行可有效降低系統運行能耗，但要實現氧化風機的精準調控，還需確定氧化風機的控制指標及具體參數。郝潤龍等[10]收集燃煤電廠的運行數據，確定氧化風所需空氣量，建立如式（1）所示的氧化風機運行的數學模型，并基于數學模型根據煙氣量和SO2濃度優化氧化風機運行功率。

式中 P風機—氧化風機功率，kW；P液—液壓，Pa；P空—空氣密度，kg/m3；ζ氧—氧化風機阻力系數；Pin—入口SO2濃度，mg/m3；Q煙—煙氣量，m3/s；η1—SO2氧化效率，50%～60%；η2—氧氣利用率，25%～30%；S氧—氧化風機管道截面積，m2。

呂麗娜[11]發現溶解氧（DO）可作為傳質指標表示氧化程度，但利用脫硫漿液吸收SO2時，DO需要控制在合適的范圍 。三菱重工提出了利用OPR作為指示脫硫漿液氧化程度的標準。馬雙忱等[12]研究了脫硫漿液多相氧化過程，推導計算了SO32-濃度關于pH的公式，即式（2），以此獲得SO32-的精確濃度，并以此建立pH和OPR耦合的雙控制模型，實現精準氧化。

式中 —SO32-的共軛酸HSO3-的解離常數。

張鑫博[13]在原有基礎上，引入DO和OPR控制指標，建立“DO-SO32--OPR”控制模型，開發了基于雙向反饋的氧化風機智能調控系統，實際應用節能效果顯著。

上述研究有效地提高了氧化風機對機組負荷變動的適應性，實現了機組深度調峰下氧化風機的及時調控與低能耗運行。

3 脫硫漿液循環泵節能優化

WFGD系統的吸收塔內有多層漿液噴淋層，每層對應1臺脫硫漿液循環泵。漿液循環泵的運行調控主要根據電廠機組的運行負荷和入口煙氣SO2濃度來確定，由于缺乏理論指導，這種調控方法存在一定缺陷，經常偏離最佳值，因此，確定合理的漿液循環量，優化漿液循環泵運行，對保障WFGD系統運行的可靠性和經濟性具有重要意義。

3.1 漿液循環泵的運行優化

基于電廠脫硫系統的運行數據對漿液循環泵進行優化控制研究，可獲得滿足當前運行機組要求的低成本運行組合。牛擁軍等[14]通過現場試驗確定了相同運行條件下不同漿液循環泵運行組合下的能耗，以此指導各運行狀態下的漿液循環泵最佳組合運行。景玉潔[15]根據運行工況，改造循環泵降低其設計流量，實現其綜合能耗降低約16%。李偉等[16]研究了控制漿液循環泵轉速實現WFGD系統安全低耗運行，應用變頻調速控制漿液循環泵轉速后，運行機組每年可降低電耗約26%。

3.2 漿液循環泵的智能控制優化

由于漿液循環泵的優化運行大多基于現場實驗數據進行控制優化，但對于一些燃煤電廠而言，更換燃用煤種都有可能影響優化方法運行準確性，因此有學者基于反應機理進行了控制優化研究。WARYCH J等[17]詳細分析了濕法脫硫的反應過程，利用膜理論對漿液吸收SO2過程進行建模分析，實現漿液循環泵的運行優化。徐剛等[18]分析脫硫反應中脫硫效率和漿液液氣比的關系，利用線性回歸方法建立二者模型，詳見式（3）、式（4），以此得到最優能耗下的脫硫漿液量，進而確定循環泵最優運行組合。

式中 η—脫硫效率，%；" " " " " " "和

—WFGD系統的入口和出口SO2濃度，mg/m3；

L/G—漿液噴淋量與煙氣量的比值；a、b —擬合系數。

還有學者利用數據優化對漿液循環泵進行優化控制研究。王星久[19]通過基于遺傳算法的 LS-SVM建立基于漿液消耗和漿液循環泵能耗的脫硫系統運行費用模型，對漿液pH值與液氣比進行預測實現控制優化。因此，對脫硫漿液循環泵節能優化研究可有效提高漿液循環泵調控的精準度，對實現WFGD系統運行調控的精準性和經濟性具有指導意義。

4 增壓風機的優化研究

隨著超低排放標準的實施，電廠的WFGD系統取消了增壓風機，進行了“引增合一”的系統改造，改造后引風機的綜合效率得到大幅提高，風機耗電量降低，系統運行穩定性也得到提高，設備維護工作量和維修減少，系統運行經濟性提高。另外，實行“引增合一”后，新引風機的運行功率較之前明顯增大，而針對新引風機的運行特點選擇適當的運行參數、型式和驅動形式，也有效降低了新引風機的運行能耗。

增壓風機的取消為煙道的進一步優化改造提供了空間。通過對煙道進行流場優化改造，可有效降低風機出口至脫硫吸收塔入口之間的煙道阻力，進而降低風機能耗，減少系統運行的電耗。

5 WFGD系統運行參數優化研究

良好的吸收反應條件對促進煙氣脫硫快速反應具有重要意義，漿液pH值和密度、吸收塔液位高和石灰石粉細度等影響因素也對吸收過程具有顯著的影響。邊小君[20]研究發現，對于WFGD系統保持漿液pH穩定在5.4～5.5時，可在保證脫硫效率的前提下節約石灰石漿液的消耗，進而降低循環漿液泵等設備的電耗。劉生璐[21]研究發現，漿液密度維持在1080～1200 kg/m3，可提高脫硫效率，降低系統運行能耗；同時，由于吸收塔內漿液吸收SO2需要一定反應空間，而反應空間過大或過小都會影響脫硫效率，增加漿液的消耗和運行設備的電耗。李鵬[22]研究發現，控制吸收塔液位高度在7.3～7.8 m時可以獲得最佳的脫硫效率，有效降低運行能耗。此外，石灰石粉的細度也可影響脫硫效率，當石灰石粉細度約為250目時，脫硫效率更好，不僅可減少石灰石的用量，也可達到節能降耗的目的。

使用脫硫增效劑也可促進脫硫漿液吸收SO2，降低系統運行設備的能耗。于崢等[23]研究發現，在某300MW機組的WFGD系統中使用脫硫增效劑后系統的脫硫效率顯著提高，減少了脫硫漿液的消耗和漿液循環泵等運行設備的電耗。

結論

對氧化風機、漿液循環泵和增壓風機等關鍵耗能設備及WFGD系統的運行參數等節能優化研究進行綜述和分析，研究結果顯示 WFGD系統的能耗主要來自于氧化風機、漿液循環泵和增壓風機。但目前圍繞氧化風機、漿液循環泵等相關設備的優化與調控研究，仍面臨一定的問題。由于氧化風機系統，風機類型已從羅茨風機逐漸更換為單級高速/多級低速離心風機、磁懸浮/空氣懸浮離心風機等，其風量調控易引起風壓的變化，因而導致其風量調控的范圍受限，并且漿液循環泵也存在同樣的問題，以及同時存在循環泵的頻繁啟停對電機和葉輪的沖擊損害等問題。未來，WFGD系統節能優化還需要進一步研究與關注這些問題。

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作者簡介

石榮桂（1971—），男，漢族，山東郯城人，高級工程師，大學本科，主要從事電廠煙氣凈化處理工藝研究工作。