火電廠濕法煙氣脫硫效率的仿真研究

1、火電廠濕法煙氣脫硫效率的仿真研究程亮， 趙愛軍，李庚陸，宋勝虎 （大唐武安發(fā)電有限公司，河北 邯鄲 056002 ） 摘要：針對某火電廠 2 330MW機 組濕法煙氣脫硫系統(tǒng)， 運用微元法對系統(tǒng)脫硫 效率進行研究，建立了脫硫效率與原煙氣量、原煙氣二氧化硫含量、漿液pH值、液氣比之間的仿真模型。 對影響濕法煙氣脫硫效率進行了定量分析， 對提高濕法 煙氣脫硫效率和降低運行費用具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞 ：仿真 濕法煙氣脫硫 效率 火電廠Study on Simulation of the Flue Gas DesulphrizationEfficiency in Thermal Power PlantC

2、heng Liang ， Zhao Ai-jun ，Li Geng-lu ，Song Sheng-hu (Da tang wuan power plant, Han Dan 056002, China) Abstract：The paper focuses on a 2300 MW thermal power plant wse t flue gas desulphrization (FGD) system to carry on research work Through the study of desulphurization eficiency by infinitesimal met

3、hod,the mathematic simulation models of desulphurization eficiency with the connection of the inlet gas,SO2 in the inlet gas, pH and L/G are establishedThe efficiency factors of wet flue gas desulphurization are studied in various kinds of operating control parametersThe study has the instruction fu

4、nction to increase the flue gas dessulpurization efficiency and reduce the operation costKey words： simulation wet flue gas desulphrization efficiency thermal power plant0 引言目前 , 在眾多的脫硫工藝中 , 石灰石濕法煙氣脫硫工藝以其技術(shù)成熟、可靠 性高、操作簡單、 對煤種的適應(yīng)性強、 可同時除塵等優(yōu)勢成為應(yīng)用最廣的脫硫工 藝。而脫硫效率是反映脫硫工藝水平的重要指標(biāo)。因此 , 建立脫硫效率模型、分 析影響脫硫效率的主要因素

5、 , 對于優(yōu)化火電廠脫硫工藝具有重要的意義。1 仿真模型的建立仿真模型基于某火電廠 2330 機組運行狀況的數(shù)據(jù)，運用微元法對系統(tǒng)脫 硫效率進行研究，建立了脫硫效率與原煙氣量、原煙氣二氧化硫含量、漿液 pH 值、液氣比之間的仿真模型1.1 進入吸收塔煙氣量 Q從電站鍋爐出來的煙氣經(jīng)過除塵器進入脫硫系統(tǒng)， 到達吸收塔時漏風(fēng)率約為 2%，該電廠實際調(diào)試時的煙氣量為 160290m3 s ，在仿真模型中可表達為 【2】：Q （160 130 rnd1） （1 0.02）（1）式（ 1）中， rnd1 為從0到1變化的隨機函數(shù)。1.2 煙氣中 SO2 含量 S1鍋爐燃燒排出的 SO2 是造成大氣污染的

6、重要因素 , 基于機組運行數(shù)據(jù)，濃度 范圍為 16003100 mg / m3 ，即仿真模型可表達為：2）S1=1600+1500 rnd2 式（ 2）中， rnd2 為從0到1變化的隨機函數(shù)。1.3 吸收塔中漿液 pH值 P低 pH值有利于 CaCO3的溶解，然而為提高 SO2的俘獲量， 需要保持較高的 pH 值。因此漿液需要有適當(dāng)?shù)?pH 值，若懸浮液中 CaCO3含量過高，在最終產(chǎn)物和 廢水中的 CaCO3含量也都會增加。這一方面增加了 CaCO3 的消耗量，另一方面降 低了石膏的質(zhì)量 1 。吸收塔中漿液濃度范圍約為 410，吸收塔漿液 pH模型可表 述如下：P 4 6 rnd3（3）式

7、（ 3）中， rnd3 為從0到1變化的隨機函數(shù)。1.4 液氣比 L/G 值 LG由于循環(huán)泵的啟動臺數(shù)不同及石膏洗水重反吸收塔的流量不同 , 從而造成L/G 極不穩(wěn)定,但可簡化因素歸結(jié)為泵的開啟臺數(shù)引起 L/G 變化。運行液氣比通常在 0.81.5 ( 10 L/m3 )之間。仿真模型表述如下：共四臺泵，初始化 N=0，開啟一臺則 N=N+1。如果 N=0,則 LG=0N=1,則LG 460/(3.4 Q)(4)N=2,則LG 460 2/(3.4 Q)(5)N=3,則LG 460 3/(3.4 Q)(6)N=4,則LG 460 4/(3.4 Q)(7)1.5 從吸收塔排出的凈煙氣中 SO2

8、含量 S2 強制氧化系統(tǒng)的化學(xué)過程描述如下：(1) 吸收反應(yīng)SO2 + H 2O H2SO3H2SO3 H+ + HSO3-(2) 氧化反應(yīng)HSO3- + 1/2O2 HSO4- + 2-HSO4- H+ + SO42- 根據(jù)化學(xué)過程，做以下假設(shè) 3：a) 石灰石顆粒在漿液循環(huán)過程中充分溶解 2+b) 水溶的 SO2 與石灰石漿液中 Ca2+接觸立即反應(yīng)。即氣液面上 SO2分壓為 0c) 氣流的紊流和 SO2的擴散使得吸收塔中任意截面上 SO2 的濃度均勻d) SO2 吸收為一級吸收e) 吸收塔內(nèi)氣流流速均勻吸收塔2R圖 1 沿吸收塔垂直向上取一個微元體沿吸收塔垂直向上取一個微元體，如圖 1

9、所示。體積為 dv，其橫截面積為F R2 ，高度為 dx2dv F dx R2 dx（ 8）式（ 8）中： R吸收塔內(nèi)壁半徑微元體積中 SO2 質(zhì)量為：M CSO2 dv CSO2 F dx（ 9）式（ 9）中： CSO2 微元體積中 SO2濃度該微元體在 dt 時間內(nèi)，石灰石漿液吸收 SO2質(zhì)量為：dM CSO2 K1 dv dt（ 10）式（ 10）中， K1 吸收速率系數(shù)由于 SO2被石灰石漿液吸收，在該微元體積內(nèi)， S02 濃度將減小，其中 SO2濃 度改變?yōu)?dCSO2 ，即：dCSO2dMCSO2 K1 dt（ 11）2 dv 2將式（11）兩邊同除以 CSO2 ，考慮邊界條件 ：

10、t 0 ，CSO2 C入；t t0；CSO2 C出得：12)C出 dCSOt0出SO20 K1 dtC入 C 0 1SO2t UHC出eC入K1 HU13)右邊指數(shù)分子分母同乘R2C出 C入 eQ K114)15)當(dāng) N=0，出口濃度等于進口濃度并給出警報，泵未開模型為：S2=S1當(dāng) N=1，液體會造成懸浮，工程實際中一般不只開一臺泵，并給出警報“液 體懸浮”，此時模型可簡化為：S2 S1 (1 0.3)當(dāng) N=2 或 N=3 時，實際工程中常在此工況狀態(tài)下運行S2 S1 exp( k)16)17)其中， k e0 e1 Q 360 e2 P1 e3 LG e4 (360 Q)2 e5 Q 3

11、60 p122e6 Q 360 LG e7 P12 e8 P1 LG e9 LG2當(dāng) N=4 ，即泵全開，根據(jù)此時電廠調(diào)試數(shù)據(jù)。模型為：S2 S1 (1 0. 9 9(18)則 SO2 脫硫效率 為：S1 S2 100( 19)S12 吸收塔脫硫效率分析吸收塔脫硫效率的主要擾動因素： 原煙氣流量、進口 SO2濃度、吸收塔內(nèi)的 pH 值、石灰石漿液與煙氣比值(液氣比)、氧化泵的投運臺數(shù)等 1。因此應(yīng)用上述 仿真模型， 對吸收塔脫硫效率進行了定量分析， 對提高濕法煙氣脫硫效率和降低 運行費用具有指導(dǎo)意義。2.1 進口 SO2 濃度和原煙氣流量對脫硫效率影響3工況條件 1：進塔煙氣量 Q1=179

12、Nm/s； 漏風(fēng)率 1= 2%；循環(huán)漿液 pH值33P1=5.3；液氣比 LQ1=1.41 (10L/M ) ；進塔SO2含量 S1=1600:1:3100(mg/M )。3工況條件 2：進塔煙氣量 Q2=265 Nm/s； 漏風(fēng)率 2= 2%；循環(huán)漿液 pH值33 P2=5.3；液氣比 LQ2=1.41 (10L/M ) ；進塔SO2含量 S2=1400:1:3800(mg/M )【4】。結(jié)果分析：無論在那種工況下，隨著進塔 SO2 含量的增加，脫硫效率有一定 下降。這說明，當(dāng)入口 SO2 含量的增加時，出口 SO2 濃度也有所增加。當(dāng)進塔煙 氣量增大時，脫硫效率明顯下降，這是由于 SO2

13、與石灰石漿液反應(yīng)時間變短。因 此，在脫硫控制系統(tǒng)中要加入 SO2濃度和原煙氣流量 (鍋爐負荷) 作為前饋信號， 使調(diào)節(jié)過程速度加快， 有效地克服了系統(tǒng)滯后， 提高了控制質(zhì)量。 由圖 2 所示在 系統(tǒng)運行正常情況下，工況 1脫硫效率穩(wěn)定達到 96%以上，工況 2 脫硫效率穩(wěn)定 達到 84%以上。9896工況1工況294% 率 效 硫 脫9290888684821400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200mg/M3圖 2 原煙氣進口濃度與脫硫效率曲線pH值對脫硫效率的影響2.2 吸收塔內(nèi)的 工況條件：進塔煙氣量 Q= 179 Nm3/s ； 漏

14、風(fēng)率 = 2%； 液氣比 LQ=1.41(10 L/M3) ；進塔 SO2含量 S= 2100(mg/M3) ；循環(huán)漿液 pH值 P= 4:1:10 。圖 3 循環(huán)漿液 pH 值與脫硫效率曲線結(jié)果分析：如圖 3 所示隨著 pH 的增大，脫硫效率也增加。這是由于液相傳 質(zhì)系數(shù)增大， SO2的吸收率增大。機理分析要使 pH 增大，必須增加新鮮石灰石 漿液的用量，經(jīng)濟優(yōu)化認為 pH值為 56 時，曲線斜率最大。因此，可以很好地達到節(jié)省運行費用和滿足環(huán)境要求。2.3 液氣比對脫硫效率的影響3工況條件：進塔煙氣量 Q= 179 Nm /s ； 漏風(fēng)率 = 2%；進塔 SO2 含量 S= 332100(m

15、g/M ) ；循環(huán)漿液 pH值P= 5.3 ；液氣比 LQ= 0.8:0.1:1.5 (10 L/M)。97.397.297.197%率效 96.9硫脫 96.896.796.696.50.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6液氣 比( 10xL/M3 )圖 4 液氣比與脫硫效率曲線結(jié)果分析：如圖 4 所示隨著液氣比的增高脫硫效率成指數(shù)上升 , 因為液氣比 升高相當(dāng)于增大了吸收塔內(nèi)的噴淋密度， 使液氣間的接觸面積增大， 吸收過程的 推動力增大，增大液相傳質(zhì)總系數(shù)。效率增到一定程度再增加液氣比 , 即增大循 環(huán)漿液流量 , 脫硫效率便不再增加。循環(huán)漿液流量的增大將引起動

16、力消耗增大 , 運行費用加大，所以在保證一定脫硫效率的前提下尋找最小液體流量可節(jié)省運行 費用。由圖分析可知，當(dāng)液氣比在 0.81.1 曲線變化最快。因此 可在此區(qū)間找 出一個最佳的液體流量。2.4 氧化泵的投運臺數(shù)對脫硫效率的影響 由經(jīng)驗可知：吸收塔內(nèi)含氧量增加，脫硫率上多投運一臺氧化泵可以使得脫 硫率提高 2%。由氧化反應(yīng)可知：將 HSO3- 變?yōu)镠SO4-，增加氧氣量可以提高 HSO3 的轉(zhuǎn)換率。因此，( 1)應(yīng)降低 pH值，增加氧氣的溶解度；( 2)增加氧化空氣的 過量系數(shù)，增加氧氣濃度；( 3)改善氧氣的分布均勻性，減小氣泡平均粒徑，增加氣液接觸面積。3 結(jié)論（ 1）無論在那種工況下，

17、隨著進塔 SO2含量的增加，脫硫效率有一定下降。因此 可以在控制系統(tǒng)中加入 SO2 濃度和原煙氣流量（鍋爐負荷）作為前饋信號，可使 調(diào)節(jié)過程速度加快，有效地克服了系統(tǒng)滯后，提高了控制質(zhì)量。（ 2）在節(jié)省運行費用和滿足環(huán)境要求的前提下，石灰石漿液的 pH值為 56時最 為適宜。3（3）當(dāng)液氣比在 0.81.1 （10 L/M3）時，可在保證一定脫硫效率的前提下尋找最小液體流量，達到節(jié)省運行費用目的。（4）氧化泵的投運臺數(shù)與脫硫效率成正比關(guān)系。參考文獻 ：1閻維平 . 電站燃煤鍋爐石灰石濕法煙氣脫硫裝置運行與控制M.北京：中國電力出版社， 2005.2胡滿銀 . 濕式石灰石石膏法煙氣脫硫仿真數(shù)學(xué)模