湿法烟气脱硫系统仿真试验及结果分析

吴 聪

(广东亚仿科技股份有限公司，广东 珠海 519015)

1 引言

煤炭资源作为我国的主要能源是由于我国的土地组成情况复杂，能源分布不均匀等多种原因造成的[1]。近30多年来，我国经济的快速增长，对能源的需求剧增，煤炭资源的大量使用形成的煤烟型污染成为了我国二氧化硫、氮氧化物产生的最大污染源，湿法烟气脱硫系统应运而生并蓬勃发展。湿法烟气脱硫技术成熟、脱硫效率优秀，在全世界商业化运作程度非常高，但其技术工艺较为复杂，对电厂专业技术人员的要求也较高，利用湿法烟气脱硫系统的仿真模型对各种工况进行运行和事故处理的演练，能有效地帮助现场工作人员提高运行水平，减少事故的发生。

2 建立仿真模型的条件

本文研究的湿法烟气脱硫仿真系统是以某电厂1000MW超超临界压力燃煤发电机组采用的石灰石-石膏就地强制氧化湿法烟气脱硫系统为背景。该系统总脱硫效率设计≥96%，采用一炉一塔的单元布置方式。脱硫装置的烟气处理能力能适应单台炉30%～100%BMCR工况的烟气量。

吸收塔内总反应式[2]：

(1)

3 不同工况条件下的仿真试验

原烟气的流量和温度、入口烟气SO2浓度、吸收塔内的pH值、液气比等是吸收塔脱硫效率的主要扰动因素[4～6]。本文研究利用已经建立和验证的仿真系统对吸收塔的脱硫效率等进行定量分析，可以进行湿法烟气脱硫效率的提高和运行费用的降低的研究分析。

3.1 入口烟气量变化仿真试验

在表1工况情况下，将锅炉负荷从1000 MW调低至700 MW，观察吸收塔内pH值和脱硫效率的变化：

表1 仿真试验设定工况1

对入口烟气量变化对pH值及脱硫效率的影响进行的试验和分析：图1、图2展示在浆液输入量一定的情况下，通过调节锅炉负荷来减小入口烟气量，发现pH值逐渐升高，而脱硫效率也随着烟气流量的减小而增大。分析原因是因为入口烟气量减小后，导致液气比的提高，气液传质阻力减小，此时SO2的吸收效率上升。同时发现脱硫效率在烟气流量减少的瞬间有短暂下降的波动，是由于烟气量的减少导致钙硫比的急剧增大，脱硫效率随硫份的减少的一瞬间减小，但很快就会随浆液pH的增大而增大[7]。

图1 入口烟气流量减少pH值变化曲线

3.2 入口烟气SO2浓度对脱硫效率影响的仿真试验

在表2工况情况下，将入口烟气SO2浓度从924.8 mg/Nm3调整至1200 mg/Nm3。

图2 入口烟气流量减小脱硫效率变化曲线

参数单位数值环境温度 ℃25环境压力kgf/cm21.304锅炉负荷MW1000原烟气SO2浓度mg/Nm3924.8原烟气温度 ℃100原烟气烟囱mg/ Nm324.7原烟气流量m3/s1043.7阀门开度%10浆液流量m3/h6.12原始pH值-5.168脱硫效率%98.5

对入口烟气SO2浓度对脱硫效率的影响进行仿真试验和分析：通过图3和图4可以看出，吸收塔入口烟气SO2含量增加后，由于硫份的增加导致钙硫比会有急速的下降。而吸收塔内的浆液pH值因为钙硫比的影响也会同步下降。但从图4可以看到，在SO2含量增加瞬间，脱硫效率有短暂的升高，然后又很快随着浆液的pH值的降低而降低，经过一段时间逐步趋向平衡。分析原因是因为脱硫率降低的同时，钙硫比增大。由曲线也可以看出，当入口SO2的含量增加的时候，烟气出口SO2浓度也一定程度的增加，这与脱硫效率的下降是吻合的。

图3 入口SO2浓度变化后pH值的动态变化曲线

3.3 吸收塔内pH值对脱硫效率影响的仿真试验

在上述工况不变的情况下，通过手动大幅调节石灰石浆液阀来增加新鲜石灰石浆液的用量进行pH值对脱硫效率的影响仿真分析： 由图5可以看出，脱硫效率随着pH值的增加在稳定增大。分析可知是由于液相传质系数的增大，从而SO2的吸收率也随之增大。但当pH值大于6.8时，脱硫效率上升逐渐减缓，而且在达到95%的时候无法再往上提升，分析其主要原因是系统结构现象和石灰石中Ca的溶解速度减慢的原因。另外，观察模型界面发现此时浆液高度下降为3 m，是正常情况下的30%，原因为在手动操作状态下，系统存在吸收塔石膏排出泵进口阀泄露的情况，而在手动状态下，吸收塔补水阀未能自动开启和补水，导致吸收塔液位在逐步下降，从而对脱硫效率产生影响。这也说明了脱硫效率在系统中受到的综合影响[9]。

图4 入口SO2浓度变化后脱硫效率的动态变化曲线

图5 循环浆液pH值与脱硫效率关系曲线

4 结语

本文主要利用已经建立的仿真模型来进行仿真试验，验证了已建立的数学模型的行为特征基本符合实际生产情况，在指导生产方面有以下结论：①进塔SO2浓度伴随着进塔烟气量的增加而增加后，脱硫效率会有一定的下降，这也意味着出口SO2浓度也会一定程度的增加。在脱硫控制系统中增加相关的前馈信号将有利于克服系统滞后的缺点；②系统脱硫效率随着pH值的增大而增加，但当pH值到达6.8之后，脱硫效率的提升明显减缓。在生产中考虑经济性和环保性能的结合情况下，将pH值维持在5.3～5.5是本系统运行费用和达标的最优工况；③系统部分设备故障状态，例如吸收塔石膏排出泵进口阀泄露的情况下，脱硫效率会因为吸收塔液位的下降发生较大的变化，利用仿真系统对吸收塔补水阀补水开度进行试验，可帮助实际运行过程中的应急处理更加精确和及时有效。