高硫煤烟气湿法脱硫氧化空气风机设计技术经济分析.pdf

61高硫煤烟气湿法脱硫氧化空气风机设计技术经济分析杨志忠1,2吕丽丹2孔晓玲3张生涛3李灵均1,2陈廷2武娟1,2韩鹰31.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，成都，611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都，611731;3.山东省章丘鼓风机股份有限公司，山东 章丘，250200摘要：基于石灰石-石膏湿法烟气脱硫化学反应机理，提出了强制氧化工艺的氧化空气风机参数计算模型。对可用于氧化空气风机选型的罗茨风机、多级离心鼓风机、单级高速离心鼓风机、空气悬浮鼓风机、磁悬浮鼓风机特性进行了比较。阐述了高硫煤烟气脱硫氧化空气供给技术，并对不同型式的氧化空气风机选型设计进行了技术经济性分析。对石灰石湿法烟气脱硫氧化空气系统设计、氧化空气风机选型设计具有指导意义。关键词：技术经济分析；氧化空气风机；石灰石湿法烟气脱硫；高硫煤中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1001-9006（2023）02-0061-06Techno-economic Analysis on Design of Oxidation Air Blowers for High SulfurCoal Limestone Wet Flue Gas DesulfurizationYANG Zhizhong1,2,LV Lidan2,KONG Xiaoling3,ZHANG Shengtao3,LI Lingjun1,2,CHEN Ting2,WU Juan1,2,HAN Ying3(1.Clean Combustion and Flue Gas Purification Key Laboratory of Sichuan Province,611731,Chengdu,China;2.Dongfang Boiler Co.,Ltd.,611731,Chengdu,China;3.Shandong Zhangqiu blower Co.,Ltd,250200,Zhangqiu,Shandong,China)Abstract:Based on chemical reaction mechanism of limestone-gypsum wet flue gas desulfurization,the calculationmodels for oxidation air blower parameters for forced oxidation process were proposed.The characteristics of Rootsblower,multi-stage centrifugal blower,single-stage high-speed centrifugal blower,air suspension blower and magneticsuspension blower that can be used for selection of oxidation air blower are compared.The oxidation air supplytechnology for high sulfur coal flue gas desulfurization is described,and the technical and economic analysis is made onthe selection and design of different types of oxidation air blowers.It has guiding significance for the design of oxidation airsystem and the selection of oxidation air blowers for limestone wet flue gas desulfurization.Key words:techno-economic analysis;oxidation air blower;wet limestone FGD;high sulfur coal1收稿日期：2022-11-14作者简介：杨志忠(1969)，男，2010 年毕业于西南交通大学环境工程专业，硕士，正高级工程师。现任职于东方电气集团东方锅炉股份有限公司，主要从事烟气污染物治理研发设计工作。石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术因其脱硫效率高、工艺简单、成本低、可靠性高，在烟气脱硫领域得到广泛应用。石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术目前均采用强制氧化工艺，即向吸收塔底部浆池中鼓入空气，把脱硫反应生成的中间产物亚硫酸钙（CaSO3）和亚硫酸氢钙（Ca(HSO3)2）强制氧化为硫酸钙，硫酸钙与水结晶生成脱硫副产物石膏（CaSO42H2O），同时并有利于降低液气比和提高脱硫效率。吸收塔氧化空气的供给由单独配置的氧化空气风机提供。氧化空气风机宜选用罗茨鼓风机，也可选离心鼓风机，具体型式需通过技术经济比较确定1。621氧化空气风机参数确定氧化空气风机参数设计主要为流量和压头设计。氧化空气风机压头设计需克服氧化空气管喷口至吸收塔浆池液位埋深高度的阻力，且压头不能过高，以免吸收塔浆池内浆液鼓泡造成吸收塔浆液溢流和避免氧化空气风机电机选型跳档，增加工程造价。1.1 氧化空气风机空气量的计算2-4石灰石-石膏湿法烟气脱硫反应机理，烟气中的SO2与 石 灰 石 中 的 CaCO3反 应，生 成 石 膏（CaSO42H2O），总的化学反应如（1）式。CaCO3+SO2+1/2O2+2H2OCaSO4 2H2O+CO2（1）根据化学反应，脱硫反应所需的氧化空气量计算如（2）式。（2）（2）式中：Q氧化空气量，Nm3/h；设备选型时无需另加裕量。0.5脱硫氧化反应化学当量摩尔比。22.4标准状态气体体积，m3/kmol。Qgas烟气量，Nm3/h。CSO2烟气中 SO2浓度，mg/Nm3。SO2脱除效率。SO2自然氧化率，与烟气中的氧含量有关，一般取 0.2。强制氧化空气利用率，与氧化空气管喷口在吸收塔浆池中的埋深有关，一般取值为 0.30.4。64SO2摩尔质量。0.21空气中的氧气份额。2.2 氧化空气风机压头计算氧化空气由氧化空气风机提供，氧化空气风机压头计算：P=P1+P2（3）（3）式中：P风机压头，kPa；罗茨式风机需加5%10%裕量。P1氧化空气管喷口静压，kPa。P2氧化空气管路压损，kPa。P1=gh10-3（4）（4）式中：吸收塔浆池浆液密度，kg/m3；罗茨鼓风机需按浆池最大运行浆液密度。g重力加速度常数，9.807 m/s2。h吸收塔内氧化空气管喷口至吸收塔浆池液位的埋深高度，m；罗茨鼓风机指吸收塔浆池最高运行液位，离心鼓风机指吸收塔正常运行液位。2氧化空气风机选型比较石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统氧化空气风机的选型，一般遵循高效、实用、低噪声、维护工作量小的原则。目前技术条件下，石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统可供选择的氧化空气风机型式主要有两大类，分别为罗茨鼓风机、离心鼓风机。2.1 罗茨鼓风机属于容积式回转鼓风机，工作原理如图 1，是利用两叶或三叶轮在机壳内依靠同步齿轮做相对旋转运动，两转子保持着互相无接触的啮合。气体随着旋转叶轮（即转子）型面与机壳所形成的工作容积，由进风口被推送到出风口。罗茨鼓风机外形尺寸小，使用寿命长，一般在 15 年左右、且价格低廉。由于罗茨鼓风机为容积式，因此转速一定时，它的风量是固定的，要实现流量调节需要增加变频器来调节转速。罗茨风机能够提供比较恒定的空气量、压力变化能适应脱硫吸收塔液位波动。图 1 罗茨风机工作示意图2.2 离心鼓风机离心鼓风机是工作叶轮在旋转的过程中，由于旋转离心力的作用及工作轮中的扩压流动，使气体的速度得到提高，随后在扩压器中把速度能转化为压力能。离心式鼓风机较容积式风机具有供气连续、运行平衡，效率高、结构简单、噪声低、外型尺寸及重量小、易损件少等优点。但也有随吸收塔63液位变化流量波动较大等特点，需配备相应的风量调节装置及控制系统5。离心鼓风机有多级低速离心鼓风机、单级高速离心鼓风机、空气悬浮离心鼓风机、磁悬浮离心鼓风机。（1）多级低速离心鼓风机多级离心鼓风机是在一根主轴上安装多组叶轮逐步完成空气压缩，如图 2。通常情况下多级离心鼓风机的转速有 2 980 转/分或 3 550 转/分两种。多级离心低速鼓风机气体经过两级以上叶轮的离心力及扩压器连续扩压而升高气体压力。在氧化脱硫系统复杂且工况多变的条件下，多级低速离心鼓风机经常偏离设计点工作，偏离鼓风机高效区后，往往效率不高。大机组受电机影响噪声会达到 100dB(A)，噪音较大。多级低速离心风机叶轮普遍为二元流结构，因此整机效率不高，一般在 68%左右，而对于安装三元流叶轮的多级低速离心鼓风机效率会显著提高。图 2 多级离心风机工作示意图（2）单级高速离心鼓风机单级高速离心鼓风机，叶轮为单级，空气一次性压缩完成，如图 3。其叶轮采用三元流理论进行设计，气动损失小，效率高；叶轮入口前配备高效可调导叶，通过改变叶轮进气角度来实现对流量、压力的调节。由于入口导叶的调节原理不同于阀门，不产生节流作用，因此，在一定范围内，单级高速离心鼓风机的效率不会随着流量或出口压力的变化而明显降低，是一种高效节能型风机。该种风机借助齿轮箱增速后驱动或高速电机直接驱动，使叶轮转速达到 8 00030 000 转/分，出口温度较低。对于脱硫行业，吸收塔浆池液位的波动，导致风机出口压力的变化，风机能够完全满足该工况变化需求：风机流量、压力调节范围可达40%105%，且自动化控制程度非常高，借助特性曲线，将进口可调导叶、出口可调放空阀与风机运行参数实时联锁，可实现主动防喘振，因而在恒定转速的条件下能够适应不同风量、不同液位高度（即不同出口压力）等复杂工况需求。设备尺寸适中，采用整体撬装式结构，安装便捷，减少占地空间。由于单级高速离心风机叶轮具有转速高、体积小、功率密度大、轮缘线速度高等特点，故要求其材质具备强度高、硬度大（耐磨性强）、韧性好等性能，通常选用航空级铝合金、钛合金或高强度马氏体硬化沉淀不锈钢，并且采用毛坯锻造+五坐标机床整体铣制工艺，因此叶轮价格较昂贵。同时，由于设备转速较高，故对设备自身保护及日常维护提出较高要求：避免吸入异物，保障清洁、合适温度压力的润滑油等条件均是必要的。如果按规操作且维护得当，风机使用寿命预期可达 20 年以上。图 3 单级高速风机工作示意图（3）空气悬浮离心鼓风机空气悬浮离心鼓风机，采用一体化结构（高速电机+离心风机），由高速永磁电机直接驱动，三元流叶轮直接安装在电机主轴上，电机采用同步变频器来控制鼓风机转速，轴高速旋转与轴承产生相对运动，形成空气动力流场，产生压力差，将高速旋转的轴处于悬浮状态，如图 4。空气悬浮离心鼓风机由于采用空气轴承，振动低、无摩擦无需润滑油系统，能够实现半永久工作，整机柜体集成设计，变频器+PLC 可编程控制实现自动调节。但是空气悬浮风机在启动和停车以及低速运转时，存在主轴和轴承干摩擦情况，极易发生故障，因此不要频繁的开停车，就目前技术和其空气悬浮的工作原理，制约着空气悬浮离心鼓风机无法向重载、大机组及大功率高电压方向发展，总体上空气悬浮鼓风机具有结构简单，无摩擦和机械传动损失，整机运行效率 70%77%，同时柜体集成一体化风机运行可靠、噪音低，可靠运行时无需额外的维修保养等特点。64图 4 空气悬浮鼓风机工作示意图（4）磁悬浮离心鼓风机图 5 磁悬浮鼓风机工作示意图风机由 5 自由度主动磁悬浮轴承、三元流叶轮、高速永磁同步电机、高效变频器调速、智能化监测控制系统等组成，三元流离心叶轮和高速永磁同步电机集成直驱结构。通过内置的位移传感器实时检测转轴的位置，将得到的信息传入磁悬浮轴承控制器进行调理、运算、放大，产生控制电流，再将该电流输入磁轴承线圈产生磁场，又由磁场产生吸力，从而实现转轴的悬浮。永磁同步电机通过变频器产生可控电流，将此电流输入电机定子产生旋转磁场，带动转轴高速旋转。随转轴高速旋转的叶轮带动空气从蜗壳进气口进入，通过叶轮做功和蜗壳导向成为具有一定流速和压力的气体，从蜗壳排风口排出，从而实现风机鼓风6，如图 5。磁悬浮离心鼓风机和空气悬浮离心鼓风机一样都是将变频器、PLC 智能化监控系统、高速永磁同步电机、风机机头以及冷却系统、过滤系统、仪表及电控等元器件集成在隔音柜体内，达到一体化结构。磁悬浮离心鼓风机是现代磁悬浮技术在流体机械上的融合和应用，对于磁轴承实时的检测和准确的控制系统技术是一个不断完善和追求的方向，它是鼓风机安全可靠运行的保障。就磁悬浮离心鼓风机而言能承受更大的轴向力，较空气悬浮更能匹配复杂工况，具有高效节能、低噪音、免维护、智能控制等特点。不同型式的氧化风机特性比较见表 1。表 1 不同型式的氧化空气风机特性比较风机型式罗茨风机多级离心单级高速空气悬浮磁悬浮压缩方式容积式离心式离心式离心式离心式风量，m3/min1 4002 0002 000600600压头，kPa98（单级）/196（双级）145196120150风量调节不可调变频器调节变频或导叶调节永磁电机调节永磁电机调节工作范围流量压力不可调流量压力调节幅度较小流量压力调节幅度大流量压力调节幅度较大流量压力调节幅度大风机效率，%64707078838585噪音，dB（A）1008510090958080振动大中小小小轴承滚珠轴承滚珠轴承或滑动可倾瓦滑动轴承空气轴承/铂片轴承磁力轴承轴承寿命12 年35 年1035 年半永久性叶轮寿命58 年10 年20 年20 年20 年叶轮转速，r/min不变，7001 500不变，3 0003 550恒速/变速8 00035 000变速变速电动机类型低速异步电动机低速异步电动机异步/永磁同步交流电动机高速永磁同步电机高速永磁同步电机传动形式皮带或联轴器联轴器联轴器/直联直联直联电机效率，%909590959097959765电机转速，r/min不变，1 4003 000不变，2 980/3 550恒速/变速，1 40035 000精准调速精准调速，60 000自动化程度低中中高高润滑油需要润滑油需要润滑油需要润滑油无需润滑油无需润滑油易损件轴承、齿轮轴承、密封轴瓦、密封轴承、过滤网过滤网设备基础需要需要需要不需要不需要设备成本最低中高高高运行费用最高高中低最低整机效率，%5761686570707577维护费用低低中高低3高硫煤烟气脱硫氧化空气供给技术燃高硫煤的烟气超低排放，脱硫效率高，需要的氧化空气量大，吸收塔浆池容积大、浆池液位高，氧化空气风机参数提高，相应的氧化空气供给系统和氧化风机选型设计复杂。目前氧化空气的供给主要有两种技术，如图 6所示。管网式氧化空气供给技术是在吸收塔浆池搅拌器上部布置若干开微孔的管道，空气通过管道的微孔分布形成细小气泡分散到浆池中；搅拌器+矛枪式组合技术是在搅拌器桨叶前方布置管道，通过搅拌器旋转的桨叶将管道喷入的空气打碎成细泡扩散到浆池中。A 管网式B 矛枪式图 6氧化空气供给技术高硫煤烟气，吸收塔浆池液位高，管网式氧化空气供给技术，可以抬高管网在浆池中的布置位置，降低浆池氧化区高度，大幅降低氧化空气风机压头，将压头控制在 98 kPa 以下，适应多种风机选型。矛枪式氧化空气供给技术有两种方式，方式一是在靠近吸收塔浆池底部区域设置一层搅拌器+矛枪式组合，浆池氧化区高，达到 1418 m，氧化空气风机压头大，高达 160 kPa 以上，风机选型型式少，难度大、运行能耗高；方式二是在吸收塔浆池中设置双层搅拌器，下层搅拌器起浆液悬浮、防止浆液沉积作用，上层搅拌器+矛枪式氧化空气喷枪组合起氧化空气播散作用，上层搅拌器+矛枪式氧化空气喷枪组合布置可以降低浆池氧化区高度，使风机选型压头控制在 98 kPa 以下，适应多种风机选型和降低运行能耗。4高硫煤烟气脱硫氧化空气风机选型设计技术经济比较某660 MW等级燃高硫煤发电厂，设计条件为，环境空气平均温度：10.2，平均大气压：794.4hPa，平均空气相对湿度：79%。单台锅炉烟气量197.4104 Nm3/h，水分含量：6.16%，氧含量：4.92%，SO2浓度：9 000 mg/Nm3（6%O2，干），采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫，脱硫净烟气 SO2浓度按超低排放（35 mg/Nm3（6%O2，干）设计。计算得到氧化空气总量为 34 568 Nm3/h（干），氧化空气供给采用管网式，风机压头 88.2 kPa，风机数量按 N+1 台设计（N 台运行、1 台备用）。可选择的风机型式有罗茨风机和离心式鼓风机。其不同型式的氧化风机选型技术经济比较见表 3。表 2 不同型式的氧化空气风机选型技术经济比较风机型式罗茨风机多级离心单级高速空气悬浮磁悬浮空气总风量，Nm3/h（干）34 56834 56834 56834 56834 568风机台数3+12+12+13+13+1单台风机风量，Nm3/h（干）11 52317 28417 28411 52311 52366单台工况风量，m3/h（湿）15 76023 64023 64015 76015 760工况下进气压力，kPa79.4479.4479.4479.4479.44风机压头，kPa88.288.288.288.288.2风机效率，%6570808585单台风机轴功率，kW472.9650.6558347.3347.3整机效率，%5761687277整机电功率，kW543.6747.8656.5408.6385.9额定电机功率，kW630800710450425总电耗，kW1 6311 4961 3131 2261 158风机（含电机）总价，万元230280320300300风机基础数量，个433无无电气控制柜数量，个单配 4 个单配 3 个3（成套）与主机集成与主机集成年运行费用，万元652.4598.4525.2480.4463.2第一年末设备投资及运行总费用，万元882.4878.4845.2780.4763.2备注：1.水冷却结构的鼓风机没有考虑冷却水消耗损失；2.多级离心鼓风机为二元流叶轮；3.年运行费用按年运行 8 000 h，电价每 kWh 按 0.50 元计算；4.投资费未计入土建基础、电缆及单独配置的电气柜。比较表明，空气悬浮和磁悬浮鼓风机综合成本优势明显。空气悬浮和磁悬浮鼓风机是近几年快速发展并迅速推向市场的离心鼓风机，具有噪声低、效率高、安装简便等特点，随着技术进步，其初投资成本将会越来越低，竞争优势将更加明显。5结语（1）氧化空气风机选型主要参数为风机流量和压头，流量主要与烟气量及烟气中二氧化硫浓度、脱硫效率有关，而压头主要与浆液密度及吸收塔内氧化空气管喷口至吸收塔浆池液位的埋深高度有关。（2）不同型式的氧化空气风机具有不同特点，湿法脱硫以往多选成本及维护费用较低的罗茨风机，随着风机技术进步，低噪声、效率更高、运行费用更低的多级离心、单级离心、空气悬浮风机、磁悬浮风机也逐渐在湿法脱硫上应用，相应的价格也更高。（3）高硫煤烟气脱硫氧化空气供给技术有管网式和搅拌器+矛枪式，通过抬高管网在浆池中的布置高度或设置两层搅拌均可降低氧化空气浆池高度，进而降低氧化风机选型压头，控制氧化风机压头不超过 98 kPa，以适应多种风机选型和降低能耗。（4）针对某项目高硫煤烟气脱硫氧化风机进行选型比较，相同氧化风机压头和氧化空气总量条件下，综合比较，采用多级离心、单级高速、空气悬浮、磁悬浮等型式的氧化风机，不足一年其节约的运行成本即可抵消常规罗茨风机初投资成本低的优势，氧化风机的具体选型宜结合项目情况、初期投资成本以及运行维护成本综合确定。参考文献：1DL/T 5196-2016,火力发电厂石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统设计规程S2 杨志忠.石灰石-石膏湿法烟气脱硫氧化空气研究D.成都:西南交通大学,20093 徐书德,雷石宜,陈彪.湿法脱硫氧化风系统的优化改造实践J.浙江电力,2018,37(3):86-884 谷小兵,宁翔,李建等.脱硫氧化风系统母管制节能技术研究J.能源与环境,2021(5):52-545 陆伟.燃煤火电机组脱硫系统氧化风机的选型J.科技资讯,2013(12):88-896 白生云.好氧活性污泥法污水处理鼓风机选型及节能J.山西建筑,2014,40(13):142-143