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第十一届全国燃煤二氧化硫氮氧化物污染治理技术“十一五”烟气脱硫脱氮技术创新与发展交漉会 －３５１? 脱硫吸收塔浆液循环泵的汽蚀周立年 （许继联华国际环境工程有限责任公司，北京 １０００８５） 摘要循环泵的汽蚀在湿法脱硫工艺经常出现，但并没有引起重视。本文从汽蚀原理上分析出循环 泵汽蚀极容易发生，指出了避免汽蚀现象发生的一些措施。 石灰石一石膏法烟气脱硫工艺中，循环泵的工作效率关系到吸收塔内浆液喷淋效果，影响到脱硫效率和耗电量。通常对循环泵的腐蚀和磨蚀比较注意，循环泵的汽蚀现象不容易发现而没有 引起足够的重视。我们在脱硫作业中发现循环泵叶轮叶片出现一些坑坑点点损坏现象，循环泵电流下降，脱硫效率降低，经过仔细分析认为是汽蚀作用比较大，同时存在的腐蚀、磨蚀现象，也 加重了循环泵叶轮叶片的损坏。为此，我们必须对循环泵的汽蚀作认真的研究，避免或者减轻汽蚀现象的发生。 一、汽蚀机理 汽蚀现象是当水泵内液体流通时水汽化成汽泡，汽泡再凝结成水的过程中，对水泵流通金属表面的破坏，这种现象称为汽蚀或空蚀。 在一个标准大气压时，水加热到１００℃会沸腾，产生大量气泡。当容器内压力小于一个标准 大气压时，降低一定温度水也会沸腾。例如，当水温在５０℃时，水面上的压降到１２．３ ｋＰａ，水 会开始汽化而沸腾，当水面上的压力升到大于１２．３ ｋＰａ时，水就会停止汽化沸腾。所以水和汽 在温度一定时，通过变化压力可以互相转化。 循环泵的运转过程中，泵各处的流速和压力变化巨大，在叶轮进浆处压力最低。这个地方的浆液温度为５０℃，当这个地方浆液压力小于或等于１２．３ ｋＰａ时，浆液就会汽化，形成许多细小 的汽泡，有些汽泡会附着在叶轮叶片和泵壳内壁上，同时溶解在浆液中的ＳＯ：、０：、ＣＩ等腐蚀性 气体会因为压力降低而逸出，这些气体腐蚀性极强。由于吸收塔内浆液加入了大量的氧化空气， 所以吸收塔内是一个充满大量空气汽泡的石膏一石灰石浆液混合液体，在进入循环泵之前，已经充满了气体，更加有利于汽化现象发生。 浆液中ＳＯ：、０：、ＣＩ气体在总压力（气体和汽体）等于１０１．３３ ｋＰａ时溶解于ｌＯＯｇ水中的气体质量为：Ｓ０２：６．４７ 是一种强腐蚀性气体。 循环泵叶轮边缘是泵体内压力最低和最高的切换点，浆液中瞬间形成许多蒸汽和气体混合的 小气泡，当小气泡随水流到达压力较高区域时，汽泡急剧凝结而消失，同时，汽泡周围的浆液以 很高的速度填充汽泡空间。 从汽泡产生到消失，时间极短。估计这段时间，如叶轮叶片进口处浆液的相对速度为３０ｍ／ Ｓ，叶轮叶片汽蚀破坏部位与叶片进口边的距离为３ｃｍ，汽泡从产生到消失的时间约为０．００１Ｓ。 汽泡在短暂的时间内消失，会产生很强的水锤压强，局部压强可达到２００ＭＰａ以上，这样高的瞬 时冲击压强作用在叶轮叶片上足以使表面上微观裂缝处产生破坏作用。同时，汽泡中的ＳＯ：、 ０：、ＣＩ等腐蚀性气体，也会借助汽泡凝结及气体压强而产生的热量，加快叶轮叶片表面的化学 腐蚀破坏作用。所以叶轮叶片表面首先出现坑坑点点的“点蚀”损坏现象。ｇ；０２：０．００３１ ｇ；ＣＩ：０．４５９ ｇ。浆液中ｓ０２、ｃＩ气体含量大于０２含量， ?３５２? “十一五”烟气脱硫脱氮技术创新与发展交流会（２００７） 二、循环泵产生汽蚀的现象 ２．１对循环泵过流部件产生破坏作用汽蚀破坏最严重的是叶轮，及叶轮上的叶片部件，叶轮口环间隙处会产生汽蚀破坏现象。 ２．２产生噪声和振动 汽蚀发生时，会有汽泡的破灭产生的各种频率的噪声，如炒豆子的燥裂声，同时机组会有振 动现象。 ２．３循环泵效率下降 循环泵汽蚀严重时，由于浆液中有大量汽泡，实际上改变了浆液的密度，叶片表面充满了汽 泡，造成脱流，造成泵实际扬送的充满汽体的浆液，而不是单纯的浆液，使循环泵的功率、扬程 和效率均会迅速下降，如图所示： 三、汽蚀的界限Ｐｎ ３．１、泵汽蚀余量ＮＰＳＨ， 泵汽蚀余量Ａｈｒ是由泵本身的特性决定的， 是表示泵本身抗汽蚀性能的参数，与泵本身的设 计、制造和泵的使用转速有关。泵的汽蚀余量Ａｈｒ越低，说明泵的抗汽蚀性能越好，反之，泵 的抗汽蚀性能越差。 ３．２、装置汽蚀余量ＮＰＳＨ。：图１Ｑ 装置汽蚀余量是由外界的吸入装置特性决定 汽蚀对特性曲线的影响 的，是表示装置汽蚀性能的参数，（例如吸收塔浆液循环泵吸人装置的装置汽蚀余量是由塔内液 面高度及管道系统阻力所决定的）。装置汽蚀余量越高，泵越不容易汽蚀，反之，泵越容易 汽蚀。 ３．３、泵产生汽蚀的界限： 泵产生汽蚀的界限是泵汽蚀余量ＮＰＳＨ，等于装置汽蚀余量ＮＰＳＨ。。当装置汽蚀余量低到等 于泵汽蚀余量ＮＰＳＨ，时，泵就己经开始汽蚀，换言之，泵的汽蚀余量高到等于装置汽蚀余量时，泵就已开始汽蚀。 四、装置汽蚀余量计算为使循环泵不发生汽蚀，装置汽蚀余量（ＮＰＳＨ。）必须大于泵的汽蚀余量（ＮＰＳＨ，），为了 安全还应增加１ｍ的安全余量即：ＮＰＳＨ。≥ＮＰＳＨ，＋１ ｍ 装置汽蚀余量是指泵入口处单位重量液体所具有的高于汽化压力能头的能量。影响循环泵装 置汽蚀余量的条件有：吸收塔内浆液高度与循环泵入口高度之差，泵人ｌＺｌ管道直径、长度、形 式、阀门，入口管道内壁光洁度，当地绝对标高，浆液温度，以及浆液中汽体含量和汽泡大 小等。 泵的汽蚀余量为循环泵的结构的设计参数所决定，由泵厂商在泵试验中确定。 装置汽蚀余量的计算如下式： ＮＰＳＨ。＝（Ｈ砒ｍ—Ｈ，。。）／１０ｐｐ＋Ｈｓ 式中：Ｈ。——泵安装地点的环境压力，ｋＰａ； Ｈ，。。——浆液汽化压力，ｋＰａ； 第十一届全国燃煤二氧化硫氮氧化物污染治理技术“十一五”烟气脱硫脱氮技术创新与发展交流会 ‘３５３? Ｈｓ——泵入口总水头，ｍ； ｐｐ——浆液密度，ｔ／ｍ３ 泵入口总水头计算如下式：Ｈ。＝Ｚｌ～Ｈｎｌ—Ｈｉｉ ｚ。——循环泵实际提升高度（吸收塔内浆液面与循环泵中心线之差），ｍ； Ｈ。．——循环泵进口管段沿程水头损失，ｍ； Ｈｉｉ——循环泵进口管段局部水头损失之和，ｍ；Ｈｎｌ＝ｆ×Ｌ／Ｄ×Ｖ２／２９ Ｆ——泵进口管内壁摩擦系数； Ｌ——泵进口管当量长度，ｌＩｌ； Ｄ——泵进口管内径，ｉｎ； Ｖ——泵进口管浆液流速，ｍ／ｓ； ｇ——重力加速度，ｇ＝９．８１ｍ／ｓ２；Ｈｉｉ＝Ｈ＾一ＨＢ—Ｈｃ—ＨＤ ＨＡ——泵进口管过滤网水头损失，ｉｎ； Ｈ。——泵进口管蝶阀水头损失，ｍ； Ｈ。——泵进Ｉ＝Ｉ管收缩段水头损失，ｍ； Ｈ。——泵进Ｉ＝Ｉ管与吸收塔接头型式水头损失，ｍ； 五、泵的汽蚀余量计算泵的汽蚀余量的计算如下式：ＮＰＳＨ，＝Ｖ０２／２９＋ｈＷ０２／２９ 由泵的汽蚀余量计算公式可以看出，减少泵的汽蚀余量，提高泵的汽蚀性能应该采取以下措施： 降低泵的转速，采用低转速泵。 入值采用求导方式取最小值点，加大叶轮进口直径，符合ＫＯ值在４．５—５．５之间，为高汽蚀余量泵。 增加叶片进口宽度，从而减小Ｖｏ和Ｗｏ。 增加了盖板进口部分曲率半径，采用两段圆弧设计，从而减低Ｖｏ值。叶片数量最少，排挤系数小。 叶片进口冲角在保证效率的情况，采用正冲角。 叶片进口采用自然流线角度，流体阻力小。 加大平衡孔设计，进出口压力得到平衡，减小泄流量。 采用能耐酸腐蚀、耐磨蚀、强度高、韧性大的金属材料。国际和国内通用材料有：Ａ４９（双 相耐磨白口铁）或１．４５１７、１．４４６０、１．４５３９、１．４５２９等双相钢，也可以采用衬胶方式，均表现 出比较良好的耐腐蚀、耐磨损性能。 六、循环泵汽蚀实例计算某６００ＭＷ机组脱硫吸收塔，循环泵浆液输送量为９８００ｍ３／ｈ，吸收塔浆液面与泵进１２１之差为９．６ｍ，进口管直径为１．２ｍ，进１２１管几何长度为６．２６ｍ，石膏浆液比重１．１５ ｔ／ｍ３，循环泵必需汽 蚀余量ＮＰＳＨ，＝８．７ ｍ。 ｍ。 根据当地标高，Ｈａｔｍ为９０ ｋＰａ，Ｈｖａｐ为１３ ｋＰａ。ＰＰ为１．１５ ｔ／ｍ３。经过计算，Ｈｓ＝９．７ “十一五”烟气脱硫脱氮技术创新与发展交流会（２００７） ＮＰＳＨ。＝（Ｈａｔｍ—Ｈｖａｐ）／１０ｐｐ＋Ｈｓ＝（９０—１３）／１０×１．１５＋９．７＝１５．７ 由于ＮＰＳＨ。＋１＝８．７＋１＝９．７ｍ ｍ 该泵的装置汽蚀余量大于泵的汽蚀余量加ｌ米的数值，满足汽蚀余量的要求，不会发生汽蚀现象。 七、循环泵避免汽蚀现象的措施改进循环泵的内部结构和参数。 循环泵进口管道适当加粗，减少弯曲和变径，改进管道与吸收塔的接口形式。 减少循环泵进口管道长度。 调试及正常生产时，降低吸收塔低液位的使用频率，保持正常液位操作，保持较高的装置汽蚀余量与泵的汽蚀余量的差值。 吸收塔内氧化空气管出口尽量设计在较高的位置上，减少浆液中的空气含量。 在石灰石进入制浆前设筛子或者过滤装置，提高石灰石的纯度，减少石灰石中的ＳｉＯ：及异物，避免进入吸收塔内造成对循环泵叶轮叶片的损坏。 在石膏排放泵出口设过滤器，在往塔内回输时可以净化石膏浆液，减少ＳｉＯ：及异物在浆液 中循环，减少对泵的损坏。 脱硫装置开始运行时严格检查烟道及浆液系统的杂质和异物。 使用质量良好的浆液喷头，减少破损喷头对泵的损伤。 八、结论湿法脱硫工程中循环泵极容易形成汽蚀，和循环浆液中充满大量氧化空气、浆液温度较高有 关，同时浆液中有大量腐蚀性气体，加剧了循环泵叶轮叶片的破坏。在循环泵外部配置设计时应 充分注意，改善各种装置的外部条件，避免汽蚀的发生。对泵生产厂商要求浆液泵在研制和生产 时，采取专门的防范措施，避免汽蚀、腐蚀、磨蚀对泵的损伤。参考文献 《选矿设计手册》冶金工业出版社 《水泵原理、运行维护与泵站管理》化学工业出版社 《锅炉设计手册》机械工业出版社 《化学分析手册》化学工业出版社 脱硫吸收塔浆液循环泵的汽蚀作者： 作者单位： 周立年 许继联华国际环境工程有限责任公司,北京,100085 相似文献(10条) 1.会议论文 王乃华.鲁天毅 石灰石/石膏湿法烟气脱硫金属浆液循环泵国产化研究及实践 2006 本文介绍了襄樊五二五泵业有限公司成功开发烟气脱硫金属浆液循环泵的有关情况.包括:泵的水力模型、结构、机械密封、材料的研究成果,经工业 性考核和鉴定该泵已达国际先进水平,完全可实现我国火电机组湿法脱硫装置的各种金属浆液循环泵的国产化. 2.会议论文 孙克勤.徐海涛.徐延忠 利用自主工艺包实施WFGD核心设备国产化 2004 本文对石灰石-石膏湿法烟气脱硫关键设备吸收塔浆液输送及分配系统——浆液循环泵及FRP喷林管道进行国产化研究及工程实施的过程进行了介绍 。试验数据表明,由江苏苏源环保工程股份有限公司与连云港中复连众复合材料集团公司联合开发的FRP喷淋管道及与石家庄泵业集团有限公司联合开发 的大流量浆液循环泵完全满足600MW等级火电厂湿法烟气脱硫工程的需要,部分指标已达到或接近世界先进水平,此两项设备已成功应用于太仓港环保发电 有限公司一二期烟气脱硫工程中,其成功开发将对推动我国烟气脱硫技术及装备的国产化产生深远的意义。 3.会议论文 龙辉.钟明慧 影响600MW机组湿法烟气脱硫厂用电率主要因素分析 2005 针对影响600MW机组湿式石灰石—石膏法脱硫岛厂用电率的主要因素,对煤收到基硫分高低、烟气量大小、采用的不同脱硫设备等对脱硫厂用电率的 影响进行了详细分析,结论是应根据工程具体煤种情况核算硫系统主要6kV设备(增压风机、浆液循环泵、磨粉机、真空泵、氧化风机等)的轴功率,在初步 设计(预设计)阶段对可能出现的厂用电率计算后,完成湿式石灰石—石膏法脱硫岛硫部分厂用变容量的选择. 4.会议论文 王乃华 石灰石(石灰)/石膏湿法烟气脱硫装置用泵及其国产化 2003 为了实现石灰石(石灰)/石膏湿法烟气脱硫装置用泵国产化,满足市场用泵需求,襄樊五二五泵业有限公司根据输送浆液的腐蚀磨蚀特性,在引进技术 基础上进行了大量研发工作,并取得了良好的应用业绩,实现了烟气脱硫装置中吸收塔循环泵、各种渣浆泵、长轴液下泵以及搅拌机等多种设备的国产化. 5.会议论文 朱晨曦.吴志宏 烟气脱硫浆液循环泵国产化研究 2006 本文介绍了湿法烟气脱硫装置(WFGD)脱硫浆液循环泵国产化的研究过程，将成果转化为产品并应用于实际工位，达到了设计参数要求，同时填补国 内湿法脱硫大型石膏浆液循环泵(合金泵)空白，突破与掌握了脱硫大型浆液循环泵创新技术和关键技术。 6.会议论文 黄河 FGD浆液循环泵叶轮叶片断裂原因分析及防范措施 2008 针对石灰石-石膏湿法脱硫系统浆液循环泵保证寿命期内叶轮叶片断裂的现象，探讨了其断裂的因素。结合断样金相组织分析、断面能谱成分和扫描 电镜分析结果，提出了该位置断裂的原因及防范措施。 7.期刊论文 赵芳.黄魁 烟气湿法脱硫优化运行讨论 -科技信息2009,""(34) 从分析烟气湿法脱硫系统的运行特性出发,提出合理控制吸收塔内浆液的pH值、石膏浆液的密度和石灰石粉的颗粒度,优化浆液循环泵的运行,加强烟 气、废水系统的管理等控制策略.结合脱硫单耗调控、能耗排序优化、入炉煤的合理掺混,并结合系统和设备改造与完善,最终达到优化运行的目的. 8.期刊论文 周祖飞.ZHOU Zu-fei 燃煤电厂烟气脱硫系统的运行优化 -浙江电力2008,27(5) 介绍了燃煤电厂石灰石-石膏湿法脱硫系统运行优化的研究成果,主要内容有以吸收塔浆液pH值控制为核心的脱硫化学反应工艺的细调,增压风机和 GGH等设备及系统运行方式的调整优化,以及循环泵的节能组合投运等提高脱硫运行经济性的措施. 9.会议论文 龙辉.于永志 影响600MW机组湿法烟气脱硫装置厂用电率主要因素分析 2006 针对影响600MW机组湿式石灰石-石膏法脱硫岛厂用电率的主要因素,对煤收到基硫分高低、烟气量大小、采用的不同脱硫设备等对脱硫厂用电率的影 响进行了详细分析,国内现设计的600MW机组采用湿法烟气脱硫工艺时,设计煤种为高热值,低硫分(硫分低于0.7％),并且脱硫烟气系统不设GGH或设GGH时 ,脱硫厂用电率为1.0％～1.1％;当采用低热值,高水分设计煤种,脱硫厂用电率在1.7％以上.当采用高硫分(硫分高于4％)、中等热值的煤种时,脱硫厂用 电率最高可达1.98％.应根据工程具体煤种情况核算脱硫系统主要设备(增压风机、浆液循环泵、磨粉机、真空泵、氧化风机等主要设备)的轴功率,在初 步设计阶段核算脱硫部分厂用电率后,完成湿式石灰石-石膏法脱硫岛脱硫部分厂用变容量的选择. 10.学位论文 杜谦 并流有序降膜组脱除烟气中SO<,2>过程的研究 2004 在当前的湿法烟气脱硫技术中占主导地位的是喷雾型石灰石—石膏法烟气脱硫.喷雾型吸收塔具有许多优点,但也存在一些问题.如因喷雾的要求,循 环泵能耗较大、对喷嘴的要求高;雾滴被气体包夹,脱水除雾困难,塔内难实现高气速,且烟气带水对尾部设备腐蚀较严重等.随着对脱硫过程的深入了解 ,吸收塔内的化学过程能得到很好的控制,结垢问题基本得到解决.本文针对喷雾型吸收塔存在的问题及塔内结垢问题得到解决的基础上,提出了新型并流 有序降膜式湿法烟气脱硫工艺,旨在利用降膜反应器的一系列优点,如塔内降膜能提供充分有效的气液接触反应面,是一种高效的气液反应器;塔内气、液 膜互不贯通,可防止脱硫后烟气中携带雾滴,可省却除雾器,简化系统设备,同时可减轻尾部设备的腐蚀;塔内能实现高气速,可缩小塔体;塔内气相压降小 ,降膜通过布液器采用溢流方式形成,且可实现低液气比,系统能耗低等特点,从而降低脱硫装置投资及运行成本;同时本文旨在利用并流有序降膜塔内气、 液接触的表面积相对已知,是一种良好的研究脱硫过程机理的反应器的特点,对湿式石灰石-石膏法脱硫过程进行比较准确的研究,以便更深入了解湿法脱 硫过程,为合理设计和运行脱硫设备提供理论依据.本文最后对新型并流有序降膜式湿法烟气脱硫过程进了数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行了比较 分析.结果表明,模型能较准确地对并流降膜式湿法烟气脱硫过程进行模拟,能较准确地对系统脱硫率、浆液中剩余石灰石含量及各离子浓度进行预测.
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