湿法烟气脱硫浆液循环泵入口滤网设计优化

0 引言

随着被称为“史上和世上最严”［1］的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)的实施，以及各电厂开始实施取消脱硫系统烟气旁路挡板改造，在役燃煤机组脱硫系统设备可靠性亟待提高。

石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统吸收塔浆液循环泵入口滤网是防止设备损坏而引起脱硫系统故障的重要部件。其作用是过滤浆液，截流吸收塔浆液中的杂质，如脱落的防腐衬里层、结垢物、脱落的塔内部件等，从而保护浆液循环泵过流部件、浆液管道防腐内衬和防止喷淋管道、喷嘴堵塞。在国内早期脱硫工程技术引进时，对浆液循环泵入口滤网的重要性认识不足，考虑成本因素，一般使用FRP 滤网(甚至在调试后拆除滤网)。由于FRP 制造质量参差不齐，滤网结构和固定方式设计缺乏经验，国内应用的FRP 滤网普遍存在较多问题，给设备、系统带来一系列问题。

1 存在的问题与危害

1.1 系统与设备概述

神华国华台山电厂二期2 ×1 000 MW 工程6、7号机组采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺，无烟气旁路，设计脱硫效率95%，每台炉设置1座喷淋式吸收塔，吸收塔内衬橡胶防腐。每座吸收塔设置4 台浆液循环泵，分别为4 层喷淋层提供循环浆液。6、7号机组分别于2011年3月和11月投产。

每套原滤网由两套网板组合而成，固定在吸收塔内壁滤网框架上，呈三角状。滤网网板材质为FRP，单块网板规格1 200(长)×3 210(高)mm，厚度40 mm，网孔为19 ×19 mm 的方孔，采用整体冲压成型，见图1。

图1 滤网外形图与网孔(优化前)

1.2 原滤网存在问题

自机组投产以来不到1年时间，滤网运行和检修中发现主要问题有:

(1)滤网磨损快，出现脱层、裂纹和缺口，磨损量最大有1/2(图2(a)和图2(b));

(2)滤网易发生堵塞，特别是底部网孔出现结垢，几乎全部堵塞，堵塞网孔面积最大占总面积的1/2，见图2(c);

(3)浆液循环泵运行中存在明显的汽蚀现象，检查叶轮叶片有汽蚀坑，见图2(d)。

图2 滤网图片

1.3 滤网出现问题后的危害

浆液循环泵入口滤网一旦出现问题，不能起到保护泵、衬里管道、喷淋层的作用，会导致吸收塔工况恶化，引起设备损坏，会带来一连串连锁效应，威胁机组和系统安全运行。主要危害有:

(1)滤网发生堵塞后，网板通流面积减小，引起泵流量下降，泵内发生强烈气蚀［2］，泵振动大幅上升，可靠性下降。从泵电机电流、压力和轴承箱振动监测参数发现，每次系统检修清理滤网后投入运行，浆液循环泵电机电流和压力在运行1 ～2 个月内呈明显下降趋势，轴承箱振动值从约3 mm/s 明显上升至约5 mm/s 且有持续上升趋势。

(2)滤网发生堵塞后，泵出力下降，吸收塔循环浆液量下降，引起塔内气液比下降，导致脱硫效率下降［3］。

(3)滤网磨损后，失去过滤功能。大块的杂质进入泵、管道、喷淋层，引起泵部件异常磨损，喷淋喷嘴堵塞［4］。

(4)滤网在发生磨损后，整体强度下降，在高流速、振动等因素作用下，FRP 网板易出现破裂，产生的大、小碎片边缘锐利，将造成管道衬胶损坏，管道和喷淋喷嘴堵塞，阀门卡涩，大块的网板碎片还可能损坏运行中的搅拌器叶轮［5］、轴部件。严重情况下，可能导致脱硫系统无法运行，机组必须停机处理。

(5)如果机组保持长周期运行，滤网堵塞、磨损情况继续恶化，喷淋喷嘴堵塞数量增加，浆液循环量急剧下降，喷淋层将不能保证塔内基本的冷却功能，烟气将会超温，导致除雾器、衬胶层超温损坏［6］，损失巨大且恢复时间长。

2 原因分析

通过对国内300 ～1 000 MW 机组同类型脱硫系统的调研，发现FRP 材质的滤网普遍存在堵塞严重、磨损快的问题，部分工程出现滤网局部破裂甚至整体脱落、破碎［2 ～5］。主要原因有:

(1)FRP 材质滤网为保证整体强度，必须达到一定厚度，比如6、7号机组原滤网厚度达到40 mm。由于网板厚度大，使浆液通过阻力大;且网孔处容易沉积浆液。特别是当泵处于停运备用状态，局部浆液出现石膏沉积，较厚重的通孔就极易形成沉积结垢［7］，将网孔彻底堵死。

(2)FRP 材质耐磨性能不足。由于浆液循环泵流量大，介质是含石膏晶体的固液两相流，对网孔的磨损剧烈。当局部网孔发生堵塞时，流速上升，使网板局部磨损加剧。

(3)FRP 滤网质量差，制造工艺不良。FRP网板成型打孔工艺选择不当，直接决定了滤网的整体强度较差。

(4)滤网结构设计存在问题。从调研情况看出，如果滤网结构或固定方式存在缺陷，滤网整体强度不足，滤网将出现脱落、破裂，缺陷会扩大而影响系统的运行。

3 设计优化方案

从浆液循环泵入口滤网失效的原因分析和调研情况来看，滤网优化的方向是提高滤网的强度，在保证过滤功能的前提下提高滤网的通过性能，避免结垢和减少堵塞情况。主要在滤网材质、结构、孔径选择和固定方式等4 个方面进行优化。

3.1 滤网材质的优化

受到施工工艺、人员、原材料、环境等因素的影响［8］，FRP 网板的质量难以控制。选用合金材质，可以避免上述问题，保证滤网强度，防止滤网出现破损问题;与FRP 滤网相比，大大降低网板厚度，减小浆液通过阻力，减少网孔结垢可能性。合金材质的选择主要依据耐吸收塔浆液腐蚀和冲刷性能要求。吸收塔浆液设计参数:pH 为4 ～6，温度低于60 ℃，氯离子含量低于40 g/L。脱硫工程中应用较多的有镍基哈氏合金C276 和超级奥氏体不锈钢DIN1.4529(成分与机械性能见表1 和表2［9］)，其中DIN1.4529 有较好的抗点蚀和缝隙腐蚀的性能，满足吸收塔浆液环境的抗腐蚀要求，同时耐浆液冲刷磨损［8］，而价格远低于哈氏合金C276。因此，滤网网板材质确定为DIN1.4529，厚度4 mm(不允许负偏差)。

表1 DIN1.4529 材料成分 %

表2 DIN1.4529 材料(板材)的机械性能

3.2 滤网结构的选择

烟气脱硫浆液循环泵入口滤网的结构主要有半圆柱形、三角形。通过运行情况来看，原三角组合式框架采用碳钢衬胶，相对于半圆柱形滤网结构，网板固定点多，网板受力点分散，其机械强度能够满足滤网固定的要求且有一定优势。半圆柱形滤网截面为半圆形，有流通面积较大的优势。对于本工程来说，采用半圆柱形滤网框架改动量大，框架结构设计和现场施工难度较大且存在一定安全风险，同时改动框架需要增加资金投入。因此，滤网保留原框架结构。

3.3 滤网网孔的优化

根据喷淋喷嘴口径、浆液品质等系统设计工况选择网孔型式。在保证截流大颗粒杂质的性能下，尽量提高网板通流面积，可以减少滤网堵塞的发生，缓解浆液循环泵气蚀现象的出现，提高浆液循环泵可靠性。因此，将原方孔改为圆孔，从而改善浆液通过性，减少浆液在孔下缘沉积，避免结垢。网孔按照呈60°交错排列，如图3所示。网板加工采用整块钢板冲孔制造，加工标准应符合《工业用金属穿孔板技术要求和检验方法》(GB/T 19360—2003)的要求。

图3 网孔排列要求(优化后)

吸收塔喷淋层采用90°单向实心锥、单向空心锥、双向空心锥三种喷嘴，其流道口径最小值不小于50 mm。浆液循环泵入口管道与吸收塔接管内径D1 400 mm，浆液设计流量为10 500 m3/h。按照单台泵对应滤网(2 套网板组合)的有效流通面积(不包含加强筋及滤网框架重合部分)不低于吸收塔接管截面积的2 倍的要求，经过计算和比较，选择网孔孔径为25 mm，中心距30 mm。对应有效通流面积为3.77 m2，倍数为2.45 倍。

3.4 网板固定方式的优化

原滤网网板厚40 mm，直接用螺栓固定在滤网顶部和左右框架上，每块网板设置有一根斜加强肋(碳钢衬胶)。优化后，网板厚度4 mm。为保证滤网的强度和抗冲击性能，设置每块网板对应一套整体式压板，整体式压板基本尺寸与滤网框架一致，宽度100 mm。设置3 根斜加强肋，2根水平加强肋，规格40 ×40 ×4 mm。压板与加强肋材质均为DIN1.4529。压板与网板预装后点焊。紧固件方面:框架螺栓孔位置和规格不变，降低施工安全风险;为方便现场安装，在网板和压板上采用腰形孔;框架背面衬胶侧采用大规格合金圆垫，防止衬胶层被压坏后螺栓出现松动;采用防松垫片;螺栓、螺母材质用C276。

4 运行效果

6号机组安装优化设计后制作的4 套滤网，于2013年1月投入运行，至2014年2月机组小修，共运行约1年。运行中:(1)监测浆液循环泵电机电流和振动值稳定，振动值小于2.8 mm/s(优良);(2)现场观察泵运行声音，汽蚀现象明显改善，反映出滤网没有明显堵塞，流道通畅。停机检查滤网情况:(1)滤网结构完好，无松动;(2)网孔基本没有结垢、堵塞现象;(3)测量网板厚度与网孔孔径，腐蚀速率小于0.1 mm/a。滤网的设计优化达到预期效果。

5 结论

传统湿法烟气脱硫浆液循环泵入口FRP 滤网存在强度低、易破损，易引起结垢和堵塞等问题，影响脱硫系统可靠性。通过选用网板材质为DIN1.4529，网孔型式选用圆孔，并合理选择网孔孔径和布置，改进滤网结构与固定方式的设计优化方案，经约一年的运行实践，解决了原FRP 滤网存在问题，有效缓解浆液循环泵气蚀，保证了浆液循环量和浆液喷淋效果，确保脱硫系统稳定运行和机组达标排放。