湿法烟气脱硫工艺 (WFGD) 是目前世界上最为成熟的脱硫工艺之一, 也是我国火电厂烟气脱硫采用的主流工艺。“十一五”期间, 在国家环保产业政策的指导下火电厂对二氧化硫排放进行技术改造, 加大了脱硫力度, 减少污染。湿法烟气脱硫工艺中, 脱硫泵是关键设备, 主要用来输送一定浓度的石灰石液固两相流体。由于烟气脱硫泵的运行环境恶劣, 输送液体中存在大量的氯离子, 介质p H在5~8之间, 介质温度在40℃~50℃之间, 内部流动为复杂的液固两相流动, 而工程中所设计的泵大都是建立在经验基础之上, 导致泵的性能不满足用户的要求。目前, 大型脱硫泵主要依靠进口, 产品价格昂贵, 磨损件损毁后不能直接更换, 影响了电厂脱硫系统的正常运行[1], 因此, 需要对泵内的流动进行深入研究, 为设计性能良好, 运行稳定, 抗磨性能好的脱硫泵提供理论基础。
影响脱硫泵性能主要有以下两类因素[2]一类由脱硫泵的水力设计、结构设计、材料的选取及加工制造等因素造成的;第二类是由脱硫泵的工作环境造成的, 如输送介质的温度, 酸碱度、固相体积浓度、变工况等。所以一台性能良好的脱硫泵不但要考虑其设计、加工制造, 还需从实际出发考虑工作环境对泵性能的影响。本文从第二类因素出发分别阐述颗粒特性、固相体积浓度、变工况等因素对脱硫泵性能造成的影响。
1 颗粒属性的影响
颗粒属性指的是颗粒的直径、密度或者比重, 这些属性一般不受温度、压力等因素的影响。在研究中, 通常认为液固两相流泵中输送的固体颗粒为同种物质。下面主要从颗粒直径及比重两个方面来阐述颗粒属性对泵性能的影响。
(1) 比重对泵性能的影响。液固两相混合流动中, 由于颗粒几乎就没有单一的尺寸, 通常为了方便研究, 我们只考虑一个平均尺寸, 使颗粒相具有一种平均的速度。研究中做如下假定:固相由均匀颗粒组成;忽略颗粒间的作用力;液体无粘性;采用分离流动模型。通过分析, 当固相密度大于液相时时, 固相的绝对速度圆周分量小于液相绝对速度圆周分量。因此, 泵在输送液固两相流时, 固相密度或者比重大于液相时, 泵的扬程低于单独抽送液相时的扬程。
(2) 粒径对泵性能的影响。泵的设计、使用中要考虑粒径对泵性能的影响, 应用于不同工作环境的泵所输送的介质中的颗粒直径是不同的。工程中表征颗粒直径的方法很多, 如标准平均直径、筛孔粒径、沉降粒径、算术平均粒径、等效平均直径、中值粒径等。根据中值粒径大小把泵分为4类, 各种类型泵的粒径范围如表1。
液固两相流中极微小颗粒且能与液相很好的混合, 这种混合物可以视为均质流体, 其流动可以认为服从一般水力学定律;颗粒直径的增大意味着惯性力作用影响增大, 导致泵内的压力损失增大。这是由于一定粒径下存在一个使固体沉淀的临界流速, 粒径增大需要增大流速来克服颗粒的沉淀趋势。若固体粒径继续增大处于粗颗粒或者较大颗粒范围时, 惯性力的作用更为明显, 此时压力损失和粒径无关。这是由于重力作用使液固两相流成为两层流动, 颗粒群几乎沿着壁面运动, 水流在颗粒群上流动。低速时颗粒沉淀于壁面, 保持静止不动, 从而减小了流道的有效过流面积, 造成流道相对阻塞, 压力损失增加。但是随着流速增大沉淀层会逐渐变薄, 沉淀层完全消失时压力损失最小。粒径增大表现在泵中主要是颗粒运动轨迹的变化, 有资料研究表明:粒径较小时, 在叶轮进口前颗粒轨迹基本上与液相流线重合, 在叶轮进口拐弯处, 固体质点与液相流线脱离撞击后盖板;相同比重下, 粒径增大颗粒在流道进口处的轨迹趋于平直, 大多数颗粒同叶片进口处的轮毂相撞;同样流速下粒径继续增大, 颗粒的分散性变的明显, 这主要是受临界流速的影响。
2 积浓度的影晌
圆管液固两相流中, 当混合物的浓度较高时, 流动会呈现出一种柱状流现象。柱状流动现象是在管壁处存在着一层浓度很低、粘性显著下降的薄层, 在薄层内流体的流动可看作是层流的牛顿流体, 薄层外的
表1粒径不同对泵的分类
管道中部为主流区, 该主流区的两相流动与固体一样作整体运动。可以说, 柱状流动实际上是靠近管壁薄层内的层流与管道中的柱状流的叠加。由于柱状流动中在层流薄层内的水成为主体与管壁之间的润滑剂, 因此, 柱状流动中管道摩擦损失要比清水时的低。柱状流动是管道输送液同两相流的一种最为经济适用的流动模式。泵在输送的液固两相流时也会出现柱状流动现象, 对输送这种介质的泵来说是一种很经济的流动模式, 对脱硫泵来说体积浓度的增大主要影响浆体的粘性, 导致泵在输送浆体过程中的损失增加, 从而影响了泵的性能。此外, 从磨损角度来看浆体浓度增加, 在一定程度上会增加颗粒与叶片或者过流部件的碰撞, 加快磨损速度。
3 变工况的影响
变工况是指泵在非设计工况下运行。由于泵不可能时刻处于设计工况点, 对液固两相流来说, 工况的变化会影响泵内颗粒的分布规律。流量小于设计流量时进口相对液流角会减小, 而流量大于设计流量时进口液流角会随着增大。对叶轮内的固相来说, 进口液流角的变化改变了颗粒进入叶轮的角度, 对于颗粒直径不变、比重不变的固相颗粒来说颗粒进入叶轮的角度变化会引起颗粒轨迹的改变, 大流量时颗粒以较大角度进入叶轮流道, 在惯性力的作用下可能会撞击叶片背面, 减小了对叶片工作面磨损的可能。
4 结语
从影响脱硫泵性能的因素出发, 重点阐述了颗粒属性、固相浓度及变工况等对泵性能产生的影响。颗粒属性主要影响固相在叶轮工作面的浓度分布;固相体积浓度会造成泵的能量损失影响泵的外特性, 以及会加剧叶轮的磨损速度;变工况会影响颗粒的运动规律, 影响颗粒在叶轮工作面的浓度, 从而影响颗粒对泵的磨损速度。
摘要：本文针对火电厂烟气脱硫工艺中的脱硫泵性能的基本因素进行探讨, 分别阐述颗粒特性、固相体积浓度、变工况等因素对脱硫泵性能造成的影响, 对于今后设计及使用脱硫泵具有一定指导意义。
关键词：脱硫泵,工作环境,影响因素
参考文献
[1] 刘建瑞, 肖志杰, 王鸿睿, 等.基于CFD技术脱硫泵的设计与试验[J].排灌机械, 2009, 27 (1) .
[2] 李, 何伟强, 朱祖超, 等.脱硫泵固液两相流动的数值模拟与磨损特性[J].排灌机械, 2009, 27 (2) .