石灰石/石膏濕法煙氣脫硫金屬漿液循環(huán)泵國產(chǎn)化研究及實踐

灰石/石膏濕法煙氣脫硫金屬漿液循環(huán)泵國產(chǎn)化研究及實踐

王乃華 1 魯天毅 2
1、中國兵器工業(yè)集團(tuán)襄樊五二五泵業(yè)有限公司 湖北襄樊 441021
2、中國華電集團(tuán)杭州半山發(fā)電有限責(zé)任公司 浙江杭州 310015
摘要：本文介紹了襄樊五二五泵業(yè)有限公司成功開發(fā)煙氣脫硫金屬漿液循環(huán)泵的有關(guān)情況。包括：泵的水力模型、結(jié)構(gòu)、機(jī)械密封、材料的研究成果，經(jīng)工業(yè)性考核和鑒定該泵已達(dá)國際先進(jìn)水平，完全可實現(xiàn)我國50MW至600MW火電機(jī)組濕法脫硫裝置的各種金屬漿液循環(huán)泵的國產(chǎn)化。
關(guān)鍵詞：金屬漿液循環(huán)泵、國產(chǎn)化

前言：石灰石（石灰投加）/石膏濕法煙氣脫硫工藝運行可靠性好，對煤種變化的適應(yīng)性強(qiáng)，是目前世界上技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最多的脫硫工藝，也是我國火電廠煙氣脫硫所采用的主流工藝。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建和在建的電廠煙氣脫硫項目共計159套，總裝機(jī)容量6500萬KW，其中采作石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫的有130多套，總裝機(jī)容量超過5900萬KW。在石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫裝置中，吸收塔循環(huán)泵是關(guān)鍵設(shè)備，被譽(yù)為“裝置運行的心臟”。該泵是一種大型設(shè)備，價格昂貴輸送介質(zhì)既有石膏固相物的磨蝕，又有高含量Cl-的腐蝕，對泵的使用壽命、運行效率、安全可靠性及檢修維護(hù)的方便性等方面要求很高。目前在我國的煙氣脫硫裝置中，各種中小型的漿液泵基本上已全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化，而這種大型的循環(huán)泵還是以進(jìn)口為主。
襄樊五二五泵業(yè)有限公司有近20年耐蝕耐磨泵的生產(chǎn)經(jīng)驗，獨家引進(jìn)了法國Jumont Schneider（J·S）公司的耐蝕耐磨泵的生產(chǎn)制造技術(shù)和Haute Sambre（H·S）公司的特種耐蝕耐磨合金材料的冶煉鑄造技術(shù)。憑借雄厚的技術(shù)力量，豐富的耐腐蝕耐磨蝕泵設(shè)計制造經(jīng)驗以及敏銳的市場意識，五二五泵業(yè)公司于2000年開始立項開發(fā)這種大型煙氣脫硫循環(huán)泵，在耐腐蝕耐磨蝕材料的開發(fā)、高效水力設(shè)計、泵結(jié)構(gòu)設(shè)計以及密封技術(shù)開發(fā)等方面取得了豐碩成果。公司開發(fā)的煙氣脫硫循環(huán)泵于2004年被國家科技部、商務(wù)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家環(huán)境保護(hù)總局四部委確定為國家重點新產(chǎn)品，并獲得國家科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金支持。
中國華電集團(tuán)杭州半山發(fā)電有限責(zé)任公司是我國第一批引進(jìn)建設(shè)石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫裝置的電廠之一，該裝置的循環(huán)泵是進(jìn)口德國KSB公司的產(chǎn)品。多年來杭州半山電廠一直在尋求該泵的國產(chǎn)化，經(jīng)過調(diào)研考察，最終選定襄樊五二五泵業(yè)有限公司作為循環(huán)泵國產(chǎn)化的依托廠。目前已有一臺由五二五泵業(yè)公司生產(chǎn)的LC600/825型循環(huán)泵取代進(jìn)口泵，在工位上順利運行，成功地實現(xiàn)了該泵的國產(chǎn)化。
一、煙氣脫硫漿液循環(huán)泵的技術(shù)要求
吸收塔循環(huán)液是固液雙相流介質(zhì)，漿液中的固體成份為石灰石和石膏，重量濃度一般在20%左右；燃煤煙氣在循環(huán)吸收過程會形成硫酸、鹽酸等酸性混合物，并隨著循環(huán)時間的延長逐步富集，所以漿液的氯離子含量一般在20000~60000PPｍ之間，PH一般在3.5~7之間。含固腐蝕性高速流動的復(fù)雜介質(zhì)對循環(huán)泵的用材提出了苛刻的要求。因此漿液循環(huán)泵過流部件材料的耐腐蝕耐磨蝕性能是決定該泵使用壽命的重要指標(biāo)。
根據(jù)機(jī)組裝機(jī)容量及燃煤含硫量不同，脫硫吸收塔漿液循環(huán)流量通常在4000~12000ｍ3/h之間，揚程在16~30m之間。據(jù)統(tǒng)計，在煙氣脫硫裝量中，漿液循環(huán)泵的電耗，占整個脫硫島電耗的三分之一以上，因此，大流量、高效率是對該泵的重要技術(shù)要求。
漿液循環(huán)泵是一種大型設(shè)備，是石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫的核心設(shè)備之一，價格昂貴，泵的安全可靠性以及檢修維護(hù)便利性要求也很高。
基于上述的要求，襄樊五二五泵業(yè)公司分別從泵材料開發(fā)、水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計及密封設(shè)計等方面著手，開發(fā)了LC系列煙氣脫硫循環(huán)泵。整個研制過程經(jīng)過了小型樣機(jī)試制，權(quán)威部門產(chǎn)品檢測，大型樣機(jī)試制，電廠工業(yè)性考核等過程。
二、漿液循環(huán)泵的研究開發(fā)
就漿液循環(huán)泵的過流部件所采用的耐蝕耐磨技術(shù)而言，世界上主要有兩種方案，其一是采用鑄鐵外殼，內(nèi)襯橡膠技術(shù)，即襯膠泵；另一種是采用耐蝕耐磨合金技術(shù)制造泵過流部件，即合金泵。兩種技術(shù)方案互有優(yōu)劣，采用合金泵，初次投入成本較高，但泵裝置運行可靠性好，壽命長，檢修維護(hù)方便，用戶更傾向于選擇這一方案，事實上從日本、歐州、美國實施煙氣脫硫的經(jīng)驗來看，合金泵的應(yīng)用相對較多。而且襄樊五二五泵業(yè)公司曾引進(jìn)了法國特種耐蝕耐磨合金的冶煉鑄造技術(shù)，成功實現(xiàn)了我國濕法磷酸裝置中耐蝕耐磨漿液泵的國產(chǎn)化，而濕法磷酸工藝中的漿液和石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫工藝的漿液有相似的組成和腐蝕磨蝕特性。所以襄樊五二五泵業(yè)公司開發(fā)的煙氣脫硫循環(huán)泵選擇了合金泵方案。
1、 耐蝕耐磨合金材料的開發(fā)
相對于濕法磷酸工藝而方言，煙氣脫硫漿液的酸性、固體含量、溫度均較小，但其氯離子含量較高。兩種漿液情況對比如下：
項目 酸性 固體含量（CaSO4） F-(ppm) Cl-(ppm) 溫度(℃)
煙氣脫硫漿液 PH＝3.5~7 15~20% 104~106 20000~60000 45~55
濕法磷酸漿液 P2O5 H2SO4 30~35% ≤20000 ≤20000 85
28~30% 3~5.3%
濕法磷酸制造用泵的材質(zhì)是引進(jìn)法國的高鉻耐蝕耐磨合金和雙相不銹鋼。它們分別是F30%CrMo（企業(yè)代號Cr30）和Z3CNUD2605M（企業(yè)代號2605），這兩種材料目前仍然是國內(nèi)最苛刻的腐蝕磨蝕性工況濕法磷酸的經(jīng)典用材。
針對煙氣脫硫漿液氯離子含量的特點，我們對引進(jìn)的兩種材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。在Cr30的基礎(chǔ)上加入了Ni和Cu元素，提高了其抗氯離子腐蝕的性能，改進(jìn)后材料的企業(yè)代號為Cr30A。該材質(zhì)由于其硬度較高，耐腐蝕耐磨蝕性能較好，用于制造漿液泵中旋轉(zhuǎn)件葉輪及與其配合的前后護(hù)板等零件。在2605基礎(chǔ)上，降低碳含量至超低碳范圍（0.03%）以下；提高的Mo含量，Mo元素富集于靠近基體的鈍化膜中，提高膜的穩(wěn)定性，顯著提高雙相不銹鋼耐孔蝕性能，特別是鈍化膜中MoO2，對鋼在低PH值的高濃度氯化物中有良好的保護(hù)性；同時加入N元素，提高奧氏體的孔蝕抗力，從而提高整個材料的孔蝕抗力。而且，N元素能顯著改善材料的力學(xué)性能，促進(jìn)相平衡，消除因Mo含量提高造成材料脆性傾向增大的不利影響。改進(jìn)后材料的企業(yè)代號2605N，其孔蝕抗力當(dāng)量值PRE值大于40。該材料由于既有較好的耐腐蝕耐磨蝕性，又有較好的強(qiáng)度與韌性，故用以制造承受液體壓力及管線外力的泵體零件，在保證泵體長壽命的基礎(chǔ)上，同時保證該泵的安全性。
上述兩種材料，在西安交通大學(xué)鑄造和耐磨材料研究所，用取自珞潢電廠的脫硫循環(huán)漿液介質(zhì)中，模擬實際運行工況進(jìn)行了相對腐蝕磨損檢測試驗，Cr30A和2605N的年腐蝕磨損率分別為0.46mm和0.78mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我國脫硫建設(shè)初期應(yīng)用的高合金奧氏體不銹鋼1.4539、1.4529等材質(zhì)。
2、高效水力設(shè)計
水力型線的確定主要經(jīng)過了水力篩選、樣泵水力模型設(shè)計、計算機(jī)模擬流場設(shè)計校正、模型泵試制，水力試驗等幾個過程。
在水力篩選的過程中，應(yīng)用了我公司引進(jìn)的專用于雙相流介質(zhì)輸送的LC300/635型線，但考慮到原水力模型是針對礦漿輸送而設(shè)計，適應(yīng)漿體特性范圍寬，如輸送漿液的含固量可達(dá)65%，最大可通過顆粒直徑達(dá)55mm，因而限制了泵效率的提高。而脫硫循環(huán)泵作為煙氣脫硫的專用設(shè)備，工況單一，變動不大，最大含固量僅為20%，其中的固相物也較小。所以我們對泵的隔舌、葉片厚度、過流面積等參數(shù)進(jìn)行了重新設(shè)計，并采用CFD（計算機(jī)模擬流場設(shè)計）技術(shù)，對實際流動進(jìn)行模擬。通過對特征參數(shù)不斷調(diào)整，直到CFD顯示達(dá)到最佳。我們依據(jù)改進(jìn)后LC300/635泵型，試制了模型泵，該模型泵經(jīng)過國家工業(yè)泵質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的檢驗并出具了《泵檢驗報告》，流量1500m3/h,揚程25m，轉(zhuǎn)速740轉(zhuǎn)/分時，效率為82%。達(dá)到同口徑泵效率指標(biāo)的國際先進(jìn)水平。
在試制成功模型泵的基礎(chǔ)上，經(jīng)過相似核算及應(yīng)用CFD（計算機(jī)模擬流場設(shè)計）技術(shù)，確定了600mm口徑泵的水力方案。
樣品于2004年6月制造完成，經(jīng)過水力測試，該泵流量4800 m3/h, 揚程20.6m時，效率達(dá)86%，完全符合半山電廠3＃漿液循環(huán)泵工位的性能要求。泵實際運行性能曲線與用CFD預(yù)測的性能曲線基本一致。在設(shè)計點上實際值與預(yù)測值完全相符。
3.漿液循環(huán)泵的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計
考慮到泵的安全可靠性和檢修維護(hù)的方便，主要采用了以下幾項結(jié)構(gòu)設(shè)計。
a.漿液循環(huán)泵是大流量泵，體積龐大，減少檢修工作量十分突出，因而采用“后開門”結(jié)構(gòu)，在聯(lián)軸器部分設(shè)置中間節(jié)，檢修時拆下中間節(jié)，留出空間，整個軸承組件及葉輪即可從后部抽出，而勿需拆卸進(jìn)、出口管線。
b.一般清液泵設(shè)置前、后口環(huán)，而此泵代之以前后護(hù)板，既保證效率，也便于更換。
c.為了使泵始終在高效點運轉(zhuǎn)，通過軸承組件的調(diào)節(jié)，可改變?nèi)~輪在泵體內(nèi)的相對位置。
d.采用了較小的長徑比（軸較粗），減少軸的動態(tài)撓度。一定程度上控制了軸撓度對密封壽命的不利影響。
e.選用進(jìn)口軸承、軸承箱采用稀油潤滑，改善了軸承工作條件，提高了軸承壽命。
其結(jié)構(gòu)如左圖所示。
金屬型漿液循環(huán)泵特 　點綜述：
a.結(jié)構(gòu)簡單：采用超低碳含氮雙相不銹鋼技術(shù)，泵體直接做成單蝸殼，既保證了耐腐蝕耐磨蝕性，又可承受泵系　統(tǒng)內(nèi)壓力及管線外力。克服了內(nèi)外泵體采用不同材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
b.運行可靠：相對襯膠泵來說，無襯膠脫落之憂，不會造成系統(tǒng)特別是噴淋塔內(nèi)噴嘴的堵塞，提高開車率。另外，小的長徑比，提高機(jī)械密封壽命；葉輪與軸的雙鍵聯(lián)接，抗反轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，進(jìn)一步提高了泵運行的可靠性。
c.壽命長：金屬型泵體運行壽命一般可達(dá)5萬小時以上。
d.維修量�。洪L的壽命自然意味小的維修量，特別是更換泵體內(nèi)襯需要進(jìn)行的進(jìn)、出口管線的拆卸，更是一項費時費力的檢修工作。
三、國產(chǎn)化金屬漿液循環(huán)泵的工業(yè)運行考核。
根據(jù)上述研究開發(fā)成果，襄樊五二五泵業(yè)有限公司與中國華電集團(tuán)杭州半山發(fā)電有限公司合作，制造了一臺金屬漿液循環(huán)泵。該泵流量4800m3/h, 揚程20.6m。于2004年7月15日安裝于半山發(fā)電有限公司脫硫島三號循環(huán)泵工位上。通過實際運行，泵的各項水力性能指標(biāo)滿足工藝需要，機(jī)械性能穩(wěn)定正常。從運轉(zhuǎn)三個月之后的檢修情況看，泵體、葉輪、護(hù)板等零件光亮如新，機(jī)加工痕跡清晰可見，說明耐腐蝕耐磨性滿足要求。到目前為止，已正常運行達(dá)4000小時。
四、結(jié)論。
襄樊五二五泵業(yè)有限公司研制的金屬型漿液循環(huán)泵，在華電集團(tuán)半山發(fā)電有限公司2X125MW機(jī)上（1套脫硫島）成功地替代了進(jìn)口泵，且已運行超過4000小時，證明金屬型漿液循環(huán)泵完全可以國產(chǎn)化。
該試制泵選材上泵體采用超低碳含氮雙相不銹鋼，葉輪及前后護(hù)板選用高鉻耐蝕耐磨合金，充分應(yīng)用引進(jìn)雙相流泵技術(shù)進(jìn)行的水力設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計；顯示了金屬型漿液循環(huán)泵壽命長、運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修量小的獨特優(yōu)點。
作為國內(nèi)獨家引進(jìn)耐腐蝕耐磨蝕泵技術(shù)的軍工企業(yè)，襄樊五二五泵業(yè)有限公司具備從耐腐蝕耐磨蝕合金鑄造，到泵出廠檢驗一系列鑄造、機(jī)加及齊全的檢測設(shè)備，能夠生產(chǎn)流量自1500～12000m3/h，揚程自16～30m之間，適用于50MW至600MW機(jī)組濕法脫硫裝置的各種金屬漿液循環(huán)泵。
金屬漿液循環(huán)泵的國產(chǎn)化成功給客戶多了一個選擇，必將對我國煙氣脫硫關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化產(chǎn)生一定的推動作用。

美國米頓羅計量泵（MiltonRoy）：GB0600、GB0700、GB1000、GB1200、GB1500、GB1800

美國哈希儀表（HACH）：DR890、DR850、DR820多參數(shù)水質(zhì)分析儀、PCII型單參數(shù)水質(zhì)分析儀