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

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发布时间:2017年6月17日
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

王乃华 1    鲁天毅 2
1、中国兵器工业集团襄樊五二五泵业有限公司   湖北襄樊  441021
2、中国华电集团杭州半山发电有限责任公司     浙江杭州  310015
摘要: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50MW至600MW火电机组湿法脱硫装置的各种金属浆液循环泵的国产化。
关键词:金属浆液循环泵、国产化

前言:石灰石(石灰)/石膏湿法烟气脱硫工艺运行可靠性好,对煤种变化的适应性强,是目前世界上技术最为成熟、应用最多的脱硫工艺,也是我国火电厂烟气脱硫所采用的主流工艺。据不完全统计,我国已建和在建的电厂烟气脱硫项目共计159套,总装机容量6500万KW,其中采作石灰石(石灰)/石膏湿法脱硫的有130多套,总装机容量超过5900万KW。在石灰石(石灰)/石膏湿法脱硫装置中,吸收塔循环泵是关键设备,被誉为“装置运行的心脏”。该泵是一种大型设备,价格昂贵输送介质既有石膏固相物的磨蚀,又有高含量Cl-的腐蚀,对泵的使用寿命、运行效率、安全可靠性及检修维护的方便性等方面要求很高。目前在我国的烟气脱硫装置中,各种中小型的浆液泵基本上已全部实现了国产化,而这种大型的循环泵还是以进口为主。
襄樊五二五泵业有限公司有近20年耐蚀耐磨泵的生产经验,独家引进了法国Jumont Schneider(J·S)公司的耐蚀耐磨泵的生产制造技术和Haute Sambre(H·S)公司的特种耐蚀耐磨合金材料的冶炼铸造技术。凭借雄厚的技术力量,丰富的耐腐蚀耐磨蚀泵设计制造经验以及敏锐的市场意识,五二五泵业公司于2000年开始立项开发这种大型烟气脱硫循环泵,在耐腐蚀耐磨蚀材料的开发、高效水力设计、泵结构设计以及密封技术开发等方面取得了丰硕成果。公司开发的烟气脱硫循环泵于2004年被国家科技部、商务部、国家质量监督检验检疫总局,国家环境保护总局四部委确定为国家重点新产品,并获得国家科技型中小企业创新基金支持。
中国华电集团杭州半山发电有限责任公司是我国第一批引进建设石灰石(石灰)/石膏湿法脱硫装置的电厂之一,该装置的循环泵是进口德国KSB公司的产品。多年来杭州半山电厂一直在寻求该泵的国产化,经过调研考察,最终选定襄樊五二五泵业有限公司作为循环泵国产化的依托厂。目前已有一台由五二五泵业公司生产的LC600/825型循环泵取代进口泵,在工位上顺利运行,成功地实现了该泵的国产化。
 一、烟气脱硫浆液循环泵的技术要求
吸收塔循环液是固液双相流介质,浆液中的固体成份为石灰石和石膏,重量浓度一般在20%左右;燃煤烟气在循环吸收过程会形成硫酸、盐酸等酸性混合物,并随着循环时间的延长逐步富集,所以浆液的氯离子含量一般在20000~60000PPm之间,PH一般在3.5~7之间。含固腐蚀性高速流动的复杂介质对循环泵的用材提出了苛刻的要求。因此浆液循环泵过流部件材料的耐腐蚀耐磨蚀性能是决定该泵使用寿命的重要指标。
根据机组装机容量及燃煤含硫量不同,脱硫吸收塔浆液循环流量通常在4000~12000m3/h之间,扬程在16~30m之间。据统计,在烟气脱硫装量中,浆液循环泵的电耗,占整个脱硫岛电耗的三分之一以上,因此,大流量、高效率是对该泵的重要技术要求。
浆液循环泵是一种大型设备,是石灰石(石灰)/石膏湿法脱硫的核心设备之一,价格昂贵,泵的安全可靠性以及检修维护便利性要求也很高。
基于上述的要求,襄樊五二五泵业公司分别从泵材料开发、水力设计、结构设计及密封设计等方面着手,开发了LC系列烟气脱硫循环泵。整个研制过程经过了小型样机试制,权威部门产品检测,大型样机试制,电厂工业性考核等过程。
 二、浆液循环泵的研究开发
就浆液循环泵的过流部件所采用的耐蚀耐磨技术而言,世界上主要有两种方案,其一是采用铸铁外壳,内衬橡胶技术,即衬胶泵;另一种是采用耐蚀耐磨合金技术制造泵过流部件,即合金泵。两种技术方案互有优劣,采用合金泵,初次投入成本较高,但泵装置运行可靠性好,寿命长,检修维护方便,用户更倾向于选择这一方案,事实上从日本、欧州、美国实施烟气脱硫的经验来看,合金泵的应用相对较多。而且襄樊五二五泵业公司曾引进了法国特种耐蚀耐磨合金的冶炼铸造技术,成功实现了我国湿法磷酸装置中耐蚀耐磨浆液泵的国产化,而湿法磷酸工艺中的浆液和石灰石(石灰)/石膏湿法脱硫工艺的浆液有相似的组成和腐蚀磨蚀特性。所以襄樊五二五泵业公司开发的烟气脱硫循环泵选择了合金泵方案。
1、 耐蚀耐磨合金材料的开发
相对于湿法磷酸工艺而方言,烟气脱硫浆液的酸性、固体含量、温度均较小,但其氯离子含量较高。两种浆液情况对比如下:
项目 酸性 固体含量(CaSO4) F-(ppm) Cl-(ppm) 温度(℃)
烟气脱硫浆液 PH=3.5~7 15~20% 104~106 20000~60000 45~55
湿法磷酸浆液 P2O5 H2SO4 30~35% ≤20000 ≤20000 85
 28~30% 3~5.3%    
湿法磷酸制造用泵的材质是引进法国的高铬耐蚀耐磨合金和双相不锈钢。它们分别是F30%CrMo(企业代号Cr30)和Z3CNUD2605M(企业代号2605),这两种材料目前仍然是国内最苛刻的腐蚀磨蚀性工况湿法磷酸的经典用材。
针对烟气脱硫浆液氯离子含量的特点,我们对引进的两种材质进行改进。在Cr30的基础上加入了Ni和Cu元素,提高了其抗氯离子腐蚀的性能,改进后材料的企业代号为Cr30A。该材质由于其硬度较高,耐腐蚀耐磨蚀性能较好,用于制造浆液泵中旋转件叶轮及与其配合的前后护板等零件。在2605基础上,降低碳含量至超低碳范围(0.03%)以下;提高的Mo含量,Mo元素富集于靠近基体的钝化膜中,提高膜的稳定性,显著提高双相不锈钢耐孔蚀性能,特别是钝化膜中MoO2,对钢在低PH值的高浓度氯化物中有良好的保护性;同时加入N元素,提高奥氏体的孔蚀抗力,从而提高整个材料的孔蚀抗力。而且,N元素能显著改善材料的力学性能,促进相平衡,消除因Mo含量提高造成材料脆性倾向增大的不利影响。改进后材料的企业代号2605N,其孔蚀抗力当量值PRE值大于40。该材料由于既有较好的耐腐蚀耐磨蚀性,又有较好的强度与韧性,故用以制造承受液体压力及管线外力的泵体零件,在保证泵体长寿命的基础上,同时保证该泵的安全性。
上述两种材料,在西安交通大学铸造和耐磨材料研究所,用取自珞潢电厂的脱硫循环浆液介质中,模拟实际运行工况进行了相对腐蚀磨损检测试验,Cr30A和2605N的年腐蚀磨损率分别为0.46mm和0.78mm,远远超过我国脱硫建设初期应用的高合金奥氏体不锈钢1.4539、1.4529等材质。
2、高效水力设计
水力型线的确定主要经过了水力筛选、样泵水力模型设计、计算机模拟流场设计校正、模型泵试制,水力试验等几个过程。
在水力筛选的过程中,应用了我公司引进的专用于双相流介质输送的LC300/635型线,但考虑到原水力模型是针对矿浆输送而设计,适应浆体特性范围宽,如输送浆液的含固量可达65%,最大可通过颗粒直径达55mm,因而限制了泵效率的提高。而脱硫循环泵作为烟气脱硫的专用设备,工况单一,变动不大,最大含固量仅为20%,其中的固相物也较小。所以我们对泵的隔舌、叶片厚度、过流面积等参数进行了重新设计,并采用CFD(计算机模拟流场设计)技术,对实际流动进行模拟。通过对特征参数不断调整,直到CFD显示达到最佳。我们依据改进后LC300/635泵型,试制了模型泵,该模型泵经过国家工业泵质量监督检验中心的检验并出具了《泵检验报告》,流量1500m3/h,扬程25m,转速740转/分时,效率为82%。达到同口径泵效率指标的国际先进水平。
在试制成功模型泵的基础上,经过相似核算及应用CFD(计算机模拟流场设计)技术,确定了600mm口径泵的水力方案。
样品于2004年6月制造完成,经过水力测试,该泵流量4800 m3/h, 扬程20.6m时,效率达86%,完全符合半山电厂3#浆液循环泵工位的性能要求。泵实际运行性能曲线与用CFD预测的性能曲线基本一致。在设计点上实际值与预测值完全相符。
3.浆液循环泵的主要结构设计
考虑到泵的安全可靠性和检修维护的方便,主要采用了以下几项结构设计。
a.浆液循环泵是大流量泵,体积庞大,减少检修工作量十分突出,因而采用“后开门”结构,在联轴器部分设置中间节,检修时拆下中间节,留出空间,整个轴承组件及叶轮即可从后部抽出,而勿需拆卸进、出口管线。
b.一般清液泵设置前、后口环,而此泵代之以前后护板,既保证效率,也便于更换。
c.为了使泵始终在高效点运转,通过轴承组件的调节,可改变叶轮在泵体内的相对位置。
d.采用了较小的长径比(轴较粗),减少轴的动态挠度。一定程度上控制了轴挠度对密封寿命的不利影响。
e.选用进口轴承、轴承箱采用稀油润滑,改善了轴承工作条件,提高了轴承寿命。
其结构如左图所示。
金属型浆液循环泵特  点综述:
a.结构简单:采用超低碳含氮双相不锈钢技术,泵体直接做成单蜗壳,既保证了耐腐蚀耐磨蚀性,又可承受泵系 统内压力及管线外力。克服了内外泵体采用不同材料的复杂结构。
b.运行可靠:相对衬胶泵来说,无衬胶脱落之忧,不会造成系统特别是喷淋塔内喷嘴的堵塞,提高开车率。另外,小的长径比,提高机械密封寿命;叶轮与轴的双键联接,抗反转能力强,进一步提高了泵运行的可靠性。
c.寿命长:金属型泵体运行寿命一般可达5万小时以上。
d.维修量小:长的寿命自然意味小的维修量,特别是更换泵体内衬需要进行的进、出口管线的拆卸,更是一项费时费力的检修工作。
 三、国产化金属浆液循环泵的工业运行考核。
根据上述研究开发成果,襄樊五二五泵业有限公司与中国华电集团杭州半山发电有限公司合作,制造了一台金属浆液循环泵。该泵流量4800m3/h, 扬程20.6m。于2004年7月15日安装于半山发电有限公司脱硫岛三号循环泵工位上。通过实际运行,泵的各项水力性能指标满足工艺需要,机械性能稳定正常。从运转三个月之后的检修情况看,泵体、叶轮、护板等零件光亮如新,机加工痕迹清晰可见,说明耐腐蚀耐磨性满足要求。到目前为止,已正常运行达4000小时。
四、结论。
襄樊五二五泵业有限公司研制的金属型浆液循环泵,在华电集团半山发电有限公司2X125MW机上(1套脱硫岛)成功地替代了进口泵,且已运行超过4000小时,证明金属型浆液循环泵完全可以国产化。
该试制泵选材上泵体采用超低碳含氮双相不锈钢,叶轮及前后护板选用高铬耐蚀耐磨合金,充分应用引进双相流泵技术进行的水力设计及结构设计;显示了金属型浆液循环泵寿命长、运行可靠、结构简单、维修量小的独特优点。
作为国内独家引进耐腐蚀耐磨蚀泵技术的军工企业,襄樊五二五泵业有限公司具备从耐腐蚀耐磨蚀合金铸造,到泵出厂检验一系列铸造、机加及齐全的检测设备,能够生产流量自1500~12000m3/h,扬程自16~30m之间,适用于50MW至600MW机组湿法脱硫装置的各种金属浆液循环泵。
金属浆液循环泵的国产化成功给客户多了一个选择,必将对我国烟气脱硫关键设备国产化产生一定的推动作用。