摘要：本文在总结我院脱硫系统相关设备的新技术的经验基础上，结合本工程的技术条件，通过技术及经济比较方法，提出适合本脱硫工程浆液循环泵材质方案及限制条件，确定优化可靠系统配置。
关键词：脱硫；浆液循环泵；腐蚀；磨损；陶瓷
Application of ceramic desulphurization slurry circulating pump in Jiangxi Datang International XinYu two period 2 x 1000MW new unit desulphurization project
Wang Zuosheng
（Datang Environment Industry Group Co.，Ltd.Beijing 100097）
Abstract：In this paper，A new technique based on the relevant experience of our Design Institute on the FGD equipment，combined with the technical conditions of this project，through technical and economic comparison method，is proposed for the desulfurization project of slurry circulating pump material scheme and determine the optimal conditions，reliable system configuration.
Keyword： Desulphurization，Slurry circulating pump，Corrosion，abrasion，ceramics
1.概述
1.1工程概况
江西大唐国际新余二期异地扩建2×1000MW工程，本期建设规模为2×1000MW，安装两台国产燃煤超超临界汽轮发电机组（机侧参数28Mpa/600℃/620℃），并留有再扩建21000MW机组的条件。设备年利用小时为5000小时。
本期工程烟气脱硫是在2×1000MW机组上安装两套高效的石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置，按一炉一塔设计，设计内容主要包括脱硫工艺系统的拟定、主要设备的选择和布置等，设计范围内工艺系统主要由烟气系统、吸收塔系统、制浆系统、石膏脱水系统、工艺水系统、浆液排空及回收系统等组成。
1.2系统概述
石灰石-石膏浆液通过浆液循环泵从吸收塔浆池送至塔内SO2吸收区的喷淋系统，与烟气发生反应并吸收烟气中的SO2，吸收塔浆池pH 值维持在5~5.8 之间，以保证石灰石的溶解及SO2的吸收。脱硫反应生成的反应产物经吸收塔氧化风机鼓入吸收塔浆液的氧化空气强制氧化生成硫酸钙，并结晶生成二水石膏，主要成分为二水石膏的吸收塔浆液由吸收塔排出泵排出吸收塔，送到石膏一级脱水系统。
浆液循环泵将石膏石灰石的混合浆液由吸收塔下部的结晶区打入吸收塔上部喷淋层，经喷嘴雾化喷出；为防止系统停运时循环泵及管道内浆液沉淀，用工艺水对循环泵及管道进行冲洗。
根据BMCR工况下烟气量以及烟气中SO2 含量，本FGD装置每座吸收塔设置5台浆液循环泵，采用单元制的形式设置喷淋层，即每台循环泵对应一层喷淋层。
1.3专题研究内容
吸收塔浆液循环泵是FGD湿法烟气脱硫装置中的重要关键设备，脱硫系统的正常运行对该泵的可靠性和使用寿命有很高的要求。浆液循环泵负责不断的输送石灰浆液到吸收塔顶部后向下喷淋，与塔内SO2（二氧化硫）等酸性气体逆向对流接触，使烟气中的二氧化硫完全被吸收。泵送的石灰浆液含有大量细微的高硬度固体颗粒，液体为偏酸性pH=4~6，温度45℃~60℃，含有大量氯离子（Cl-）。浆液循环泵在长时间连续运行过程中，叶轮表面经受着石灰浆液的冲击磨损、腐蚀、气蚀等破坏作用、叶片逐渐磨薄，形成穴蚀凹坑、甚至出现缺损豁口和裂纹穿孔，这些破坏会积累成结构性破坏，最终导致叶轮报废，同时还会严重降低泵的工作效率、耗费电能，因此浆液循环泵的运行好坏直接决定脱硫系统运行的稳定性，由此看出，浆液循环泵的材质选择尤为重要。
本专题就浆液循环泵的材质选择方面进行研究，确认其技术经济性：
（1）浆液循环泵叶轮和外壳采用全金属方案：考虑浆液循环泵的运行稳定性和投资，浆液循环泵的叶轮和外壳材质为全合金；
（2）浆液循环泵叶轮和外壳采用陶瓷技术方案：考虑浆液循环泵的运行稳定性和现场维护和检修工作量的减少，浆液循环泵的叶轮采用陶瓷，外壳材质为合金衬陶瓷。
2.浆液循环泵叶轮和外壳材质选择方案
2.1方案介绍
2.1.1浆液循环泵叶轮及外壳的腐蚀和磨损
石灰石-石膏湿法脱硫中，常规的金属浆液循环泵叶轮材质一般采用低碳高铬白口铸铁或镍基耐蚀合金，只要不存在铸造工艺缺陷一般都能满足设计和使用要求，其化学腐蚀是一个较缓慢的过程，物理侵蚀是一个较快的过程，主要表现为分层、剥离、开裂等。一般情况下浆液循环泵叶轮发生损坏的原因较多，主要如下：
1）浆液腐蚀
造成浆液循环泵外壳及其叶轮的腐蚀的主要是烟气中的酸性物质（主要有SO2和SO3；SO42-和SO32-；Cl-和F-）的腐蚀。在脱硫系统运行过程中，可能会因为各种原因造成吸收塔浆液pH值较正常值偏低（正常在5~6），或者因为脱硫废水为没有及时排放，导致浆液中的氯离子含量超标。在强酸和氯离子的作用下，会加快叶轮的腐蚀。叶轮金属在与低p H值的浆液接触时，低共溶碳化物相邻的铁素体相首先出现腐蚀，化学反应如下：
Fe+SO2+H2O→FeSO3+H2
Fe+SO2+O2→FeSO4
Fe+SO3+H2O→FeSO4+H2
Fe+2HCl→FeCl2+H2
随着腐蚀过程的发展，最终在金属层内部形成力学性能极差的疏松多孔结构，酸性浆液很容易在这些细孔中继续腐蚀金属内部。而Cl-则会引起应力腐蚀，进一步降低周围浆液的pH值。
由于低pH值会引起叶轮基体腐蚀，使叶轮有效厚度严重减薄，造成叶轮强度严重不足，在叶轮根部应力集中的疏松部位首先开裂，并迅速扩展，引起叶轮材料分层脱落。
2）气蚀
气蚀又称穴蚀，指流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。常发生在离心泵叶轮叶端的高速减压区，在此形成空穴，空穴在高压区被压破并产生冲击压力，破坏金属表面上的保护膜，而使腐蚀速度加快。
气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成洞穴。吸收塔内的氧化空气通过布置在搅拌器叶轮后端的搅拌风叶轮被打散，以便与浆液发生充分的化学反应。在高负荷时，氧化空气跟浆液中的亚硫酸钙发生反应，大部分都被吸收掉了。但在低负荷时多余的氧化空气不能完全被浆液吸收，便会以气泡形式存在，对浆液循环泵的叶轮形成气蚀。
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另外，脱硫吸收塔搅拌器均匀布置在同一圆周上，浆液循环泵的吸入口布置在两台搅拌器和两根氧化风管之间，造成各泵吸入口之间距离过小（一般1~2m左右），因此浆液循环泵同时运行时很容易造成“抢流”现象，使泵入口压力降低，加大了发生气蚀的可能性。
3）固体颗粒磨损
吸收塔内循环的浆液是固液双相流介质，主要固体成分为石膏晶体和少量的石灰石、惰性物质、粉煤灰等，质量浓度一般在l5~20%左右。若电厂用于制备浆液的石灰石中CaO含量偏低，SiO2、MgO等含量超标，造成吸收塔浆液中SiO2等不溶物含量高达10%以上，使浆液密度难以控制。浆液浓度长期偏高，固体颗粒杂质较多，造成浆液循环泵荷载加重，加上浆液流速较大，加剧了浆液循环泵叶轮的磨损。
浆液循环泵叶轮磨损的主要原因是泵在运行过程中低p H值强酸腐蚀，气蚀、浆液磨损等进一步加剧了浆液循环泵叶轮磨损。当叶轮表面与浆液相对运动时，浆液中的气泡变得不稳定，气泡破裂产生的冲击应力和高温造成表面疲劳破坏，浆液的化学腐蚀和电化学作用对气蚀的破坏过程有强烈加速效应。叶轮表面在反复经受多种冲击力的作用下，材料产生疲劳脱落，最终导致叶轮磨损。
2.1.2浆液循环泵金属泵
浆液循环泵按材质分类大体有金属泵、衬胶泵、陶瓷泵三类。
衬胶泵所用进口泵多为澳大利亚WARMAN生产，国内衬胶浆液循环泵的生产厂家主要有石家庄强大。衬胶浆液循环泵采用叶轮和外壳内部衬胶，在经过石灰浆液的磨损后，胶体会脱落，导致吸收塔喷淋层的喷嘴堵塞，加上胶体使用寿命短、可靠性较低，衬胶制造设备要求专用，市场占有率低。浆液泵壳、前后护板等也会磨损破坏报废，目前脱硫行业中浆液循环泵采用的较少，本专题不再进行赘述。
金属泵目前在国内为大多数电厂所采用。金属泵进口自品牌主要有德国凯士比KSB、瑞士苏尔寿SULZER、澳大利亚沃曼WARMAN，国内的主要有石家庄工业泵厂、石家庄强大、襄阳五二五等，材质多为双相不锈钢或高铬铸铁。
针对烟气脱硫浆液氯离子含量高的特点，襄阳五二五泵在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。该材质由于硬度较高，耐腐耐磨性能较好，用于制造浆液循环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Mo含量，Mo元素富集于靠近基体的钝化膜中，提高了膜的稳定性，从而显著提高了双相不锈钢耐孔蚀性能，特别是钝化膜中的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为2605N，其孔蚀抗力当量值PRE大于40。该材料由于既有良好的耐腐耐磨性，又有良好的强度与韧性，故用以制造承受液体压力及管线外力的泵体零件。在保证泵体寿命长的基础上，也保证了该泵的安全性。
Cr30A和2605N的年腐蚀磨损率分别为0.46mm和0.78mm，远远低于我国脱硫建 设初期应用的高合金奥氏体不锈钢1.4539、1.4529等材质。
金属型浆液循环泵常规的使用寿命为3~5年，但是也有项目中的浆液循环泵的叶轮使用大于5年。
2.1.3浆液循环泵陶瓷泵
金属泵因其材料强度高、刚性和塑性好、材质可选种类相对较多而具有应用优势。但是在烟气脱硫领域因金属材料承受化学腐蚀、磨损磨蚀的能力有限而显现出不适应之处。由于脱硫系统中浆液循环泵属于高价值泵，其投资占脱硫系统中的比重也较高，叶轮等部件损坏后如更换新备件，存在价格高投入大、订货周期长的问题，同时报废的泵件也形成了极大浪费。因此，迫切需要一种可靠的泵部件材质，以实现降低采购成本、减少备件库存、保证部件使用时间不低于新部件的基础上更进一步延长叶轮的使用寿命、降低工人频繁拆装导致的劳动强度。
陶瓷材料硬度高、耐髙温、耐腐蚀和耐磨蚀能力强。随着材料制备工艺和复合陶瓷材料技术的发展，陶瓷的脆性大有改善，具有高强、高硬、耐腐蚀、耐磨蚀性能的结构陶瓷，在特殊工业领域凸显出卓越的功效。
耐腐蚀陶瓷泵是由陶瓷叶轮与陶瓷泵壳、泵盖所组成。叶轮是高速运转的动件，设计时采用高强度结构陶瓷，以满足其抗冲击及耐腐蚀性能。泵壳、泵盖是静止件，不承受冲击负荷，采用一般的耐酸陶瓷制作。
陶瓷脱硫浆液循环泵就是应用陶瓷＋金属复合材料制造技术开发的新型离心泵。它完全可以满足烟气脱硫装置对浆液循环泵的性能要求。在输送含有固体颗粒磨损和腐蚀性两相介质的场合。
热浇注陶瓷泵在国内一些电厂有使用，进口生产厂家有德国DÜCHTING、凯士比KSB。国内的生产厂家主要有沈阳一泵公司、青岛双轮泵等。
应用于烟气脱硫系统的浆液循环泵是大流量、低扬程、单级、单吸卧式离心泵，的基本要求就是泵设计必须达到高效率和选用材料能耐腐蚀及磨蚀。因此，按照金属泵选定的水力模型必须因加衬陶瓷而对原水力设计要素进行修正，使之适合于固液两相流离心泵设计，并保证要求的性能和效率指标。特别适用于输送强磨损性、强腐蚀性的介质，其主要特点及优势如下：
1）材料优势
陶瓷脱硫泵具有长期运行效率无衰减的优势，而金属泵在运行1~3年，因磨损和腐蚀会导致过流原件损坏，尺寸精度和粗糙度收到损失，间隙变大，泵效率显著下降，严重影响脱硫的有效运转。
另外陶瓷脱硫泵与金属泵不同之处在于陶瓷泵对石膏浆液的pH值变化并不敏感，在保证脱硫系统安全可靠运行的前提下，可以适当提高石膏浆液的pH值，以利于脱硫效果。
2）陶瓷泵衬
采用优化设计和独特的浇注工艺技术，保证了陶瓷材料与金属部件结合的可靠性。既保证了水力设计要求，也保证了金属壳体与陶瓷内衬融为一体，结合紧密牢固，保证浆液循环泵壳体的使用及其寿命。
3）陶瓷叶轮
采用优化设计和独特的铸造工艺技术，形成内嵌金属轮毂结构、外覆碳化硅陶瓷材料的整体结构。既保证水力设计要求，又保证了叶轮机械强度和耐磨蚀、耐腐蚀性能。4）适应能力
对同容量的不同脱硫系统也设计了不同规格的脱硫泵及其辅助用泵，完全适用国内燃煤电厂脱硫系统选用。
2.1.4其他
无冲洗水机械密封设计：针对烟气脱硫浆液的特性，选用平衡型机械密封以满足压力要求；采用弹簧外置的结构以避免堵塞；采用静环补偿的结构以适应大轴经线速度较高的工况。
考虑到用户使用方便、维护简单，允许用户使用时不加冲洗水，为此该密封加大了间隙，并在外置弹簧处加保护套。
该密封摩擦副采用碳化钨材料，并采用了较窄的环带，有利于减少摩擦以及摩擦热的聚集，而且窄环可使固体颗粒难以停留在密封间隙中。
这种密封已成功应用于烟气脱硫浆液循环泵中，密封效果好、可靠性高、使用寿命长，且无需架设冲洗水管线。
2.2经济性分析
对于同等技术参数的浆液循环泵，陶瓷泵的投资相对于金属泵而言，价格要高出同等品质的20~30%，但是后续的使用和维护量大大减少，总体的经济型要比金属泵要高。
3.结论
在充分吸取国内电厂设计及运行经验的基础上，结合本工程实际情况，对浆液循环泵外壳和叶轮材质选择方案进行分析，综合上述意见，本期脱硫工程中的浆液循环泵，为减少现场的检修和维护量，以及充分保证系统运行的稳定性，建议浆液循环泵的外壳和叶轮材质采用陶瓷的形式。
论文作者:汪作胜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/26
标签：浆液论文; 叶轮论文; 循环泵论文; 吸收塔论文; 陶瓷论文; 烟气论文; 磨损论文; 《电力设备》2018年第29期论文;