灰石/石膏濕法煙氣脫硫金屬漿液循環泵國產化研究及實踐

中國兵器工業集團襄樊五二五泵業有限公司湖北襄樊4410212、中國華電集團杭州半山發電有限責任公司浙江杭州310015摘要：本文介紹了襄樊五二五泵業有限公司成功開發煙氣脫硫金屬漿液循環泵的有關情況。包括：泵的水力模型、結構、機械密封、材料的研究成果，經工業性考核和鑒定該泵已達國際先進水平，完全可實現我國50MW至600MW火電機組濕法脫硫裝置的各種金屬漿液循環泵的國產化。關鍵詞：金屬漿液循環泵、國產化前言：石灰石（石灰）/石膏濕法煙氣脫硫工藝運行可靠性好，對煤種變化的適應性強，是目前世界上技術最為成熟、應用最多的脫硫工藝，也是我國火電廠煙氣脫硫所采用的主流工藝。據不完全統計，我國已建和在建的電廠煙氣脫硫項目共計159套，總裝機容量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，吸收塔循環泵是關鍵設備，被譽為“裝置運行的心臟”。

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該泵是一種大型設備，價格昂貴輸送介質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了國產化，而這種大型的循環泵還是以進口為主。襄樊五二五泵業有限公司有近20年耐蝕耐磨泵的生產經驗，獨家引進了法國JumontSchneider（J·S）公司的耐蝕耐磨泵的生產制造技術和HauteSambre（H·S）公司的特種耐蝕耐磨合金材料的冶煉鑄造技術。憑借雄厚的技術力量，豐富的耐腐蝕耐磨蝕泵設計制造經驗以及敏銳的市場意識，五二五泵業公司于2000年開始立項開發這種大型煙氣脫硫循環泵，在耐腐蝕耐磨蝕材料的開發、高效水力設計、泵結構設計以及密封技術開發等方面取得了豐碩成果。公司開發的煙氣脫硫循環泵于2004年被國家科技部、商務部、國家質量監督檢驗檢疫總局，國家環境保護總局四部委確定為國家重點新產品，并獲得國家科技型中小企業創新基金支持。中國華電集團杭州半山發電有限責任公司是我國第一批引進建設石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫裝置的電廠之一，該裝置的循環泵是進口德國KSB公司的產品。多年來杭州半山電廠一直在尋求該泵的國產化，經過調研考察，最終選定襄樊五二五泵業有限公司作為循環泵國產化的依托廠。

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目前已有一臺由五二五泵業公司生產的LC600/825型循環泵取代進口泵，在工位上順利運行，成功地實現了該泵的國產化。

一、煙氣脫硫漿液循環泵的技術要求吸收塔循環液是固液雙相流介質，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；燃煤煙氣在循環吸收過程會形成硫酸、鹽酸等酸性混合物，并隨著循環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雜介質對循環泵的用材提出了苛刻的要求。因此漿液循環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。根據機組裝機容量及燃煤含硫量不同，脫硫吸收塔漿液循環流量通常在4000~12000ｍ3/h之間，揚程在16~30m之間。

據統計，在煙氣脫硫裝量中，漿液循環泵的電耗，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要求。漿液循環泵是一種大型設備，是石灰石（石灰）/石膏濕法脫硫的核心設備之一，價格昂貴，泵的安全可靠性以及檢修維護便利性要求也很高。基于上述的要求，襄樊五二五泵業公司分別從泵材料開發、水力設計、結構設計及密封設計等方面著手，開發了LC系列煙氣脫硫循環泵。整個研制過程經過了小型樣機試制，權威部門產品檢測，大型樣機試制，電廠工業性考核等過程。

二、漿液循環泵的研究開發就漿液循環泵的過流部件所采用的耐蝕耐磨技術而言，世界上主要有兩種方案，其一是采用鑄鐵外殼，內襯橡膠技術，即襯膠泵；另一種是采用耐蝕耐磨合金技術制造泵過流部件，即合金泵。兩種技術方案互有優劣，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驗來看，合金泵的應用相對較多。而且襄樊五二五泵業公司曾引進了法國特種耐蝕耐磨合金的冶煉鑄造技術，成功實現了我國濕法磷酸裝置中耐蝕耐磨漿液泵的國產化，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公司開發的煙氣脫硫循環泵選擇了合金泵方案。1、耐蝕耐磨合金材料的開發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＝3.5~715~20%104~10620000~6000045~55濕法磷酸漿液P2O5H2SO430~35%≤20000≤200008528~30%3~5.3%濕法磷酸制造用泵的材質是引進法國的高鉻耐蝕耐磨合金和雙相不銹鋼。它們分別是F30%CrMo（企業代號Cr30）和Z3CNUD2605M（企業代號2605），這兩種材料目前仍然是國內最苛刻的腐蝕磨蝕性工況濕法磷酸的經典用材。針對煙氣脫硫漿液氯離子含量的特點，我們對引進的兩種材質進行改進。在Cr30的基礎上加入了Ni和Cu元素，提高了其抗氯離子腐蝕的性能，改進后材料的企業代號為Cr30A。該材質由于其硬度較高，耐腐蝕耐磨蝕性能較好，用于制造漿液泵中旋轉件葉輪及與其配合的前后護板等零件。在2605基礎上，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性能，促進相平衡，消除因Mo含量提高造成材料脆性傾向增大的不利影響。改進后材料的企業代號2605N，其孔蝕抗力當量值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上，同時保證該泵的安全性。上述兩種材料，在西安交通大學鑄造和耐磨材料研究所，用取自珞潢電廠的脫硫循環漿液介質中，模擬實際運行工況進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，遠遠超過我國脫硫建設初期應用的高合金奧氏體不銹鋼1.4539、1.4529等材質。2、高效水力設計水力型線的確定主要經過了水力篩選、樣泵水力模型設計、計算機模擬流場設計校正、模型泵試制，水力試驗等幾個過程。在水力篩選的過程中，應用了我公司引進的專用于雙相流介質輸送的LC300/635型線，但考慮到原水力模型是針對礦漿輸送而設計，適應漿體特性范圍寬，如輸送漿液的含固量可達65%，最大可通過顆粒直徑達55mm，因而限制了泵效率的提高。而脫硫循環泵作為煙氣脫硫的專用設備，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、過流面積等參數進行了重新設計，并采用CFD（計算機模擬流場設計）技術，對實際流動進行模擬。通過對特征參數不斷調整，直到CFD顯示達到最佳。我們依據改進后LC300/635泵型，試制了模型泵，該模型泵經過國家工業泵質量監督檢驗中心的檢驗并出具了《泵檢驗報告》，流量1500m3/h,揚程25m，轉速740轉/分時，效率為82%。達到同口徑泵效率指標的國際先進水平。在試制成功模型泵的基礎上，經過相似核算及應用CFD（計算機模擬流場設計）技術，確定了600mm口徑泵的水力方案。樣品于2004年6月制造完成，經過水力測試，該泵流量4800m3/h,揚程20.6m時，效率達86%，完全符合半山電廠3＃漿液循環泵工位的性能要求。泵實際運行性能曲線與用CFD預測的性能曲線基本一致。在設計點上實際值與預測值完全相符。3.漿液循環泵的主要結構設計考慮到泵的安全可靠性和檢修維護的方便，主要采用了以下幾項結構設計。a.漿液循環泵是大流量泵，體積龐大，減少檢修工作量十分突出，因而采用“后開門”結構，在聯軸器部分設置中間節，檢修時拆下中間節，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、出口管線。b.一般清液泵設置前、后口環，而此泵代之以前后護板，既保證效率，也便于更換。c.為了使泵始終在高效點運轉，通過軸承組件的調節，可改變葉輪在泵體內的相對位置。d.采用了較小的長徑比（軸較粗），減少軸的動態撓度。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。其結構如左圖所示。金屬型漿液循環泵特　點綜述：a.結構簡單：采用超低碳含氮雙相不銹鋼技術，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　統內壓力及管線外力。克服了內外泵體采用不同材料的復雜結構。b.運行可靠：相對襯膠泵來說，無襯膠脫落之憂，不會造成系統特別是噴淋塔內噴嘴的堵塞，提高開車率。另外，小的長徑比，提高機械密封壽命；葉輪與軸的雙鍵聯接，抗反轉能力強，進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5萬小時以上。d.維修量小：長的壽命自然意味小的維修量，特別是更換泵體內襯需要進行的進、出口管線的拆卸，更是一項費時費力的檢修工作。三、國產化金屬漿液循環泵的工業運行考核。根據上述研究開發成果，襄樊五二五泵業有限公司與中國華電集團杭州半山發電有限公司合作，制造了一臺金屬漿液循環泵。該泵流量4800m3/h,揚程20.6m。于2004年7月15日安裝于半山發電有限公司脫硫島三號循環泵工位上。通過實際運行，泵的各項水力性能指標滿足工藝需要，機械性能穩定正常。從運轉三個月之后的檢修情況看，泵體、葉輪、護板等零件光亮如新，機加工痕跡清晰可見，說明耐腐蝕耐磨性滿足要求。到目前為止，已正常運行達4000小時。四、結論。襄樊五二五泵業有限公司研制的金屬型漿液循環泵，在華電集團半山發電有限公司2X125MW機上（1套脫硫島）成功地替代了進口泵，且已運行超過4000小時，證明金屬型漿液循環泵完全可以國產化。該試制泵選材上泵體采用超低碳含氮雙相不銹鋼，葉輪及前后護板選用高鉻耐蝕耐磨合金，充分應用引進雙相流泵技術進行的水力設計及結構設計；顯示了金屬型漿液循環泵壽命長、運行可靠、結構簡單、維修量小的獨特優點。作為國內獨家引進耐腐蝕耐磨蝕泵技術的軍工企業，襄樊五二五泵業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、機加及齊全的檢測設備，能夠生產流量自1500～12000m3/h，揚程自16～30m之間，適用于50MW至600MW機組濕法脫硫裝置的各種金屬漿液循環泵。金屬漿液循環泵的國產化成功給客戶多了一個選擇，必將對我國煙氣脫硫關鍵設備國產化產生一定的推動作用。