火力發電廠濕法FGD系統中脫硫塔“虛假液位”機理研究

歐陽卓智　高良敏　李軍良　劉 璐　王瑤瑤

(安徽理工大學地球與環境學院， 安徽　淮南　232001)

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火力發電廠濕法FGD系統中脫硫塔“虛假液位”機理研究

歐陽卓智高良敏李軍良劉 璐王瑤瑤

(安徽理工大學地球與環境學院， 安徽淮南232001)

摘要：在火力發電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(FGD)系統中，脫硫吸收塔出現“虛假液位”、漿液起泡溢流等現象是較為常見的，會對FGD系統正常運行造成較大的危害。本文通過分析“虛假液位”及漿液起泡機理，從原料品質、漿液成分、運行狀況、工藝設計等方面總結了出現此現象的原因，并提出了相應預防和緩解“虛假液位”的措施，優選的解決方法是從監控手段和運行調整上進行預防，以期能最大限度延長設備的使用壽命、保證FGD系統的正常運行。

關鍵詞：濕法脫硫；虛假液位；漿液起泡；溢流；措施

我國的能源結構以煤為主，在能源結構中約占70%，這一狀況也將保持相當長的一段時間[1-2]。燃煤所產生的煙氣是生態環境惡化的最大污染源之一，絕大部分煤炭不經前處理就進入工業鍋爐內燃燒。其中火電行業耗煤量占所有燃煤消耗的50%以上，火電廠SO2排放量約占到全國SO2總排放量的52%[3]。火電行業節能減排勢在必行，控制行業SO2的排放量，既需要國家的合理規劃，更需要適合我國國情的低成本、低費用的脫硫技術。目前濕法煙氣脫硫技術約占燃煤電廠煙氣脫硫(FGD)的85%[4]，石灰石-石膏法是目前世界上技術最成熟、最實用、最穩定的濕法脫硫工藝，脫硫率保持在90%以上[5]。對于石灰石-石膏濕法脫硫工藝而言，脫硫吸收塔為核心裝置，在運行過程中，發現液位顯示正常吸收塔卻發生漿液起泡溢流，進而出現“虛假液位”現象，如果不及時采取有效措施抑制，將會影響FGD系統的穩定和安全運行。本文針對FGD系統中脫硫塔“虛假液位”現象，分析了“虛假液位”及漿液起泡機理，濕法FGD系統運行過程中吸收塔漿液起泡的各種原因，以及 “虛假液位”引發的危害，并提出了相應的改進措施。

1　“虛假液位”及起泡機理分析

1.1“虛假液位”機理分析

濕法FGD系統的運行過程中，由于大多數吸收塔液位采用差壓式液位計測量，脫硫控制系統(DCS)所顯示的液位是根據液位計測得的差壓以及漿液密度計算所得，而吸收塔內由于漿液起泡等原因引起 “虛假液位”現象[6]。 “虛假液位”遠高于顯示的液位，再加上底部漿液泵攪拌器攪拌、漿液噴淋、氧化空氣鼓入等因素的綜合影響而引起液位波動，出現液位顯示正常但漿液發生溢流[7]。此現象在無脫硫旁路的系統上更為常見。液位測量原理圖見圖1，液位H的計算方法如下:

H=H1+H2

(1)

H2=P·(ρ1g)-1

(2)

由(1)和(2)式可求得：

H=H1+P·(ρ1g)-1

(3)

式中:H為漿液池的高度；H1為壓力變送器至吸收塔底部高度；H2為壓力變送器至液面高度；P為壓力變送器測量值；ρ1為漿液密度值。

圖1　吸收塔液位測量原理示意圖

由于漿液起泡等原因，ρ1不能夠較為準確地反映H2處漿液密度。壓力變送器位于起泡位置之下，其測量值P無變化；密度計采用石膏排出泵管道旁路設置的方式進行測量，ρ1為吸收塔底部成品漿液密度，主要介質為固、液兩相。而H2處由于漿液起泡等原因，介質為固、液、氣三相，氧化空氣在漿液池中含量要更高一些，從而導致平均密度ρ2要小于測量值。由此可見，表計指示及信號反饋的準確度不高，實際液位H′要高于測量液位H，造成“虛假液位”[8-9]。 “虛假液位”出現時，運行人員很難及時察覺，如果起泡不斷加重，漿液將會發生溢流。溢流部位出現：一是脫硫吸收塔入口煙道內，若設有GGH(煙氣換熱器)，溢流嚴重時，將溢流至GGH側，導致GGH差壓明顯升高；二是從吸收塔溢流管處溢出[10-11]。

1.2漿液起泡機理分析

泡沫是氣體分散在液體中的分散體系[12]。在漿液池中，產生的氣體與漿液連續、充分地接觸，由于彼此密度相差較大，泡沫將運移到漿液表面，此時若漿液池表面的張力較小，氣體將沖破液面聚集成氣泡。起泡的最主要原因是FGD系統中存在其他成分雜質，增加了起泡液膜的機械強度以及穩定性。

2　“虛假液位”的原因分析

火電廠濕法FGD系統中脫硫吸收塔出現“虛假液位”以及漿液溢流等現象與漿液起泡有直接的聯系。具體原因歸納總結如下:

2.1原料品質

原料品質影響起泡主要有2個方面：石灰石品質和補充水水質。石灰石中適量的氧化鎂(MgO)有脫硫添加劑的功能，若MgO含量過高，會影響結晶以及脫水，而且會與硫酸根離子反應產生大量的泡沫，此反應即泡沫滅火器原理，此情況在電廠外購石灰石粉時易出現；脫硫吸收塔補充水水質如果達不到設計要求，COD、BOD等含量將超標，導致漿液品質逐漸惡化[13]。

2.2漿液成分變化

漿液中有機物、重金屬含量增加，導致漿液成分發生改變。有機物含量增加在取消脫硫旁路的工藝中更易出現，主要原因是灰塵中含有未燃盡的油類物質，油類物質來源主要有2個方面：檢修或實施煙道改造過程中的殘余物；鍋爐中助燃劑中未燃盡殘余物。漿液中重金屬的主要來源是原煙氣中的粉塵，煙粉塵濃度高的原因是除塵器運行不佳，或取消脫硫旁路的系統大量投油后，吸收塔的煙氣粉塵濃度超標，導致重金屬含量增高，在大量惰性物質的作用下，漿液液面表面張力增大，泡沫層的厚度增大，進而引發“虛假液位”[14-15]。

2.3FGD系統運行狀況

FGD系統氧化風機風量、設備啟停、電場除塵器振動間隔調整等運行狀況也會導致漿液起泡，從而增大了其動態液位的“虛假”值。氧化風量依據煤種含硫量將亞硫酸氫根充分氧化為硫酸根所需的量加一定的裕量來確定。如果氧化風量超過實際需要，而氧化風機又沒有相應的調節手段，多余的空氣都將以氣泡的形式從底部溢至漿液的表面，漿液中的氣—液界面面積逐步增大；在FGD系統中啟動漿液循環泵或氧化風機停止運行，則氣液平衡被破壞，勢必會出現“虛假液位”；末級除塵器振動間隔如果過短，造成細灰二次飛揚而進入吸收塔[16]。

2.4工藝設計

如果溢流管防虹吸門設計過小，使得管道不僅容易堵塞，且當漿液發生溢流時，也不能起到破壞虹吸的作用。

3　“虛假液位”的危害

在正常情況下，溢流的漿液通過溢流管進入排水坑，再經地坑泵打回脫硫吸收塔重復使用，不會造成影響。但溢流漿液量過大時，漿液就會進入到煙氣煙道中，引發各種事故并影響FGD系統正常運行，現將溢流的主要危害歸納如下：

(1)漿液進入除霧器，堵塞并腐蝕除霧器，嚴重時會使除霧器垮塌；溢流漿液進入原煙道，亞硫酸鹽和硫酸鹽溶液滲入防腐層內襯，當水分逐漸蒸發，晶體析出，體積發生膨脹，防腐內襯產生應力，導致防腐層脫落，基礎設施也會遭到腐蝕[17]；漿液還會在未作防腐的煙道中沉積，縮短其使用壽命和檢修周期；同時，溢流嚴重時會堵塞煙氣換熱器(GGH)并影響其換熱效果，造成爐膛負壓變正，嚴重時會導致爐膛無法維持負壓[18]。

(2)溢流漿液可通過煙道到達增壓風機出口，如果運行人員沒有及時發現，漿液會沖擊運行的風機葉片，造成葉片斷裂、風機停運等嚴重后果。如果FGD系統沒有設置旁路煙氣擋板，則主機也將停運。此時，風機停運必須檢修，而更換葉片則需要更長時間，這將會影響FGD系統的正常運行[19]。

(3)起泡溢流現象出現后運行液位降低，則脫硫反應氧化效果得不到保證，漿液品質逐漸惡化；煙道積灰現象加重，煙道阻力增加，影響鍋爐安全運行[20]。

(4)漿液起泡嚴重時，不僅漿液所含氣泡會陡增，漿液頂部泡沫層會加厚，石膏排出泵漿液所含氣泡也會急劇增多，導致該泵電流波動較大，從而造成泵頻繁損壞。

4　“虛假液位”的應對措施

通過對脫硫吸收塔“虛假液位”及漿液起泡原因及可能產生的危害分析，提出相應具體防止“虛假液位”的措施。

4.1FGD系統運行調整

首先對鍋爐啟動方式進行調節，避免啟動階段的灰塵以及油污等物質進入脫硫吸收塔；在保證氧化效果的條件下，啟停氧化風機適當降低吸收塔工作液位，防止漿液進入吸收塔入口煙道處；可定期分析實際所需氧化風量與供入氧化風量的關系，及時調整氧化風的供應量；需要對漿液pH值的靈敏性進行實時監控，靈敏性變差后應進行部分漿液置換；若發現泡沫，應及時加強除霧器的沖洗，水噴淋可減少泡沫積累，是消除氣泡的有效手段；定期打開疏水閥進行疏水，防止漿液到達增壓風機出口處。

4.2工藝改善

增大溢流管頂部破壞虹吸管的管徑，在最高點可以設置排空口，加大煙道傾斜度，如果溢流至煙道，則漿液可自動回流至吸收塔；并加裝沖洗水管，當漿液發生溢流時，開啟沖洗門，避免堵塞及漿液對設備的腐蝕；對液位的測量方式進行改進，采用密度計和差壓式變送器組合測量的方式，改進方法主要是在吸收塔的某處加裝一個壓力變送器，如圖2所示。

圖2　吸收塔改進液位測量原理示意圖

由于起泡時，石膏排出泵處密度不能反映塔內真實密度，故用1個換算密度ρ′表示起泡真實液位區的密度值：

ρ′=ΔP/(gΔH)

(1)

式中：ΔP=P1-P2，ΔH=H1-H2

(2)

則有吸收塔液位H′為：

H′=H0+P1/(ρ′g)

(3)

由式(2)與(3)得：

H′=H0+(P1ΔH)/ΔP

(4)

從公式推導可看出通過增加壓力測點的方法得出的液位避免了“虛假液位”的產生，運行人員可了解脫硫吸收塔內的實際液位情況。在實際運行操作中，將吸收塔石膏排出泵處測量得到的密度值與雙重測量原理得出的換算密度值進行比較[21]，當二者相差一定值時，設置系統報警，提醒運行人員進行系統狀態確認。

4.3質量控制

必須嚴格控制吸收塔補水水質，加強補水過濾和預處理，降低其COD、BOD含量，確保補充水的參數指標處于設計范圍；同時，控制原料石灰石中MgO的含量；加強廢水系統的管理，定期對相關水質進行檢測以及按要求排放脫硫廢水，以降低漿液中有機物、懸浮物、重金屬離子等雜質的含量，保證漿液的品質。

4.4添加脫硫專用消泡劑

運行人員發現漿液起泡時，可通過漿池加入消泡劑抑制起泡，在選擇消泡劑上必須有針對性，投放前可進行小型試驗。一般在取消脫硫旁路系統的機組啟動時若發生起泡現象，可采用有機硅類消泡劑[22-24]。消泡劑使用的量要適宜，過多的話將助長泡沫的生長。不過FGD系統添加消泡劑只能暫時緩解起泡問題，不能根本解決問題。

5　結語

實際運行中，針對吸收塔出現的“虛假液位”，一般處理辦法有2種：一是添加脫硫專用消泡劑；二是進行大量的漿液置換。這2種方法耗時長且造成一定的浪費，且脫硫效率均難以得到保證。因此優選的解決方法是從監控手段和運行調整上進行預防，把FGD系統中漿液氣泡產生的可能性降到最低。

吸收塔“虛假液位”是石灰石—石膏濕法脫硫系統中常見的問題之一，對系統運行有很大危害，必須加以重視。FGD系統運行過程中，應適時監控吸收塔漿液狀況，一旦出現漿液起泡及溢流，及時分析原因并采取有效措施，確保FGD系統的安全、穩定運行。

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收稿日期：2016-03-09；2016-04-11修回

作者簡介：歐陽卓智，男，1992年生，碩士研究生，研究方向：水污染控制、環境規劃與管理、環境化學等。E-mail:ouyangzhuozhi@163.com

中圖分類號：X51

文獻標志碼：A

Mechanism study on the "false liquid level" of desulfurization tower in the wet FGD system of thermal power plants

Ouyang Zhuozhi，Gao Liangmin，Li Junliang，Liu Lu，Wang Yaoyao

(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

Abstract:In the wet limestone-gypsum flue-gas desulfurization(FGD)system of thermal power plants, it's quite common for desulfurization absorber towers to have such circumstances as "false liquid level" and the foaming and spillover of seriflux, which greatly harms the regular operation of FGD system. This research based on analysis of "false liquid level" and mechanism of seriflux's foaming, summarizes the causes leading to these circumstances from aspects of material quality, seriflux components, operational conditions and craft design and proposes relative measures to prevent and alleviate "false liquid level". The optimum solution is to prevent through monitoring methods and operational adjustment in the hope of prolonging the service life for equipments and guaranteeing the regular operation of FGD system.

Keywords:wet desulfurization; false liquid level; foaming of seriflux; spillover; measures