1 000 MW機(jī)組脫硫吸收塔漿液起泡溢流的影響因素

趙海江，劉黎偉，聶海濤

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 三門峽項(xiàng)目部，河南 三門峽 472000)

1 000 MW機(jī)組脫硫吸收塔漿液起泡溢流的影響因素

趙海江，劉黎偉，聶海濤

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 三門峽項(xiàng)目部，河南 三門峽 472000)

吸收塔漿液起泡溢流是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中普遍存在的問題，極大地影響了脫硫系統(tǒng)和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為探究吸收塔漿液起泡溢流的根本原因，介紹了吸收塔泡沫的生成機(jī)理和影響因素，通過對(duì)某1 000 MW機(jī)組脫硫裝置進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析找出了引起該吸收塔起泡溢流的原因并提出了相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施。結(jié)果表明：入口煙氣粉塵含量、工藝水水質(zhì)、石灰石品質(zhì)等不合格將會(huì)引起吸收塔漿液起泡，而漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)等設(shè)備的擾動(dòng)將會(huì)加劇吸收塔起泡漿液的溢流。

濕法脫硫；吸收塔漿液；泡沫；溢流；擾動(dòng)

0 引言

石灰石-石膏濕法脫硫是目前技術(shù)最成熟、最普通的煙氣脫硫方法，廣泛應(yīng)用于1 000 MW燃煤機(jī)組[1]。隨著我國大氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，《燃煤電廠超低排放改造計(jì)劃》的實(shí)施以及日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，煙氣脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，因此脫硫系統(tǒng)的精細(xì)化、專業(yè)化管理也是未來的趨勢(shì)[2]。然而，脫硫吸收塔漿液起泡溢流問題卻成為其安全運(yùn)行的棘手問題，漿液起泡往往會(huì)造成虛假液位、吸收塔溢流、污染環(huán)境、增加耗能，造成泵的汽蝕等問題；嚴(yán)重時(shí)甚至影響引風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，造成整個(gè)機(jī)組的穩(wěn)定行變差[3-4]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)漿液起泡溢流的研究也日趨增多，從研究解決溢流問題逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯科涓驹颉Ｑ芯空咂毡檎J(rèn)為漿液起泡是由多種因素綜合影響的，漿液起泡往往伴隨著吸收塔溢流[5]，但目前漿液起泡溢流仍缺乏一定的分析和監(jiān)測(cè)手段[6]。為此，本文簡(jiǎn)要分析了吸收塔泡沫生成的機(jī)理和影響因素，并對(duì)某1 000 MW燃煤機(jī)組脫硫裝置進(jìn)行了長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，研究分析了吸收塔漿液起泡溢流的影響因素，并提出了相應(yīng)的預(yù)防和解決措施。

1 泡沫產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素

泡沫是氣泡分散在液體中所形成的彼此之間以液膜隔離的多孔膜狀多分散體系[7]。一般情況下，泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，液體中的泡沫由于重力的作用能夠自動(dòng)逸出，溶液起泡的原因主要有3個(gè)方面[7-8]87：(1)漿液中含有類似表面活性劑的成分，例如異噻唑啉酮；(2)溶液中產(chǎn)生氣體或者進(jìn)入空氣，例如氧化空氣的鼓入；(3)機(jī)械擾動(dòng)，例如循泵的擾動(dòng)等。

研究表明，泡沫穩(wěn)定性的影響因素有：表面張力、溶液表面黏度、溶液泡沫雙氣-液界面結(jié)構(gòu)液膜彈性、氣體通過雙氣-液界面結(jié)構(gòu)液膜的擴(kuò)散、雙氣-液界面結(jié)構(gòu)表面電荷的影響、溶液中雜質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的影響等[9]。其中，最主要的2個(gè)因素是氣泡表面張力和溶液表面粘度，表面張力越小、溶液表面粘度越大，則越容易形成泡沫，因此要使泡沫破裂就需要增大其表面張力、減小表面粘度。

2 吸收塔漿液起泡溢流原因分析

泡沫的穩(wěn)定性是影響吸收塔漿液起泡的主要原因，可以從2個(gè)方面分析：一是進(jìn)入吸收塔中的物質(zhì)，主要包括石灰石、工藝水和煙氣等；二是設(shè)備擾動(dòng)，包括漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)啟停的擾動(dòng)以及托盤或湍流裝置的影響。本文對(duì)某1 000 MW燃煤機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)入口煙氣、工藝水、石灰石化驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵等設(shè)備對(duì)漿液的擾動(dòng)影響，詳細(xì)地分析了吸收塔漿液起泡溢流的影響因素。

2.1 入口煙氣

入口原煙氣對(duì)吸收塔漿液有著直接的影響，煙塵、重金屬等超標(biāo)可能會(huì)引起漿液中毒、起泡等現(xiàn)象。例如鍋爐投油或者燃燒不充分時(shí)，煙氣中會(huì)含有未燃燼的碳粒進(jìn)入吸收塔，使得吸收塔漿液中的有機(jī)物含量增加引起起泡。鍋爐除塵器運(yùn)行不佳會(huì)造成煙氣中粉塵濃度增加，其中的重金屬物質(zhì)、Al2O3和Fe2O3等會(huì)增加吸收塔漿液的粘度，甚至發(fā)生皂化反應(yīng)，在漿液表面形成油膜，引起吸收塔漿液起泡并增加泡沫的穩(wěn)定性。2017年1月，該機(jī)組脫硫吸收塔漿液發(fā)生較嚴(yán)重的起泡溢流現(xiàn)象，期間石灰石質(zhì)量合格，工藝水水質(zhì)穩(wěn)定，吸收塔發(fā)生起泡溢流現(xiàn)象，將吸收塔液位降低2 m后溢流現(xiàn)象減弱但仍有較多泡沫。

分析其原因，發(fā)現(xiàn)此段時(shí)間鍋爐在高負(fù)荷情況下(大于900 MW)，F(xiàn)GD入口含氧量?jī)H為3%左右，煤粉可能并未完全燃燒。FGD入口煙塵濃度在9.14～17.89 mg/Nm3左右，而FGD出口煙塵在1.87～3.45 mg/Nm3左右，可見吸收塔漿液捕集了大量的煙塵。而高負(fù)荷下煙塵中含有較多的未燃燼的碳粒、Al2O3和Fe2O3，其中Al2O3和Fe2O3為非結(jié)晶的細(xì)小顆粒，這些顆粒通過石膏旋流器后，絕大多數(shù)返回吸收塔本體，使得吸收塔本體中的煙塵不斷聚集，大大提高了漿液的粘度，增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性，最終造成吸收塔漿液起泡溢流。在主機(jī)調(diào)整電除塵運(yùn)行狀況后，入口煙塵在4.34～5.47 mg/Nm3，吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象有所緩解。這充分說明煙氣成分是影響吸收塔漿液起泡的一個(gè)重要因素。在國內(nèi)發(fā)生的吸收塔漿液起泡事件中，由除塵器效果不佳造成的重金屬、顆粒物聚集超標(biāo)現(xiàn)象很普遍，例如內(nèi)蒙古岱海電廠[6]158-159、江蘇射陽港電廠[10]、廣東粵電靖海發(fā)電廠[11]等均由于此問題而發(fā)生過吸收塔起泡溢流事件。

2.2 工藝水

工藝水是維持脫硫吸收塔水平衡最主要的因素，水質(zhì)在一定程度上影響著吸收塔的漿液品質(zhì)。2017年2月，該機(jī)組脫硫吸收塔在起機(jī)后發(fā)生較嚴(yán)重的漿液起泡溢流現(xiàn)象(圖1所示)。此段時(shí)間，吸收塔液位低于正常運(yùn)行液位2 m左右，該脫硫系統(tǒng)所用石灰石成分含量均滿足設(shè)計(jì)值要求，機(jī)組負(fù)荷、燃煤情況穩(wěn)定，除塵器良好。分析原因可知，該脫硫系統(tǒng)工藝水幾乎全部來自循環(huán)冷卻水，由于起機(jī)初期循環(huán)冷卻水中加入了較多緩蝕阻垢劑和殺菌劑，而殺菌劑其主要成分為異噻唑啉酮及其衍生物等有機(jī)物，它起到表面活性劑的作用并且能夠提供較高的COD當(dāng)量。化驗(yàn)工藝水中的異噻唑酮濃度竟達(dá)199.34±8.23 mg/L，同時(shí)脫硫廢水中的化學(xué)COD也達(dá)169.6±5.6 mg/L。另一方面，水質(zhì)不合格的低溫省煤器沖洗水全部由地溝進(jìn)入吸收塔。起泡期間，加消泡劑只能減弱起泡2 h左右，而置換漿液無明顯效果。隨后工藝水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，吸收塔起泡情況逐步減弱，由此可判斷出該吸收塔漿液起泡溢流主要是由工藝水水質(zhì)引起的。文獻(xiàn)[12]研究表明，循環(huán)水中的異噻唑啉酮?dú)⒕鷦┻M(jìn)入吸收塔漿液后起到了表面活性劑的作用，降低了溶液表面張力，使吸收塔極易起泡且泡沫非常穩(wěn)定。

圖1 脫硫吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象

從圖1中可以看出，漿液泡沫顏色偏黑，主要原因?yàn)闈{液中的COD成分在吸收塔內(nèi)不斷累積、分解、甚至碳化，導(dǎo)致漿液顏色變深。這些有害物質(zhì)極易聚集在吸收塔漿液表面，超出臨界膠束濃度后即以泡沫的形式存在于吸收塔液面之上[6]158。另據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道：內(nèi)蒙古岱海發(fā)電廠[6]158-159、天津國華盤山電廠[13]、江蘇利港電廠[14]等均曾因工藝水水質(zhì)問題發(fā)生吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象。文獻(xiàn)[15]的研究也表明，漿液中的COD在300～600 mg/L的高濃度下容易引起吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 石灰石

進(jìn)入脫硫吸收塔的物質(zhì)，除了工藝水、煙氣，還有一個(gè)最重要的物質(zhì)就是石灰石漿液。石灰石漿液的品質(zhì)不僅影響吸收塔脫硫效率，還在很大程度上影響吸收塔的漿液品質(zhì)和石膏品質(zhì)等。石灰石中的惰性成分以及濕式球磨機(jī)中鋼球磨損帶出的金屬元素(Cd、Ni等)在一定程度上容易引起吸收塔漿液品質(zhì)惡化，甚至?xí)鹞账鹋菀缌鳌Ｊ沂蠥l2O3和微量金屬含量過多也會(huì)在吸收塔中聚集，起到與煙塵超標(biāo)同樣的作用。另外，石灰石中的MgO含量超標(biāo)，往往會(huì)造成漿液起泡。由于鎂離子的溶解度高于鈣離子，漿液中適當(dāng)?shù)腗gO將有利于提高脫硫效率，但石灰石中MgO含量過多不僅影響結(jié)晶和脫水，還會(huì)與SO42-反應(yīng)，造成濾液中的溶解鹽增多，提高形成泡沫的彈性，增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性[16]。2017年3月，該吸收塔再次起泡。原因有兩方面：一方面是事故漿液箱品質(zhì)較差的漿液進(jìn)入吸收塔過多；另一方面便是石灰石品質(zhì)不合格。對(duì)石灰石進(jìn)行化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其石灰石中MgO含量在4.61%～5.77%，觀察石灰石顏色偏青，而正常MgO化驗(yàn)值在0.25%～1.17%之間；同時(shí)漿液中MgO含量也較往常偏多，達(dá)到3.29%～5.31%，由此可見，此次起泡主要由石灰石漿液品質(zhì)造成。2012年6月，某電廠發(fā)生漿液起泡溢流現(xiàn)象，經(jīng)分析原因?yàn)槭沂蠱gO含量過大，最高達(dá)到5.83%[12]122；文獻(xiàn)[6]158在研究中也發(fā)現(xiàn)山東某電廠一次漿液起泡溢流的主要原因?yàn)槭沂焚|(zhì)不合格，其石灰石中MgO含量在3.53%～4.17%，酸不溶物達(dá)19.00%；文獻(xiàn)[8]50在研究中表明，浙江某電廠吸收塔漿液起泡溢流的主要原因?yàn)槭沂蠱gO含量過多(5.45%)。綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和相關(guān)文獻(xiàn)可知，石灰石品質(zhì)差特別是MgO含量過高是引起吸收塔漿液起泡的一個(gè)重要因素。

2.4 設(shè)備擾動(dòng)

吸收塔相關(guān)設(shè)備啟停造成的擾動(dòng)往往會(huì)加劇已起泡漿液的溢流。針對(duì)該機(jī)組脫硫吸收塔漿液起泡的情況，運(yùn)行人員在操作方式上進(jìn)行了優(yōu)化，具體設(shè)備操作見表1。其中，A組數(shù)據(jù)表示低負(fù)荷下氧化風(fēng)機(jī)啟停對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響；B組數(shù)據(jù)表示連續(xù)負(fù)荷變化下漿液循環(huán)泵啟停對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響。

從A組數(shù)據(jù)中可以看出，在負(fù)荷為519 MW、3臺(tái)循泵運(yùn)行時(shí)吸收塔入口煙氣壓力為650 Pa，塔內(nèi)湍流壓差為160 Pa。當(dāng)氧化風(fēng)量停運(yùn)后，吸收塔入口壓力、湍流壓差和底部液位無明顯變化，但是吸收塔頂部液位卻降低了1.46 m，液位差降低了1.42 m，同時(shí)觀察到吸收塔溢流情況明顯變少。而在負(fù)荷漲至811 MW時(shí)，入口煙氣壓力增大了496.8 Pa，湍流壓差增大了72.1 Pa，重新啟動(dòng)氧化風(fēng)機(jī)后，吸收塔頂部液位升高了0.79 m，液位差增大了1.07 m，吸收塔溢流加劇。這是因?yàn)槲账敳繚{液主要是氣液固三相狀態(tài)，而在漿液起泡時(shí)氣相分壓較大，氧化風(fēng)的鼓入極大地增加了上部漿液擾動(dòng)，不僅導(dǎo)致漿液形成更多的泡沫，更使上部漿液中氣相分壓劇烈增加，導(dǎo)致上部壓力變送器測(cè)量值增大，液位升高。同時(shí)，由于上部漿液密度較低，增加的壓力足以使產(chǎn)生“虛假液位”的吸收塔上部漿液產(chǎn)生溢流。值得注意的是，氧化風(fēng)機(jī)的啟停并不會(huì)對(duì)入口煙氣壓力和湍流壓差產(chǎn)生影響，因?yàn)檠趸L(fēng)量相對(duì)于煙氣量來說非常少，所以在氧化風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)煙氣壓力的增加和湍流壓差的增加是由鍋爐負(fù)荷引起而不是氧化風(fēng)機(jī)。

表1 設(shè)備操作對(duì)吸收塔漿液溢流影響

*注：“+”表示當(dāng)前工況下啟動(dòng)一臺(tái)循泵；“-”表示當(dāng)前工況下停運(yùn)一臺(tái)循泵。

從B組數(shù)據(jù)可以看出，在負(fù)荷連續(xù)上漲過程中，吸收塔入口煙氣壓力、湍流壓差隨之增大，吸收塔頂部液位也增大，但這種增大是緩慢的。在B組數(shù)據(jù)中，注意到氧化風(fēng)量不變的情況下循泵的啟停直接影響到吸收塔入口煙氣壓力和湍流壓差。例如，當(dāng)啟動(dòng)A漿液循環(huán)泵時(shí)，吸收塔入口煙氣壓力增加了296.4 Pa，湍流壓差增大了72.6 Pa，頂部液位增加了0.91 m，液位差增加了0.87 m，此時(shí)觀察到吸收塔溢流迅速增大。在停運(yùn)A漿液循環(huán)泵后，吸收塔入口煙氣壓力降低了346.3 Pa，湍流壓差降低了46.7 Pa，頂部液位降低了0.85 m，吸收塔溢流相應(yīng)減少。分析其原因，當(dāng)循泵啟動(dòng)時(shí)，吸收塔底部液位降低，漿液通過噴淋層與通過湍流管柵的煙氣逆流接觸。在這個(gè)過程中，噴淋層的漿液會(huì)在湍流管柵上形成一層液膜，這層液膜對(duì)于提高吸收塔脫硫效率作用明顯，但是卻在一定程度上增加了煙氣阻力(200～400 Pa)，加上噴淋層產(chǎn)生的阻力(近似為入口煙氣壓力的增加)，煙氣會(huì)在漿液上部和湍流層下部聚集壓縮，造成此區(qū)域正壓增大，導(dǎo)致吸收塔上部壓力變送器測(cè)量值增大(頂部液位增大)，由于上部漿液密度低，增大的正壓導(dǎo)致已產(chǎn)生“虛假液位”的吸收塔大量溢流。

3 預(yù)防及控制措施

(1)預(yù)防吸收塔漿液起泡主要從進(jìn)入吸收塔的物質(zhì)方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。嚴(yán)格控制進(jìn)入吸收塔工藝水質(zhì)，重點(diǎn)關(guān)注其COD和有機(jī)物含量；若全部使用循環(huán)水，及時(shí)與主機(jī)溝通了解其阻垢劑殺菌劑使用情況，必要時(shí)更換工藝水[12]123。加強(qiáng)外購石灰石質(zhì)量監(jiān)督，嚴(yán)格控制石灰石含量中的MgO、Al2O3和Fe2O3含量。加強(qiáng)入口煙氣參數(shù)控制，參數(shù)異常時(shí)及時(shí)聯(lián)系主機(jī)調(diào)節(jié)燃煤、除塵工況。加強(qiáng)脫硫區(qū)域油脂、雨水、廢紙、木塊、木片等可能通過地溝進(jìn)入吸收塔物質(zhì)的控制，盡量避免其進(jìn)入吸收塔。嚴(yán)格按照規(guī)范、規(guī)程定期監(jiān)測(cè)吸收塔液相、固相成分。運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視，目前吸收塔大多均采用雙液位，發(fā)現(xiàn)液位差異常增大，則意味著漿液可能已經(jīng)起泡，必須立即匯報(bào)做好漿液分析檢測(cè)等。

(2)若在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)漿液起泡并已經(jīng)溢流，首先可在起初加入消泡劑。但消泡劑只能緩解起泡，不能消除塔內(nèi)漿液中的有害物質(zhì)，并且消泡劑還會(huì)對(duì)脫硫效率產(chǎn)生副作用，可同時(shí)加入催化劑。其次可采用低負(fù)荷停運(yùn)或降低氧化風(fēng)量、減少漿液循環(huán)泵啟停、降低液位等方式減少漿液溢流，及時(shí)對(duì)起泡原因進(jìn)行分析，加強(qiáng)漿液置換。增加廢水排放量，降低吸收塔漿液中飛灰、惰性物質(zhì)、氯鹽、硫酸鹽等有助于泡沫穩(wěn)定的物質(zhì)濃度。

(3)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，重新核算壓損和氧化空氣量，例如增大托盤開孔度，調(diào)整湍流管柵間距等，保證在高負(fù)荷下煙氣在托盤與塔內(nèi)漿液頂部之間的區(qū)域內(nèi)正壓在合適范圍內(nèi)。由于目前吸收塔多為正壓吸收塔，溢流管內(nèi)漿液高度要高于吸收塔實(shí)際液位，因此需要調(diào)整吸收塔溢流高度，增大溢流管排氣管直徑，增加排氣管沖洗水等。

(4)改進(jìn)吸收塔液位及密度測(cè)量裝置，尤其注意測(cè)定吸收塔頂部漿液密度。由于吸收塔頂部漿液處于氣液固三相狀態(tài)，密度比底部小得多，因此頂部液位往往比實(shí)際值偏小很多。在漿液起泡的時(shí)候，這種偏差更大，在某1 000 MW電廠曾發(fā)現(xiàn)吸收塔頂部液位顯示值比實(shí)際值低3.02 m，上部實(shí)際密度比密度計(jì)顯示值竟低了484 kg/m3。

4 結(jié)論

本文研究結(jié)果表明，吸收漿液起泡溢流往往是由多方面因素綜合引起的。其中吸收塔入口煙氣所含煙塵、工藝水水質(zhì)、石灰石品質(zhì)等不合格將會(huì)對(duì)吸收塔漿液起泡起到較大的促進(jìn)作用。漿液循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)等吸收塔相關(guān)設(shè)備啟停對(duì)漿液的擾動(dòng)會(huì)影響吸收塔起泡漿液的溢流情況，尤其是漿液循環(huán)泵的啟動(dòng)在一定情況下降直接加劇已起泡漿液的溢流。通過添加消泡劑、降低吸收塔液位、停運(yùn)漿液循環(huán)泵和氧化風(fēng)機(jī)等措施在一定程度上能夠減緩漿液起泡溢流，但要根本上解決漿液起泡溢流問題，仍需從吸收塔入口煙塵含量、工藝水水質(zhì)、石灰石品質(zhì)等進(jìn)入吸收塔的物質(zhì)方面來控制和預(yù)防。

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Influence Factors of Absorber Slurry Foaming Overflow in Wet Limestone-gypsum Flue Gas Desulphurization Systems of 1 000 MW Unit

ZHAO Haijiang, LIU Liwei, NIE Haitao

(Sanmenxia Project Department of Datang Environment Industry Group Co., Ltd., Sanmenxia 472000, China)

In wet limestone-gypsum flue gas desulfurization (FGD) process system, the foam-overflowing of the absorber slurry is a common phenomenon which has adverse impact on the regular operation of FGD systems.To find out the reasons for the foaming overflow, the formation mechanism and relevant factors were briefly introduced and a long-term track monitoring on the FGD systems of a 1 000 MW unit was conducted.The influence factors of the foam-overflowing problem were discussed in this paper.Moreover, several precautions and countermeasures were proposed.The results showed that the FGD flue gas dust concentration and unqualified process water and limestone will result in foaming in the absorber, while the overflowing phenomenon of the foamed slurry will be aggravated by the mechanical disturbance such as the slurry circulating pump and oxidation fan.

wet flue gas desulphurization; absorber slurry; foam; overflow; disturbance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.011

2017-04-09。

TM621；X701

A

1672-0792(2017)06-0067-05

趙海江(1988-)，男，工程師，研究方向?yàn)榛痣姀S環(huán)保技術(shù)。