脫硫塔內(nèi)漿液密度及pH值測量裝置的改進研究

孫園園，羅新華，熊 巍

(武漢立為工程技術有限公司，湖北 武漢 430000)

隨著大氣環(huán)保標準的不斷提高，國內(nèi)的燃煤電廠大多已完成了脫硫系統(tǒng)的建立，并進一步進行超低排放改造。石灰石-石膏濕法脫硫工藝是應用最廣泛的一種脫硫技術[1]，為了保證整個系統(tǒng)的可靠運行，需要大量的儀表來檢測系統(tǒng)的各項參數(shù)，如液位、壓力、溫度、密度等。吸收塔是濕法脫硫工藝的核心設備，塔內(nèi)漿液密度和pH值是判斷脫硫反應進行情況及運行人員進行相應操作調(diào)整的重要依據(jù)，與脫硫效率的高低和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行密切相關，需要重點監(jiān)測。

1 塔內(nèi)漿液密度和pH值對脫硫系統(tǒng)的影響

對于濕法脫硫工藝而言，煙氣中二氧化硫(SO2)的脫除主要經(jīng)歷4個步驟：SO2吸收、石灰石溶解、亞硫酸鈣的氧化和石膏的結晶，這些過程對漿液密度和pH值的需求不一致。

漿液的密度反映了漿液內(nèi)固體含量的高低，主要影響石膏的結晶。固體含量高，有利于提高脫硫效率和石膏純度，但會對泵、攪拌器等設備產(chǎn)生較大磨損，并可能出現(xiàn)嚴重的結垢現(xiàn)象；若固體含量過低，則石膏難以結晶和脫水。因此，在系統(tǒng)運行過程中，漿液密度是衡量石膏脫水系統(tǒng)啟停的重要標準。若漿液密度低于設定值，則漿液返回吸收塔進行再循環(huán)；若高于設定值，則漿液打至脫水系統(tǒng)[2]。

漿液的pH值與脫硫過程中化學反應的進行密切相關。pH值較高，有利于SO2的吸收，但對石灰石的溶解和亞硫酸鈣的氧化起抑制作用，容易引發(fā)結垢堵塞，導致石灰石利用率下降。反之，雖然有助于石灰石的溶解和亞硫酸鈣的氧化，但影響了SO2的吸收，脫硫效率降低，且設備腐蝕嚴重。因此，系統(tǒng)運行時，一般要求塔內(nèi)漿液的pH值維持在5.0～6.0[3]，并根據(jù)實際測量值與設計值之間的差異調(diào)整石灰石的進料量。

2 塔內(nèi)漿液密度和pH值的常規(guī)測量方式

2.1 塔內(nèi)漿液密度的常規(guī)測量方式

脫硫系統(tǒng)中常見的密度測量方式主要有差壓式密度計測量和質(zhì)量密度計測量2種。

差壓式密度計，通常在吸收塔壁或石灰漿液箱的不同高度開孔，中間連接差壓變送器，如圖1所示，通過測量不同高度液面間的差壓來計算漿液密度。

圖1 差壓式密度計測量示意圖

根據(jù)實際運行經(jīng)驗，差壓式密度計安裝在吸收塔壁時存在諸多問題。首先，吸收塔內(nèi)漿液由石膏漿液和石灰漿液混合而成，兩者比重不同，易形成分層，從而導致測量數(shù)據(jù)的代表性較差；其次，變送器毛細管一般裸露在空氣中，隨環(huán)境溫度的變化會產(chǎn)生溫漂，進而造成密度計算值產(chǎn)生偏差；另外，吸收塔內(nèi)裝有攪拌設備，且有氧化空氣不斷鼓入，因此在取樣口處容易形成氣泡，即導壓管堵塞積氣，導致漿液的壓力不能完全作用于感壓膜片上，使差壓測量值失真，從而影響密度值的準確性[4]。

汪洋等[5]曾設計了一種帶錐斗的柱形箱罐式的綜合測量裝置，在裝置的側壁上使用差壓式密度計，同時在箱罐上布pH計測口，能有效改善設備磨損嚴重的問題，但罐體設計較為復雜，成本相對較高。

質(zhì)量密度計通過測量管的振動頻率來計算流體密度，安裝方式如圖2所示。與差壓式密度計相比，質(zhì)量密度計具有測量精度高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。但在實際使用過程中，由于液體流速高，磨損比較嚴重，進而導致測量的零點經(jīng)常出現(xiàn)漂移，影響了測量結果的準確性。因此，需要頻繁地進行校驗和更換備品備件，維護成本相對較高。

另外，還有音叉式、浮球式及超聲波式等密度測量方式，但在脫硫系統(tǒng)中并未得到大范圍的應用[6]。

2.2 pH值的常規(guī)測量方式

圖2 質(zhì)量密度計測量示意圖

現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)中常見的pH值測量方式主要有浸入式、流經(jīng)式和插入式3種。由于pH值測量的重要性，大部分脫硫吸收塔pH計為雙重冗余配置。

浸入式布置如圖3所示，測量套管以45°傾角斜插入吸收塔漿液內(nèi)，隔離閥開啟時，套管內(nèi)充滿漿液，安裝在測量管頂部的電極測得數(shù)據(jù)，維護及校準時則將電極直接拔出。這種測量方式雖然易于維護，但很容易造成泄漏。另外，由于pH電極直接插入吸收塔漿液內(nèi)，塔內(nèi)流速相對較低，雖然對電極的磨損要小一些，但易結垢，沖洗也不能對探頭部位的玻璃復合電極進行全面沖洗[7]。

圖3 浸入式pH值測量示意圖

流經(jīng)式布置如圖4所示，是從石膏排出泵出口管道上引出1個支管，然后接兩路pH計，合并后返回到吸收塔，儀表的上游和下游均設置隔離閥，并在下游設置沖洗閥。這種測量方式要專門設置2個人字形測量筒，用于放置pH電極，由于測量筒處于高點，筒內(nèi)流速非常小，對于電極的磨損相應較小。但這種測量方式管道系統(tǒng)較復雜，并且由于pH計安裝在支管上，流量小，流速低，容易發(fā)生堵塞。

圖4 流經(jīng)式pH值測量示意圖

插入式布置是將pH探針直接插在石膏排出泵的出口母管上，流量大，流速高，但對于pH電極的磨損非常大，使用壽命較短，而且pH值易漂移，使測量結果不準確。

2.3 常見問題及處理

a. 磨損嚴重

在脫硫系統(tǒng)實際運行過程中，質(zhì)量密度計或pH電極經(jīng)常出現(xiàn)磨損的情況，導致測量值出現(xiàn)嚴重偏差，無法進行參數(shù)的檢測，這一般是由漿液濃度偏高、介質(zhì)流速過快引起的，因此在運行過程中要嚴格控制漿液的流速或流量。

b. 電極失效

如果pH計長時間用于測量強酸、強堿以及有機大分子物質(zhì)等溶液，就會使電極失去活性，導致示值失準，這時需要對電極進行復活清洗[8]。

c. 操作不當

部分脫硫項目在實際運行中操作不當，吸收塔長期高pH值運行，導致電極結垢或差壓密度計管口堵塞，這時需要用水進行反沖洗。因此，運行時應按照正常的操作方式，控制pH值在5.0～6.0。

d. 維護欠缺

pH計和密度計等化學分析儀表對維護的要求較高，但在很多項目投運后長期得不到維護，各電廠應定期進行設備檢查和維護。

3 對pH值及密度測量的改進應用

在某電廠超低排放改造項目中，對原有的pH值及密度測量裝置進行了改進，如圖5所示。pH計和密度計所需的測量漿液均從吸收塔底部同一根測量管道引出，由于吸收塔內(nèi)液位較高，漿液被自然壓出至吸收塔外部的測量裝置內(nèi)。首先，石膏漿液自上而下流經(jīng)密度計，通過密度計底部設置的文丘里管路來保證密度計內(nèi)的漿液充滿程度，從而達到密度計的測量要求，滿足測量精度，然后石膏漿液自下而上充滿pH計測量筒，并經(jīng)由測量筒頂部側面的溢流孔自流至地溝，通過安裝在pH計測量筒頂部的pH計取樣探頭實現(xiàn)對溢流石膏漿液pH值的測量。同時，pH計測量筒設置有底部排凈口，可以在裝置停用時對測量裝置管道內(nèi)的漿液進行清洗排空。

圖5 帶沖洗水防堵的吸收塔pH計及密度計測量裝置示意圖

測量裝置與吸收塔之間設置有隔離閥和沖洗閥，不僅保證了測量裝置的檢修隔離，而且當管路堵塞時，可分別對石膏漿液引出管路和測量裝置的測量管路進行沖洗。

與現(xiàn)有常規(guī)測量方式相比，該測量方式具有以下優(yōu)勢。

a. 無需在現(xiàn)有吸收塔上重新開孔或對其他系統(tǒng)管道進行改造，僅通過在吸收塔外部原pH計或密度計測量管口上增加測量管道即可滿足測量要求，方便用于現(xiàn)有pH值測量裝置和密度計測量裝置的設計升級與裝置改造。

b. pH計測量電極安裝在測量筒頂部，筒內(nèi)漿液流速為0.2～0.5 m/s，減輕了石膏漿液對pH計測量電極的沖刷，提高了石膏漿液pH值測量的穩(wěn)定性及準確度。

c. 在同一管路上對pH值和密度值進行測量，減少了管路系統(tǒng)和閥門配置，與現(xiàn)有常規(guī)的pH計和密度計測量裝置相比，設備維護量小。

d. 文丘里裝置的設置在保證密度測量準確性的基礎上也滿足了pH值測量的需要，保證了測量采樣的可靠性，測量精度高。

4 結束語

隨著國內(nèi)電廠超低排放改造工作的不斷推進，漿液pH值和密度值對于濕法脫硫系統(tǒng)中的過程控制愈加重要。因此，在加強測量裝置的日常維護(特別是沖洗和校準)的同時，需改進測量方式，提高測量精度，降低維護成本，從而提高脫硫系統(tǒng)控制的經(jīng)濟性，在保證超低排放效果的同時，保證脫硫系統(tǒng)安全、可靠運行。