火力發(fā)電廠濕法FGD系統(tǒng)中脫硫塔“虛假液位”機(jī)理研究

歐陽(yáng)卓智　高良敏　李軍良　劉 璐　王瑤瑤

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽　淮南　232001)

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火力發(fā)電廠濕法FGD系統(tǒng)中脫硫塔“虛假液位”機(jī)理研究

歐陽(yáng)卓智高良敏李軍良劉 璐王瑤瑤

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001)

摘要：在火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)中，脫硫吸收塔出現(xiàn)“虛假液位”、漿液起泡溢流等現(xiàn)象是較為常見(jiàn)的，會(huì)對(duì)FGD系統(tǒng)正常運(yùn)行造成較大的危害。本文通過(guò)分析“虛假液位”及漿液起泡機(jī)理，從原料品質(zhì)、漿液成分、運(yùn)行狀況、工藝設(shè)計(jì)等方面總結(jié)了出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，并提出了相應(yīng)預(yù)防和緩解“虛假液位”的措施，優(yōu)選的解決方法是從監(jiān)控手段和運(yùn)行調(diào)整上進(jìn)行預(yù)防，以期能最大限度延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命、保證FGD系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫；虛假液位；漿液起泡；溢流；措施

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，在能源結(jié)構(gòu)中約占70%，這一狀況也將保持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間[1-2]。燃煤所產(chǎn)生的煙氣是生態(tài)環(huán)境惡化的最大污染源之一，絕大部分煤炭不經(jīng)前處理就進(jìn)入工業(yè)鍋爐內(nèi)燃燒。其中火電行業(yè)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(guó)SO2總排放量的52%[3]。火電行業(yè)節(jié)能減排勢(shì)在必行，控制行業(yè)SO2的排放量，既需要國(guó)家的合理規(guī)劃，更需要適合我國(guó)國(guó)情的低成本、低費(fèi)用的脫硫技術(shù)。目前濕法煙氣脫硫技術(shù)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(shù)最成熟、最實(shí)用、最穩(wěn)定的濕法脫硫工藝，脫硫率保持在90%以上[5]。對(duì)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(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)液位顯示正常吸收塔卻發(fā)生漿液起泡溢流，進(jìn)而出現(xiàn)“虛假液位”現(xiàn)象，如果不及時(shí)采取有效措施抑制，將會(huì)影響FGD系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。本文針對(duì)FGD系統(tǒng)中脫硫塔“虛假液位”現(xiàn)象，分析了“虛假液位”及漿液起泡機(jī)理，濕法FGD系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中吸收塔漿液起泡的各種原因，以及 “虛假液位”引發(fā)的危害，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1　“虛假液位”及起泡機(jī)理分析

1.1“虛假液位”機(jī)理分析

濕法FGD系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，由于大多數(shù)吸收塔液位采用差壓式液位計(jì)測(cè)量，脫硫控制系統(tǒng)(DCS)所顯示的液位是根據(jù)液位計(jì)測(cè)得的差壓以及漿液密度計(jì)算所得，而吸收塔內(nèi)由于漿液起泡等原因引起 “虛假液位”現(xiàn)象[6]。 “虛假液位”遠(yuǎn)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(dòng)，出現(xiàn)液位顯示正常但漿液發(fā)生溢流[7]。此現(xiàn)象在無(wú)脫硫旁路的系統(tǒng)上更為常見(jiàn)。液位測(cè)量原理圖見(jiàn)圖1，液位H的計(jì)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(cè)量值；ρ1為漿液密度值。

圖1　吸收塔液位測(cè)量原理示意圖

由于漿液起泡等原因，ρ1不能夠較為準(zhǔn)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(cè)量值P無(wú)變化；密度計(jì)采用石膏排出泵管道旁路設(shè)置的方式進(jìn)行測(cè)量，ρ1為吸收塔底部成品漿液密度，主要介質(zhì)為固、液兩相。而H2處由于漿液起泡等原因，介質(zhì)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(dǎo)致平均密度ρ2要小于測(cè)量值。由此可見(jiàn)，表計(jì)指示及信號(hào)反饋的準(zhǔn)確度不高，實(shí)際液位H′要高于測(cè)量液位H，造成“虛假液位”[8-9]。 “虛假液位”出現(xiàn)時(shí)，運(yùn)行人員很難及時(shí)察覺(jué)，如果起泡不斷加重，漿液將會(huì)發(fā)生溢流。溢流部位出現(xiàn)：一是脫硫吸收塔入口煙道內(nèi)，若設(shè)有GGH(煙氣換熱器)，溢流嚴(yán)重時(shí)，將溢流至GGH側(cè)，導(dǎo)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(jī)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(chǎn)生的氣體與漿液連續(xù)、充分地接觸，由于彼此密度相差較大，泡沫將運(yùn)移到漿液表面，此時(shí)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(tǒng)中存在其他成分雜質(zhì)，增加了起泡液膜的機(jī)械強(qiáng)度以及穩(wěn)定性。

2　“虛假液位”的原因分析

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

2.1原料品質(zhì)

原料品質(zhì)影響起泡主要有2個(gè)方面：石灰石品質(zhì)和補(bǔ)充水水質(zhì)。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(guò)高，會(huì)影響結(jié)晶以及脫水，而且會(huì)與硫酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生大量的泡沫，此反應(yīng)即泡沫滅火器原理，此情況在電廠外購(gòu)石灰石粉時(shí)易出現(xiàn)；脫硫吸收塔補(bǔ)充水水質(zhì)如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，COD、BOD等含量將超標(biāo)，導(dǎo)致漿液品質(zhì)逐漸惡化[13]。

2.2漿液成分變化

漿液中有機(jī)物、重金屬含量增加，導(dǎo)致漿液成分發(fā)生改變。有機(jī)物含量增加在取消脫硫旁路的工藝中更易出現(xiàn)，主要原因是灰塵中含有未燃盡的油類物質(zhì)，油類物質(zhì)來(lái)源主要有2個(gè)方面：檢修或?qū)嵤煹栏脑爝^(guò)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(lái)源是原煙氣中的粉塵，煙粉塵濃度高的原因是除塵器運(yùn)行不佳，或取消脫硫旁路的系統(tǒng)大量投油后，吸收塔的煙氣粉塵濃度超標(biāo)，導(dǎo)致重金屬含量增高，在大量惰性物質(zhì)的作用下，漿液液面表面張力增大，泡沫層的厚度增大，進(jìn)而引發(fā)“虛假液位”[14-15]。

2.3FGD系統(tǒng)運(yùn)行狀況

FGD系統(tǒng)氧化風(fēng)機(jī)風(fēng)量、設(shè)備啟停、電場(chǎng)除塵器振動(dòng)間隔調(diào)整等運(yùn)行狀況也會(huì)導(dǎo)致漿液起泡，從而增大了其動(dòng)態(tài)液位的“虛假”值。氧化風(fēng)量依據(jù)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(lái)確定。如果氧化風(fēng)量超過(guò)實(shí)際需要，而氧化風(fēng)機(jī)又沒(méi)有相應(yīng)的調(diào)節(jié)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(tǒng)中啟動(dòng)漿液循環(huán)泵或氧化風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，則氣液平衡被破壞，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)“虛假液位”；末級(jí)除塵器振動(dòng)間隔如果過(guò)短，造成細(xì)灰二次飛揚(yáng)而進(jìn)入吸收塔[16]。

2.4工藝設(shè)計(jì)

如果溢流管防虹吸門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)小，使得管道不僅容易堵塞，且當(dāng)漿液發(fā)生溢流時(shí)，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(guò)溢流管進(jìn)入排水坑，再經(jīng)地坑泵打回脫硫吸收塔重復(fù)使用，不會(huì)造成影響。但溢流漿液量過(guò)大時(shí)，漿液就會(huì)進(jìn)入到煙氣煙道中，引發(fā)各種事故并影響FGD系統(tǒng)正常運(yùn)行，現(xiàn)將溢流的主要危害歸納如下：

(1)漿液進(jìn)入除霧器，堵塞并腐蝕除霧器，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使除霧器垮塌；溢流漿液進(jìn)入原煙道，亞硫酸鹽和硫酸鹽溶液滲入防腐層內(nèi)襯，當(dāng)水分逐漸蒸發(fā)，晶體析出，體積發(fā)生膨脹，防腐內(nèi)襯產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致防腐層脫落，基礎(chǔ)設(shè)施也會(huì)遭到腐蝕[17]；漿液還會(huì)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(shí)，溢流嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞煙氣換熱器(GGH)并影響其換熱效果，造成爐膛負(fù)壓變正，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛無(wú)法維持負(fù)壓[18]。

(2)溢流漿液可通過(guò)煙道到達(dá)增壓風(fēng)機(jī)出口，如果運(yùn)行人員沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，漿液會(huì)沖擊運(yùn)行的風(fēng)機(jī)葉片，造成葉片斷裂、風(fēng)機(jī)停運(yùn)等嚴(yán)重后果。如果FGD系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置旁路煙氣擋板，則主機(jī)也將停運(yùn)。此時(shí)，風(fēng)機(jī)停運(yùn)必須檢修，而更換葉片則需要更長(zhǎng)時(shí)間，這將會(huì)影響FGD系統(tǒng)的正常運(yùn)行[19]。

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

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

4　“虛假液位”的應(yīng)對(duì)措施

通過(guò)對(duì)脫硫吸收塔“虛假液位”及漿液起泡原因及可能產(chǎn)生的危害分析，提出相應(yīng)具體防止“虛假液位”的措施。

4.1FGD系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整

首先對(duì)鍋爐啟動(dòng)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免啟動(dòng)階段的灰塵以及油污等物質(zhì)進(jìn)入脫硫吸收塔；在保證氧化效果的條件下，啟停氧化風(fēng)機(jī)適當(dāng)降低吸收塔工作液位，防止?jié){液進(jìn)入吸收塔入口煙道處；可定期分析實(shí)際所需氧化風(fēng)量與供入氧化風(fēng)量的關(guān)系，及時(shí)調(diào)整氧化風(fēng)的供應(yīng)量；需要對(duì)漿液pH值的靈敏性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，靈敏性變差后應(yīng)進(jìn)行部分漿液置換；若發(fā)現(xiàn)泡沫，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)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(kāi)疏水閥進(jìn)行疏水，防止?jié){液到達(dá)增壓風(fēng)機(jī)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(diǎn)可以設(shè)置排空口，加大煙道傾斜度，如果溢流至煙道，則漿液可自動(dòng)回流至吸收塔；并加裝沖洗水管，當(dāng)漿液發(fā)生溢流時(shí)，開(kāi)啟沖洗門(mén)，避免堵塞及漿液對(duì)設(shè)備的腐蝕；對(duì)液位的測(cè)量方式進(jìn)行改進(jìn)，采用密度計(jì)和差壓式變送器組合測(cè)量的方式，改進(jìn)方法主要是在吸收塔的某處加裝一個(gè)壓力變送器，如圖2所示。

圖2　吸收塔改進(jìn)液位測(cè)量原理示意圖

由于起泡時(shí)，石膏排出泵處密度不能反映塔內(nèi)真實(shí)密度，故用1個(gè)換算密度ρ′表示起泡真實(shí)液位區(qū)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(dǎo)可看出通過(guò)增加壓力測(cè)點(diǎn)的方法得出的液位避免了“虛假液位”的產(chǎn)生，運(yùn)行人員可了解脫硫吸收塔內(nèi)的實(shí)際液位情況。在實(shí)際運(yùn)行操作中，將吸收塔石膏排出泵處測(cè)量得到的密度值與雙重測(cè)量原理得出的換算密度值進(jìn)行比較[21]，當(dāng)二者相差一定值時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警，提醒運(yùn)行人員進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)確認(rèn)。

4.3質(zhì)量控制

必須嚴(yán)格控制吸收塔補(bǔ)水水質(zhì)，加強(qiáng)補(bǔ)水過(guò)濾和預(yù)處理，降低其COD、BOD含量，確保補(bǔ)充水的參數(shù)指標(biāo)處于設(shè)計(jì)范圍；同時(shí)，控制原料石灰石中MgO的含量；加強(qiáng)廢水系統(tǒng)的管理，定期對(duì)相關(guān)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)以及按要求排放脫硫廢水，以降低漿液中有機(jī)物、懸浮物、重金屬離子等雜質(zhì)的含量，保證漿液的品質(zhì)。

4.4添加脫硫?qū)Ｓ孟輨?/p>

運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)漿液起泡時(shí)，可通過(guò)漿池加入消泡劑抑制起泡，在選擇消泡劑上必須有針對(duì)性，投放前可進(jìn)行小型試驗(yàn)。一般在取消脫硫旁路系統(tǒng)的機(jī)組啟動(dòng)時(shí)若發(fā)生起泡現(xiàn)象，可采用有機(jī)硅類消泡劑[22-24]。消泡劑使用的量要適宜，過(guò)多的話將助長(zhǎng)泡沫的生長(zhǎng)。不過(guò)FGD系統(tǒng)添加消泡劑只能暫時(shí)緩解起泡問(wèn)題，不能根本解決問(wèn)題。

5　結(jié)語(yǔ)

實(shí)際運(yùn)行中，針對(duì)吸收塔出現(xiàn)的“虛假液位”，一般處理辦法有2種：一是添加脫硫?qū)Ｓ孟輨?；二是進(jìn)行大量的漿液置換。這2種方法耗時(shí)長(zhǎng)且造成一定的浪費(fèi)，且脫硫效率均難以得到保證。因此優(yōu)選的解決方法是從監(jiān)控手段和運(yùn)行調(diào)整上進(jìn)行預(yù)防，把FGD系統(tǒng)中漿液氣泡產(chǎn)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(tǒng)中常見(jiàn)的問(wèn)題之一，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有很大危害，必須加以重視。FGD系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)適時(shí)監(jiān)控吸收塔漿液狀況，一旦出現(xiàn)漿液起泡及溢流，及時(shí)分析原因并采取有效措施，確保FGD系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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收稿日期：2016-03-09；2016-04-11修回

作者簡(jiǎn)介：歐陽(yáng)卓智，男，1992年生，碩士研究生，研究方向：水污染控制、環(huán)境規(guī)劃與管理、環(huán)境化學(xué)等。E-mail:ouyangzhuozhi@163.com

中圖分類號(hào)：X51

文獻(xiàn)標(biāo)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