火力发电厂湿法FGD系统中脱硫塔“虚假液位”机理研究

欧阳卓智　高良敏　李军良　刘 璐　王瑶瑶

(安徽理工大学地球与环境学院， 安徽　淮南　232001)



火力发电厂湿法FGD系统中脱硫塔“虚假液位”机理研究

欧阳卓智高良敏李军良刘 璐王瑶瑶

(安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001)

摘要：在火力发电厂石灰石-石膏湿法烟气脱硫(FGD)系统中，脱硫吸收塔出现“虚假液位”、浆液起泡溢流等现象是较为常见的，会对FGD系统正常运行造成较大的危害。本文通过分析“虚假液位”及浆液起泡机理，从原料品质、浆液成分、运行状况、工艺设计等方面总结了出现此现象的原因，并提出了相应预防和缓解“虚假液位”的措施，优选的解决方法是从监控手段和运行调整上进行预防，以期能最大限度延长设备的使用寿命、保证FGD系统的正常运行。

关键词：湿法脱硫；虚假液位；浆液起泡；溢流；措施

我国的能源结构以煤为主，在能源结构中约占70%，这一状况也将保持相当长的一段时间[1-2]。燃煤所产生的烟气是生态环境恶化的最大污染源之一，绝大部分煤炭不经前处理就进入工业锅炉内燃烧。其中火电行业耗煤量占所有燃煤消耗的50%以上，火电厂SO2排放量约占到全国SO2总排放量的52%[3]。火电行业节能减排势在必行，控制行业SO2的排放量，既需要国家的合理规划，更需要适合我国国情的低成本、低费用的脱硫技术。目前湿法烟气脱硫技术约占燃煤电厂烟气脱硫(FGD)的85%[4]，石灰石-石膏法是目前世界上技术最成熟、最实用、最稳定的湿法脱硫工艺，脱硫率保持在90%以上[5]。对于石灰石-石膏湿法脱硫工艺而言，脱硫吸收塔为核心装置，在运行过程中，发现液位显示正常吸收塔却发生浆液起泡溢流，进而出现“虚假液位”现象，如果不及时采取有效措施抑制，将会影响FGD系统的稳定和安全运行。本文针对FGD系统中脱硫塔“虚假液位”现象，分析了“虚假液位”及浆液起泡机理，湿法FGD系统运行过程中吸收塔浆液起泡的各种原因，以及 “虚假液位”引发的危害，并提出了相应的改进措施。

1　“虚假液位”及起泡机理分析

1.1“虚假液位”机理分析

湿法FGD系统的运行过程中，由于大多数吸收塔液位采用差压式液位计测量，脱硫控制系统(DCS)所显示的液位是根据液位计测得的差压以及浆液密度计算所得，而吸收塔内由于浆液起泡等原因引起 “虚假液位”现象[6]。 “虚假液位”远高于显示的液位，再加上底部浆液泵搅拌器搅拌、浆液喷淋、氧化空气鼓入等因素的综合影响而引起液位波动，出现液位显示正常但浆液发生溢流[7]。此现象在无脱硫旁路的系统上更为常见。液位测量原理图见图1，液位H的计算方法如下:

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为浆液池的高度；H1为压力变送器至吸收塔底部高度；H2为压力变送器至液面高度；P为压力变送器测量值；ρ1为浆液密度值。

图1　吸收塔液位测量原理示意图

由于浆液起泡等原因，ρ1不能够较为准确地反映H2处浆液密度。压力变送器位于起泡位置之下，其测量值P无变化；密度计采用石膏排出泵管道旁路设置的方式进行测量，ρ1为吸收塔底部成品浆液密度，主要介质为固、液两相。而H2处由于浆液起泡等原因，介质为固、液、气三相，氧化空气在浆液池中含量要更高一些，从而导致平均密度ρ2要小于测量值。由此可见，表计指示及信号反馈的准确度不高，实际液位H′要高于测量液位H，造成“虚假液位”[8-9]。 “虚假液位”出现时，运行人员很难及时察觉，如果起泡不断加重，浆液将会发生溢流。溢流部位出现：一是脱硫吸收塔入口烟道内，若设有GGH(烟气换热器)，溢流严重时，将溢流至GGH侧，导致GGH差压明显升高；二是从吸收塔溢流管处溢出[10-11]。

1.2浆液起泡机理分析

泡沫是气体分散在液体中的分散体系[12]。在浆液池中，产生的气体与浆液连续、充分地接触，由于彼此密度相差较大，泡沫将运移到浆液表面，此时若浆液池表面的张力较小，气体将冲破液面聚集成气泡。起泡的最主要原因是FGD系统中存在其他成分杂质，增加了起泡液膜的机械强度以及稳定性。

2　“虚假液位”的原因分析

火电厂湿法FGD系统中脱硫吸收塔出现“虚假液位”以及浆液溢流等现象与浆液起泡有直接的联系。具体原因归纳总结如下:

2.1原料品质

原料品质影响起泡主要有2个方面：石灰石品质和补充水水质。石灰石中适量的氧化镁(MgO)有脱硫添加剂的功能，若MgO含量过高，会影响结晶以及脱水，而且会与硫酸根离子反应产生大量的泡沫，此反应即泡沫灭火器原理，此情况在电厂外购石灰石粉时易出现；脱硫吸收塔补充水水质如果达不到设计要求，COD、BOD等含量将超标，导致浆液品质逐渐恶化[13]。

2.2浆液成分变化

浆液中有机物、重金属含量增加，导致浆液成分发生改变。有机物含量增加在取消脱硫旁路的工艺中更易出现，主要原因是灰尘中含有未燃尽的油类物质，油类物质来源主要有2个方面：检修或实施烟道改造过程中的残余物；锅炉中助燃剂中未燃尽残余物。浆液中重金属的主要来源是原烟气中的粉尘，烟粉尘浓度高的原因是除尘器运行不佳，或取消脱硫旁路的系统大量投油后，吸收塔的烟气粉尘浓度超标，导致重金属含量增高，在大量惰性物质的作用下，浆液液面表面张力增大，泡沫层的厚度增大，进而引发“虚假液位”[14-15]。

2.3FGD系统运行状况

FGD系统氧化风机风量、设备启停、电场除尘器振动间隔调整等运行状况也会导致浆液起泡，从而增大了其动态液位的“虚假”值。氧化风量依据煤种含硫量将亚硫酸氢根充分氧化为硫酸根所需的量加一定的裕量来确定。如果氧化风量超过实际需要，而氧化风机又没有相应的调节手段，多余的空气都将以气泡的形式从底部溢至浆液的表面，浆液中的气—液界面面积逐步增大；在FGD系统中启动浆液循环泵或氧化风机停止运行，则气液平衡被破坏，势必会出现“虚假液位”；末级除尘器振动间隔如果过短，造成细灰二次飞扬而进入吸收塔[16]。

2.4工艺设计

如果溢流管防虹吸门设计过小，使得管道不仅容易堵塞，且当浆液发生溢流时，也不能起到破坏虹吸的作用。

3　“虚假液位”的危害

在正常情况下，溢流的浆液通过溢流管进入排水坑，再经地坑泵打回脱硫吸收塔重复使用，不会造成影响。但溢流浆液量过大时，浆液就会进入到烟气烟道中，引发各种事故并影响FGD系统正常运行，现将溢流的主要危害归纳如下：

(1)浆液进入除雾器，堵塞并腐蚀除雾器，严重时会使除雾器垮塌；溢流浆液进入原烟道，亚硫酸盐和硫酸盐溶液渗入防腐层内衬，当水分逐渐蒸发，晶体析出，体积发生膨胀，防腐内衬产生应力，导致防腐层脱落，基础设施也会遭到腐蚀[17]；浆液还会在未作防腐的烟道中沉积，缩短其使用寿命和检修周期；同时，溢流严重时会堵塞烟气换热器(GGH)并影响其换热效果，造成炉膛负压变正，严重时会导致炉膛无法维持负压[18]。

(2)溢流浆液可通过烟道到达增压风机出口，如果运行人员没有及时发现，浆液会冲击运行的风机叶片，造成叶片断裂、风机停运等严重后果。如果FGD系统没有设置旁路烟气挡板，则主机也将停运。此时，风机停运必须检修，而更换叶片则需要更长时间，这将会影响FGD系统的正常运行[19]。

(3)起泡溢流现象出现后运行液位降低，则脱硫反应氧化效果得不到保证，浆液品质逐渐恶化；烟道积灰现象加重，烟道阻力增加，影响锅炉安全运行[20]。

(4)浆液起泡严重时，不仅浆液所含气泡会陡增，浆液顶部泡沫层会加厚，石膏排出泵浆液所含气泡也会急剧增多，导致该泵电流波动较大，从而造成泵频繁损坏。

4　“虚假液位”的应对措施

通过对脱硫吸收塔“虚假液位”及浆液起泡原因及可能产生的危害分析，提出相应具体防止“虚假液位”的措施。

4.1FGD系统运行调整

首先对锅炉启动方式进行调节，避免启动阶段的灰尘以及油污等物质进入脱硫吸收塔；在保证氧化效果的条件下，启停氧化风机适当降低吸收塔工作液位，防止浆液进入吸收塔入口烟道处；可定期分析实际所需氧化风量与供入氧化风量的关系，及时调整氧化风的供应量；需要对浆液pH值的灵敏性进行实时监控，灵敏性变差后应进行部分浆液置换；若发现泡沫，应及时加强除雾器的冲洗，水喷淋可减少泡沫积累，是消除气泡的有效手段；定期打开疏水阀进行疏水，防止浆液到达增压风机出口处。

4.2工艺改善

增大溢流管顶部破坏虹吸管的管径，在最高点可以设置排空口，加大烟道倾斜度，如果溢流至烟道，则浆液可自动回流至吸收塔；并加装冲洗水管，当浆液发生溢流时，开启冲洗门，避免堵塞及浆液对设备的腐蚀；对液位的测量方式进行改进，采用密度计和差压式变送器组合测量的方式，改进方法主要是在吸收塔的某处加装一个压力变送器，如图2所示。

图2　吸收塔改进液位测量原理示意图

由于起泡时，石膏排出泵处密度不能反映塔内真实密度，故用1个换算密度ρ′表示起泡真实液位区的密度值：

ρ′=ΔP/(gΔH)

(1)

式中：ΔP=P1-P2，ΔH=H1-H2

(2)

则有吸收塔液位H′为：

H′=H0+P1/(ρ′g)

(3)

由式(2)与(3)得：

H′=H0+(P1ΔH)/ΔP

(4)

从公式推导可看出通过增加压力测点的方法得出的液位避免了“虚假液位”的产生，运行人员可了解脱硫吸收塔内的实际液位情况。在实际运行操作中，将吸收塔石膏排出泵处测量得到的密度值与双重测量原理得出的换算密度值进行比较[21]，当二者相差一定值时，设置系统报警，提醒运行人员进行系统状态确认。

4.3质量控制

必须严格控制吸收塔补水水质，加强补水过滤和预处理，降低其COD、BOD含量，确保补充水的参数指标处于设计范围；同时，控制原料石灰石中MgO的含量；加强废水系统的管理，定期对相关水质进行检测以及按要求排放脱硫废水，以降低浆液中有机物、悬浮物、重金属离子等杂质的含量，保证浆液的品质。

4.4添加脱硫专用消泡剂

运行人员发现浆液起泡时，可通过浆池加入消泡剂抑制起泡，在选择消泡剂上必须有针对性，投放前可进行小型试验。一般在取消脱硫旁路系统的机组启动时若发生起泡现象，可采用有机硅类消泡剂[22-24]。消泡剂使用的量要适宜，过多的话将助长泡沫的生长。不过FGD系统添加消泡剂只能暂时缓解起泡问题，不能根本解决问题。

5　结语

实际运行中，针对吸收塔出现的“虚假液位”，一般处理办法有2种：一是添加脱硫专用消泡剂；二是进行大量的浆液置换。这2种方法耗时长且造成一定的浪费，且脱硫效率均难以得到保证。因此优选的解决方法是从监控手段和运行调整上进行预防，把FGD系统中浆液气泡产生的可能性降到最低。

吸收塔“虚假液位”是石灰石—石膏湿法脱硫系统中常见的问题之一，对系统运行有很大危害，必须加以重视。FGD系统运行过程中，应适时监控吸收塔浆液状况，一旦出现浆液起泡及溢流，及时分析原因并采取有效措施，确保FGD系统的安全、稳定运行。

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收稿日期：2016-03-09；2016-04-11修回

作者简介：欧阳卓智，男，1992年生，硕士研究生，研究方向：水污染控制、环境规划与管理、环境化学等。E-mail:ouyangzhuozhi@163.com

中图分类号：X51

文献标志码：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