康秦豪

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710021)

1 概述

石灰石-石膏濕法脫硫是燃煤電廠用于控制SO2排放限值的主要脫硫工藝，因其具有脫硫效率高、工藝成熟、能耗低、可調(diào)節(jié)性強(qiáng)的技術(shù)特點(diǎn)[1-2]，而得到廣泛的應(yīng)用。然而，隨著脫硫系統(tǒng)的長期運(yùn)行，脫硫吸收塔內(nèi)漿液品質(zhì)會發(fā)生惡化，從而導(dǎo)致漿液起泡溢流的現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴(yán)重影響脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

漿液起泡對脫硫吸收塔系統(tǒng)帶來的危害有[3-5]：1)漿液起泡溢流，吸收塔液位被迫降低，造成脫硫反應(yīng)氧化不足，漿液中亞硫酸鹽濃度升高，危害漿液品質(zhì)，影響石膏結(jié)晶；2)影響石膏排出泵的正常工作，嚴(yán)重時會引起泵的損壞，同時提高了漿液密度，使液位上漲；3)溢流漿液進(jìn)入煙道中，漿液中隨溶液滲入防腐內(nèi)襯及其毛細(xì)孔內(nèi)的硫酸鹽和亞硫酸鹽析出并結(jié)晶，體積膨脹，導(dǎo)致嚴(yán)重的剝離損壞；4)隨著吸收塔內(nèi)泡沫的累積，泡沫層高度越來越高，易造成“虛假液位”，嚴(yán)重影響脫硫效率；5)泡沫溢流至增壓風(fēng)機(jī)出口，沖擊風(fēng)機(jī)葉片，使得風(fēng)機(jī)因葉片磨損或斷裂而停運(yùn)。此外，在裝有GGH系統(tǒng)時，溢流漿液通過煙氣入口進(jìn)入GGH，引起GGH堵塞，影響GGH換熱效果，引起引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)電流升高，為了維持鍋爐爐膛負(fù)壓，被迫降低負(fù)荷；6)泡沫漿液溢流至吸收塔外部，造成機(jī)組設(shè)備運(yùn)行環(huán)境以及廠區(qū)環(huán)境惡化。

因此，對燃煤電廠脫硫吸收塔漿液起泡問題的準(zhǔn)確分析與診斷尤為重要。

2 漿液起泡機(jī)理

泡沫是氣相分散在液相中形成的多孔膜狀多分散體系[6]。通常，泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定的體系。在一定條件下，泡沫體系在力學(xué)上平衡，雖然能夠保持穩(wěn)定存在，環(huán)境一旦細(xì)微變化，就可能失穩(wěn)破碎。因此，泡沫體系屬于假穩(wěn)狀態(tài)[2]。在濕法脫硫吸收塔中，氣體和漿液充分接觸，形成產(chǎn)大量泡沫，由于密度差的作用，氣泡上浮至漿液表面，在漿液表面聚集，形成穩(wěn)定泡沫[5]。這些泡沫能較穩(wěn)定存在的原因有：存在一些表面活性分子，降低了液體表面張力[7]；一些不溶性固體物質(zhì)附著在液膜上，在一定程度上增加了液膜的黏度和機(jī)械強(qiáng)度[3]。隨著吸收塔內(nèi)泡沫層和起泡漿液的連續(xù)溢出，漿液中的大量氣泡上升到漿液表面并富集形成泡沫，進(jìn)而出現(xiàn)泡沫連續(xù)溢流的現(xiàn)象。

3 漿液起泡影響因素

由于石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)的復(fù)雜性，漿液起泡原因綜合起來可分為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)因素以及設(shè)備故障與擾動因素。

3.1 氣態(tài)影響因素

煙氣、氧化風(fēng)是主要的氣態(tài)影響因素：

1)煙氣中的煙塵、重金屬、鐵鋁的氧化物、殘?zhí)碱w粒和焦油等物質(zhì)進(jìn)入吸收塔內(nèi)，提高了吸收塔漿液黏度，增強(qiáng)了泡沫穩(wěn)定性，其中焦油和殘?zhí)碱w粒還會提高吸收塔漿液中有機(jī)物濃度[8]，并且會發(fā)生皂化反應(yīng)產(chǎn)生油膜[9]，吸收塔底部氧化風(fēng)的鼓入易造成漿液起泡溢流現(xiàn)象。

2)脫硫系統(tǒng)原煙氣中硫分的波動會導(dǎo)致氧化風(fēng)量不足或過量。氧化風(fēng)量不足時，亞硫酸鹽含量超標(biāo)，漿液黏度增加，易發(fā)生漿液起泡；相反，氧化風(fēng)量持續(xù)過量，會使?jié){液中的氣-液界面面積逐步增大，氣泡量增多，造成漿液起泡溢流[6]。

3.2 液態(tài)影響因素

工藝水、脫硫廢水是主要的液態(tài)影響因素。

1)工藝水補(bǔ)充水中有機(jī)成分的積累導(dǎo)致COD、BOD超標(biāo)，導(dǎo)致漿液惡化、顏色變深，黏度變大，氣泡穩(wěn)定不易消除；工藝水的補(bǔ)充水常來自由循環(huán)冷卻水，循環(huán)冷卻水中經(jīng)常會加入一些阻垢緩釋劑及以異噻唑啉酮為主要成分的殺菌劑，它們的加入不僅提高了漿液的COD當(dāng)量，還具有表面活性劑的作用降低了漿液表面張力，使得漿液容易起泡，并且泡沫不易破碎，能長時間穩(wěn)定存在，加消泡劑只能在短時間內(nèi)減弱漿液起泡程度，不能徹底消除此現(xiàn)象。

2)脫硫廢水品質(zhì)對于吸收塔內(nèi)漿液的品質(zhì)影響很大，如果廢水系統(tǒng)未能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將會使重金屬、氯離子、有機(jī)物、懸浮物及其他各種雜質(zhì)大量富集，使得漿液品質(zhì)逐漸惡化，加劇漿液起泡。

3.3 固態(tài)影響因素

石灰石中存在的一些成分以及設(shè)備自身帶有的成分進(jìn)入漿液也會加劇漿液起泡。

1)石灰石中鎂離子的溶解度高于鈣離子，石灰石中氧化鎂含量過高時，與硫酸根和亞硫酸根反應(yīng)產(chǎn)生大量溶解性鹽，增加了漿液中的溶解鹽濃度，進(jìn)而提高形成泡沫的彈性，增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性；石灰石中的惰性成分分散于吸收塔漿液中，引起吸收塔漿液惡化，同時易增加漿液黏度和泡沫穩(wěn)定性，使泡沫不易消散；吸收塔漿液中大量氧化鋁、微量金屬元素的存在，也會增強(qiáng)氣泡的機(jī)械強(qiáng)度，提高泡沫穩(wěn)定性。

2)此外，設(shè)備長期運(yùn)行會造成設(shè)備磨損，帶出的金屬元素等雜質(zhì)滲入石灰石漿液，例如濕磨機(jī)中鋼球磨損帶出的鉻、鎳等金屬元素會嚴(yán)重影響石膏漿液的品質(zhì)。

3.4 設(shè)備擾動與設(shè)備故障

設(shè)備啟停帶來的擾動以及設(shè)備故障因素也會引起漿液起泡溢流，氧化風(fēng)機(jī)或漿液循環(huán)泵的頻繁啟停因素和除霧器堵塞都會加劇漿液起泡。

1)吸收塔內(nèi)為正壓，如果氧化風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時驟停，勢必會導(dǎo)致液位的不穩(wěn)定，易出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，引起漿液與泡沫層的溢流。

2)漿液循環(huán)泵是影響吸收塔內(nèi)的漿液擾動的主要設(shè)備，運(yùn)行漿液循環(huán)泵的切換、頻繁啟停以及設(shè)備故障，也會擾亂氣液兩相的平衡，使得漿液起泡更容易發(fā)生。

3)除霧器堵塞時，除霧器堵塞會阻礙除霧器沖洗水進(jìn)入到吸收塔漿液內(nèi)，引起漿液密度、黏度升高，生成的泡沫不易消除，進(jìn)而造成漿液起泡溢流。

4 漿液起泡問題診斷方法

漿液起泡問題應(yīng)從氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、設(shè)備擾動等方面進(jìn)行分析，找出最主要的原因，這樣才能對癥下藥、治根治本。

1)監(jiān)測脫硫出入口煙塵濃度，若出脫硫出口煙塵濃度較入口有明顯降低，則吸收塔內(nèi)漿液中可能積累了大量煙塵，導(dǎo)致漿液惡化而起泡。提高除塵器除塵效率、降低脫硫入口粉塵濃度，若漿液起泡狀況明顯改善，則說明煙塵中有害成分的累積是漿液起泡的主要原因。

2)化驗工藝水水質(zhì)，分析其COD、Cl-、Mg2+、酸不溶物等關(guān)鍵性指標(biāo)是否異常，判斷工藝水的有機(jī)物積累、離子濃度、不溶物對吸收塔漿液有無影響。

3)對石灰石、石膏、漿液成分的化驗分析，重點(diǎn)關(guān)注Mg2+、F-、Cl-、酸不溶物等成分含量是否超標(biāo)，以分析出漿液起泡的原因。

4)對吸收塔所配氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵、除霧器等工作、運(yùn)行情況進(jìn)行考察，以判斷是否因為設(shè)備運(yùn)行操作不當(dāng)引起漿液品質(zhì)惡化，從而導(dǎo)致漿液起泡。

5 某廠漿液起泡問題分析實例

某電廠2號機(jī)組為600 MW亞臨界燃煤空冷機(jī)組，脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法液柱塔工藝。該廠2號機(jī)組于2020年5月5日啟機(jī)，5月22日漿液起泡嚴(yán)重。

在此次起泡事故前，其設(shè)備運(yùn)行狀況良好，氧化風(fēng)機(jī)與漿液循環(huán)泵未有頻繁啟停、電流波動大的狀況，除霧器兩側(cè)壓差較低，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，并且脫硫出入口粉塵質(zhì)量濃度變化量<5 mg/m3，需要對相關(guān)樣品進(jìn)行采樣分析，進(jìn)一步診斷漿液起泡的原因。起泡漿液相關(guān)樣品采樣分析結(jié)果列于第55頁表1。

分析表1中的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論如下：

表1 2號機(jī)組起泡漿液相關(guān)物質(zhì)采樣分析結(jié)果

1)工藝水中氯離子濃度偏高，使得進(jìn)入吸收塔漿液的氯離子不斷富集，造成吸收塔漿液品質(zhì)惡化，增加了漿液起泡風(fēng)險。

2)石灰石中有效成分含量偏低，雜質(zhì)成分MgO、SiO2、Fe2O3含量較高，特別是MgO含量超標(biāo)，導(dǎo)致漿液中大量鎂離子與硫酸根和亞硫酸根反應(yīng)產(chǎn)生溶解性鹽，增加了漿液中的溶解鹽濃度，使?jié){液黏度升高，提高了泡沫彈性。并且石灰石細(xì)度不合格，提高了吸收塔漿液的黏度，增強(qiáng)了生成泡沫的穩(wěn)定性。因此石灰石品質(zhì)及細(xì)度不合格為此次事故的主要原因。

3)吸收塔漿液中的Si、Mg、Al、F、Fe等元素含量過高，漿液品質(zhì)惡化，產(chǎn)出石膏中的CaSO4·2H2O偏低。并且由于石灰石漿液細(xì)度不合格，石膏中出現(xiàn)了大量的CaCO3，進(jìn)而導(dǎo)致石膏含水率過高，嚴(yán)重影響真空脫水皮帶機(jī)脫石膏的工作，造成吸收塔漿液密度升高而易發(fā)生漿液起泡。

該廠隨后更換了石灰石粉來源，漿液起泡現(xiàn)象得到了明顯遏制。

6 結(jié)語

石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行中吸收塔漿液起泡溢流，嚴(yán)重影響脫硫系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。文中介紹了漿液起泡機(jī)理，分析了漿液起泡的影響因素，提出了切實可行的診斷方法，并通過實例準(zhǔn)確分析出了漿液起泡原因，驗證了診斷方法的可靠性。