1 000 MW機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

(大唐環境產業集團股份有限公司 三門峽項目部，河南 三門峽 472000)

1 000 MW機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

(大唐環境產業集團股份有限公司 三門峽項目部，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中普遍存在的問題，極大地影響了脫硫系統和設備的安全穩定運行。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理和影響因素，通過對某1 000 MW機組脫硫裝置進行長期跟蹤監測試驗，分析找出了引起該吸收塔起泡溢流的原因并提出了相應的預防和應對措施。結果表明：入口煙氣粉塵含量、工藝水水質、石灰石品質等不合格將會引起吸收塔漿液起泡，而漿液循環泵、氧化風機等設備的擾動將會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

0 引言

石灰石-石膏濕法脫硫是目前技術最成熟、最普通的煙氣脫硫方法，廣泛應用于1 000 MW燃煤機組[1]。隨著我國大氣排放標準不斷提高，《燃煤電廠超低排放改造計劃》的實施以及日益嚴峻的環境問題，煙氣脫硫系統的安全穩定運行尤為重要，因此脫硫系統的精細化、專業化管理也是未來的趨勢[2]。然而，脫硫吸收塔漿液起泡溢流問題卻成為其安全運行的棘手問題，漿液起泡往往會造成虛假液位、吸收塔溢流、污染環境、增加耗能，造成泵的汽蝕等問題；嚴重時甚至影響引風機安全運行，造成整個機組的穩定行變差[3-4]。國內學者對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變為研究其根本原因。研究者普遍認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測手段[6]。為此，本文簡要分析了吸收塔泡沫生成的機理和影響因素，并對某1 000 MW燃煤機組脫硫裝置進行了長期的跟蹤監測試驗，研究分析了吸收塔漿液起泡溢流的影響因素，并提出了相應的預防和解決措施。

1 泡沫產生的機理和影響因素

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，泡沫是熱力學不穩定體系，液體中的泡沫由于重力的作用能夠自動逸出，溶液起泡的原因主要有3個方面[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)溶液中產生氣體或者進入空氣，例如氧化空氣的鼓入；(3)機械擾動，例如循泵的擾動等。

研究表明，泡沫穩定性的影響因素有：表面張力、溶液表面黏度、溶液泡沫雙氣-液界面結構液膜彈性、氣體通過雙氣-液界面結構液膜的擴散、雙氣-液界面結構表面電荷的影響、溶液中雜質分子結構的影響等[9]。其中，最主要的2個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

泡沫的穩定性是影響吸收塔漿液起泡的主要原因，可以從2個方面分析：一是進入吸收塔中的物質，主要包括石灰石、工藝水和煙氣等；二是設備擾動，包括漿液循環泵、氧化風機啟停的擾動以及托盤或湍流裝置的影響。本文對某1 000 MW燃煤機組脫硫系統進行了長期跟蹤監測，對入口煙氣、工藝水、石灰石化驗指標進行分析，結合氧化風機、漿液循環泵等設備對漿液的擾動影響，詳細地分析了吸收塔漿液起泡溢流的影響因素。

2.1 入口煙氣

入口原煙氣對吸收塔漿液有著直接的影響，煙塵、重金屬等超標可能會引起漿液中毒、起泡等現象。例如鍋爐投油或者燃燒不充分時，煙氣中會含有未燃燼的碳粒進入吸收塔，使得吸收塔漿液中的有機物含量增加引起起泡。鍋爐除塵器運行不佳會造成煙氣中粉塵濃度增加，其中的重金屬物質、Al2O3和Fe2O3等會增加吸收塔漿液的粘度，甚至發生皂化反應，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定性。2017年1月，該機組脫硫吸收塔漿液發生較嚴重的起泡溢流現象，期間石灰石質量合格，工藝水水質穩定，吸收塔發生起泡溢流現象，將吸收塔液位降低2 m后溢流現象減弱但仍有較多泡沫。

分析其原因，發現此段時間鍋爐在高負荷情況下(大于900 MW)，FGD入口含氧量僅為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為非結晶的細小顆粒，這些顆粒通過石膏旋流器后，絕大多數返回吸收塔本體，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，增強了泡沫的穩定性，最終造成吸收塔漿液起泡溢流。在主機調整電除塵運行狀況后，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重要因素。在國內發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、顆粒物聚集超標現象很普遍，例如內蒙古岱海電廠[6]158-159、江蘇射陽港電廠[10]、廣東粵電靖海發電廠[11]等均由于此問題而發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，水質在一定程度上影響著吸收塔的漿液品質。2017年2月，該機組脫硫吸收塔在起機后發生較嚴重的漿液起泡溢流現象(圖1所示)。此段時間，吸收塔液位低于正常運行液位2 m左右，該脫硫系統所用石灰石成分含量均滿足設計值要求，機組負荷、燃煤情況穩定，除塵器良好。分析原因可知，該脫硫系統工藝水幾乎全部來自循環冷卻水，由于起機初期循環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物，它起到表面活性劑的作用并且能夠提供較高的COD當量。化驗工藝水中的異噻唑酮濃度竟達199.34±8.23 mg/L，同時脫硫廢水中的化學COD也達169.6±5.6 mg/L。另一方面，水質不合格的低溫省煤器沖洗水全部由地溝進入吸收塔。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。隨后工藝水質有所好轉，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引起的。文獻[12]研究表明，循環水中的異噻唑啉酮殺菌劑進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定。

圖1 脫硫吸收塔漿液起泡溢流現象

從圖1中可以看出，漿液泡沫顏色偏黑，主要原因為漿液中的COD成分在吸收塔內不斷累積、分解、甚至碳化，導致漿液顏色變深。這些有害物質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。另據相關文獻報道：內蒙古岱海發電廠[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問題發生吸收塔漿液起泡溢流現象。文獻[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象的發生。

2.3 石灰石

進入脫硫吸收塔的物質，除了工藝水、煙氣，還有一個最重要的物質就是石灰石漿液。石灰石漿液的品質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和石膏品質等。石灰石中的惰性成分以及濕式球磨機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惡化，甚至會引起吸收塔起泡溢流。石灰石中Al2O3和微量金屬含量過多也會在吸收塔中聚集，起到與煙塵超標同樣的作用。另外，石灰石中的MgO含量超標，往往會造成漿液起泡。由于鎂離子的溶解度高于鈣離子，漿液中適當的MgO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晶和脫水，還會與SO42-反應，造成濾液中的溶解鹽增多，提高形成泡沫的彈性，增強泡沫的穩定性[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較差的漿液進入吸收塔過多；另一方面便是石灰石品質不合格。對石灰石進行化驗，發現其石灰石中MgO含量在4.61%～5.77%，觀察石灰石顏色偏青，而正常MgO化驗值在0.25%～1.17%之間；同時漿液中MgO含量也較往常偏多，達到3.29%～5.31%，由此可見，此次起泡主要由石灰石漿液品質造成。2012年6月，某電廠發生漿液起泡溢流現象，經分析原因為石灰石中MgO含量過大，最高達到5.83%[12]122；文獻[6]158在研究中也發現山東某電廠一次漿液起泡溢流的主要原因為石灰石品質不合格，其石灰石中MgO含量在3.53%～4.17%，酸不溶物達19.00%；文獻[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為石灰石中MgO含量過多(5.45%)。綜合現場實際和相關文獻可知，石灰石品質差特別是MgO含量過高是引起吸收塔漿液起泡的一個重要因素。

2.4 設備擾動

吸收塔相關設備啟停造成的擾動往往會加劇已起泡漿液的溢流。針對該機組脫硫吸收塔漿液起泡的情況，運行人員在操作方式上進行了優化，具體設備操作見表1。其中，A組數據表示低負荷下氧化風機啟停對相關參數的影響；B組數據表示連續負荷變化下漿液循環泵啟停對相關參數的影響。

從A組數據中可以看出，在負荷為519 MW、3臺循泵運行時吸收塔入口煙氣壓力為650 Pa，塔內湍流壓差為160 Pa。當氧化風量停運后，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，同時觀察到吸收塔溢流情況明顯變少。而在負荷漲至811 MW時，入口煙氣壓力增大了496.8 Pa，湍流壓差增大了72.1 Pa，重新啟動氧化風機后，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。這是因為吸收塔頂部漿液主要是氣液固三相狀態，而在漿液起泡時氣相分壓較大，氧化風的鼓入極大地增加了上部漿液擾動，不僅導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，導致上部壓力變送器測量值增大，液位升高。同時，由于上部漿液密度較低，增加的壓力足以使產生“虛假液位”的吸收塔上部漿液產生溢流。值得注意的是，氧化風機的啟停并不會對入口煙氣壓力和湍流壓差產生影響，因為氧化風量相對于煙氣量來說非常少，所以在氧化風機啟動時煙氣壓力的增加和湍流壓差的增加是由鍋爐負荷引起而不是氧化風機。

表1 設備操作對吸收塔漿液溢流影響

*注：“+”表示當前工況下啟動一臺循泵；“-”表示當前工況下停運一臺循泵。

從B組數據可以看出，在負荷連續上漲過程中，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組數據中，注意到氧化風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，當啟動A漿液循環泵時，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，此時觀察到吸收塔溢流迅速增大。在停運A漿液循環泵后，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，吸收塔溢流相應減少。分析其原因，當循泵啟動時，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。在這個過程中，噴淋層的漿液會在湍流管柵上形成一層液膜，這層液膜對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)，加上噴淋層產生的阻力(近似為入口煙氣壓力的增加)，煙氣會在漿液上部和湍流層下部聚集壓縮，造成此區域正壓增大，導致吸收塔上部壓力變送器測量值增大(頂部液位增大)，由于上部漿液密度低，增大的正壓導致已產生“虛假液位”的吸收塔大量溢流。

3 預防及控制措施

(1)預防吸收塔漿液起泡主要從進入吸收塔的物質方面進行監測控制。嚴格控制進入吸收塔工藝水質，重點關注其COD和有機物含量；若全部使用循環水，及時與主機溝通了解其阻垢劑殺菌劑使用情況，必要時更換工藝水[12]123。加強外購石灰石質量監督，嚴格控制石灰石含量中的MgO、Al2O3和Fe2O3含量。加強入口煙氣參數控制，參數異常時及時聯系主機調節燃煤、除塵工況。加強脫硫區域油脂、雨水、廢紙、木塊、木片等可能通過地溝進入吸收塔物質的控制，盡量避免其進入吸收塔。嚴格按照規范、規程定期監測吸收塔液相、固相成分。運行人員應加強監視，目前吸收塔大多均采用雙液位，發現液位差異常增大，則意味著漿液可能已經起泡，必須立即匯報做好漿液分析檢測等。

(2)若在運行過程中發現漿液起泡并已經溢流，首先可在起初加入消泡劑。但消泡劑只能緩解起泡，不能消除塔內漿液中的有害物質，并且消泡劑還會對脫硫效率產生副作用，可同時加入催化劑。其次可采用低負荷停運或降低氧化風量、減少漿液循環泵啟停、降低液位等方式減少漿液溢流，及時對起泡原因進行分析，加強漿液置換。增加廢水排放量，降低吸收塔漿液中飛灰、惰性物質、氯鹽、硫酸鹽等有助于泡沫穩定的物質濃度。

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

(4)改進吸收塔液位及密度測量裝置，尤其注意測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，密度比底部小得多，因此頂部液位往往比實際值偏小很多。在漿液起泡的時候，這種偏差更大，在某1 000 MW電廠曾發現吸收塔頂部液位顯示值比實際值低3.02 m，上部實際密度比密度計顯示值竟低了484 kg/m3。

4 結論

本文研究結果表明，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、石灰石品質等不合格將會對吸收塔漿液起泡起到較大的促進作用。漿液循環泵、氧化風機等吸收塔相關設備啟停對漿液的擾動會影響吸收塔起泡漿液的溢流情況，尤其是漿液循環泵的啟動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、停運漿液循環泵和氧化風機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、石灰石品質等進入吸收塔的物質方面來控制和預防。

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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，研究方向為火電廠環保技術。