脫硫塔內漿液密度及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)

隨著大氣環保標準的不斷提高，國內的燃煤電廠大多已完成了脫硫系統的建立，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]，為了保證整個系統的可靠運行，需要大量的儀表來檢測系統的各項參數，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整的重要依據，與脫硫效率的高低和系統的穩定運行密切相關，需要重點監測。

1 塔內漿液密度和pH值對脫硫系統的影響

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、攪拌器等設備產生較大磨損，并可能出現嚴重的結垢現象；若固體含量過低，則石膏難以結晶和脫水。因此，在系統運行過程中，漿液密度是衡量石膏脫水系統啟停的重要標準。若漿液密度低于設定值，則漿液返回吸收塔進行再循環；若高于設定值，則漿液打至脫水系統[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，系統運行時，一般要求塔內漿液的pH值維持在5.0～6.0[3]，并根據實際測量值與設計值之間的差異調整石灰石的進料量。

2 塔內漿液密度和pH值的常規測量方式

2.1 塔內漿液密度的常規測量方式

脫硫系統中常見的密度測量方式主要有差壓式密度計測量和質量密度計測量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

根據實際運行經驗，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，從而導致測量數據的代表性較差；其次，變送器毛細管一般裸露在空氣中，隨環境溫度的變化會產生溫漂，進而造成密度計算值產生偏差；另外，吸收塔內裝有攪拌設備，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，質量密度計具有測量精度高、運行穩定等優點。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常出現漂移，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，但在脫硫系統中并未得到大范圍的應用[6]。

2.2 pH值的常規測量方式

圖2 質量密度計測量示意圖

現有脫硫系統中常見的pH值測量方式主要有浸入式、流經式和插入式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，隔離閥開啟時，套管內充滿漿液，安裝在測量管頂部的電極測得數據，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，塔內流速相對較低，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較復雜，并且由于pH計安裝在支管上，流量小，流速低，容易發生堵塞。

圖4 流經式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

在脫硫系統實際運行過程中，質量密度計或pH電極經常出現磨損的情況，導致測量值出現嚴重偏差，無法進行參數的檢測，這一般是由漿液濃度偏高、介質流速過快引起的，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，由于吸收塔內液位較高，漿液被自然壓出至吸收塔外部的測量裝置內。首先，石膏漿液自上而下流經密度計，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。

與現有常規測量方式相比，該測量方式具有以下優勢。

a. 無需在現有吸收塔上重新開孔或對其他系統管道進行改造，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，減少了管路系統和閥門配置，與現有常規的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，從而提高脫硫系統控制的經濟性，在保證超低排放效果的同時，保證脫硫系統安全、可靠運行。