1 000 MW机组脱硫吸收塔浆液起泡溢流的影响因素

赵海江，刘黎伟，聂海涛

(大唐环境产业集团股份有限公司 三门峡项目部，河南 三门峡 472000)

1 000 MW机组脱硫吸收塔浆液起泡溢流的影响因素

赵海江，刘黎伟，聂海涛

(大唐环境产业集团股份有限公司 三门峡项目部，河南 三门峡 472000)

吸收塔浆液起泡溢流是石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统中普遍存在的问题，极大地影响了脱硫系统和设备的安全稳定运行。为探究吸收塔浆液起泡溢流的根本原因，介绍了吸收塔泡沫的生成机理和影响因素，通过对某1 000 MW机组脱硫装置进行长期跟踪监测试验，分析找出了引起该吸收塔起泡溢流的原因并提出了相应的预防和应对措施。结果表明：入口烟气粉尘含量、工艺水水质、石灰石品质等不合格将会引起吸收塔浆液起泡，而浆液循环泵、氧化风机等设备的扰动将会加剧吸收塔起泡浆液的溢流。

湿法脱硫；吸收塔浆液；泡沫；溢流；扰动

0 引言

石灰石-石膏湿法脱硫是目前技术最成熟、最普通的烟气脱硫方法，广泛应用于1 000 MW燃煤机组[1]。随着我国大气排放标准不断提高，《燃煤电厂超低排放改造计划》的实施以及日益严峻的环境问题，烟气脱硫系统的安全稳定运行尤为重要，因此脱硫系统的精细化、专业化管理也是未来的趋势[2]。然而，脱硫吸收塔浆液起泡溢流问题却成为其安全运行的棘手问题，浆液起泡往往会造成虚假液位、吸收塔溢流、污染环境、增加耗能，造成泵的汽蚀等问题；严重时甚至影响引风机安全运行，造成整个机组的稳定行变差[3-4]。国内学者对浆液起泡溢流的研究也日趋增多，从研究解决溢流问题逐渐转变为研究其根本原因。研究者普遍认为浆液起泡是由多种因素综合影响的，浆液起泡往往伴随着吸收塔溢流[5]，但目前浆液起泡溢流仍缺乏一定的分析和监测手段[6]。为此，本文简要分析了吸收塔泡沫生成的机理和影响因素，并对某1 000 MW燃煤机组脱硫装置进行了长期的跟踪监测试验，研究分析了吸收塔浆液起泡溢流的影响因素，并提出了相应的预防和解决措施。

1 泡沫产生的机理和影响因素

泡沫是气泡分散在液体中所形成的彼此之间以液膜隔离的多孔膜状多分散体系[7]。一般情况下，泡沫是热力学不稳定体系，液体中的泡沫由于重力的作用能够自动逸出，溶液起泡的原因主要有3个方面[7-8]87：(1)浆液中含有类似表面活性剂的成分，例如异噻唑啉酮；(2)溶液中产生气体或者进入空气，例如氧化空气的鼓入；(3)机械扰动，例如循泵的扰动等。

研究表明，泡沫稳定性的影响因素有：表面张力、溶液表面黏度、溶液泡沫双气-液界面结构液膜弹性、气体通过双气-液界面结构液膜的扩散、双气-液界面结构表面电荷的影响、溶液中杂质分子结构的影响等[9]。其中，最主要的2个因素是气泡表面张力和溶液表面粘度，表面张力越小、溶液表面粘度越大，则越容易形成泡沫，因此要使泡沫破裂就需要增大其表面张力、减小表面粘度。

2 吸收塔浆液起泡溢流原因分析

泡沫的稳定性是影响吸收塔浆液起泡的主要原因，可以从2个方面分析：一是进入吸收塔中的物质，主要包括石灰石、工艺水和烟气等；二是设备扰动，包括浆液循环泵、氧化风机启停的扰动以及托盘或湍流装置的影响。本文对某1 000 MW燃煤机组脱硫系统进行了长期跟踪监测，对入口烟气、工艺水、石灰石化验指标进行分析，结合氧化风机、浆液循环泵等设备对浆液的扰动影响，详细地分析了吸收塔浆液起泡溢流的影响因素。

2.1 入口烟气

入口原烟气对吸收塔浆液有着直接的影响，烟尘、重金属等超标可能会引起浆液中毒、起泡等现象。例如锅炉投油或者燃烧不充分时，烟气中会含有未燃烬的碳粒进入吸收塔，使得吸收塔浆液中的有机物含量增加引起起泡。锅炉除尘器运行不佳会造成烟气中粉尘浓度增加，其中的重金属物质、Al2O3和Fe2O3等会增加吸收塔浆液的粘度，甚至发生皂化反应，在浆液表面形成油膜，引起吸收塔浆液起泡并增加泡沫的稳定性。2017年1月，该机组脱硫吸收塔浆液发生较严重的起泡溢流现象，期间石灰石质量合格，工艺水水质稳定，吸收塔发生起泡溢流现象，将吸收塔液位降低2 m后溢流现象减弱但仍有较多泡沫。

分析其原因，发现此段时间锅炉在高负荷情况下(大于900 MW)，FGD入口含氧量仅为3%左右，煤粉可能并未完全燃烧。FGD入口烟尘浓度在9.14～17.89 mg/Nm3左右，而FGD出口烟尘在1.87～3.45 mg/Nm3左右，可见吸收塔浆液捕集了大量的烟尘。而高负荷下烟尘中含有较多的未燃烬的碳粒、Al2O3和Fe2O3，其中Al2O3和Fe2O3为非结晶的细小颗粒，这些颗粒通过石膏旋流器后，绝大多数返回吸收塔本体，使得吸收塔本体中的烟尘不断聚集，大大提高了浆液的粘度，增强了泡沫的稳定性，最终造成吸收塔浆液起泡溢流。在主机调整电除尘运行状况后，入口烟尘在4.34～5.47 mg/Nm3，吸收塔浆液起泡溢流现象有所缓解。这充分说明烟气成分是影响吸收塔浆液起泡的一个重要因素。在国内发生的吸收塔浆液起泡事件中，由除尘器效果不佳造成的重金属、颗粒物聚集超标现象很普遍，例如内蒙古岱海电厂[6]158-159、江苏射阳港电厂[10]、广东粤电靖海发电厂[11]等均由于此问题而发生过吸收塔起泡溢流事件。

2.2 工艺水

工艺水是维持脱硫吸收塔水平衡最主要的因素，水质在一定程度上影响着吸收塔的浆液品质。2017年2月，该机组脱硫吸收塔在起机后发生较严重的浆液起泡溢流现象(图1所示)。此段时间，吸收塔液位低于正常运行液位2 m左右，该脱硫系统所用石灰石成分含量均满足设计值要求，机组负荷、燃煤情况稳定，除尘器良好。分析原因可知，该脱硫系统工艺水几乎全部来自循环冷却水，由于起机初期循环冷却水中加入了较多缓蚀阻垢剂和杀菌剂，而杀菌剂其主要成分为异噻唑啉酮及其衍生物等有机物，它起到表面活性剂的作用并且能够提供较高的COD当量。化验工艺水中的异噻唑酮浓度竟达199.34±8.23 mg/L，同时脱硫废水中的化学COD也达169.6±5.6 mg/L。另一方面，水质不合格的低温省煤器冲洗水全部由地沟进入吸收塔。起泡期间，加消泡剂只能减弱起泡2 h左右，而置换浆液无明显效果。随后工艺水质有所好转，吸收塔起泡情况逐步减弱，由此可判断出该吸收塔浆液起泡溢流主要是由工艺水水质引起的。文献[12]研究表明，循环水中的异噻唑啉酮杀菌剂进入吸收塔浆液后起到了表面活性剂的作用，降低了溶液表面张力，使吸收塔极易起泡且泡沫非常稳定。

图1 脱硫吸收塔浆液起泡溢流现象

从图1中可以看出，浆液泡沫颜色偏黑，主要原因为浆液中的COD成分在吸收塔内不断累积、分解、甚至碳化，导致浆液颜色变深。这些有害物质极易聚集在吸收塔浆液表面，超出临界胶束浓度后即以泡沫的形式存在于吸收塔液面之上[6]158。另据相关文献报道：内蒙古岱海发电厂[6]158-159、天津国华盘山电厂[13]、江苏利港电厂[14]等均曾因工艺水水质问题发生吸收塔浆液起泡溢流现象。文献[15]的研究也表明，浆液中的COD在300～600 mg/L的高浓度下容易引起吸收塔浆液起泡溢流现象的发生。

2.3 石灰石

进入脱硫吸收塔的物质，除了工艺水、烟气，还有一个最重要的物质就是石灰石浆液。石灰石浆液的品质不仅影响吸收塔脱硫效率，还在很大程度上影响吸收塔的浆液品质和石膏品质等。石灰石中的惰性成分以及湿式球磨机中钢球磨损带出的金属元素(Cd、Ni等)在一定程度上容易引起吸收塔浆液品质恶化，甚至会引起吸收塔起泡溢流。石灰石中Al2O3和微量金属含量过多也会在吸收塔中聚集，起到与烟尘超标同样的作用。另外，石灰石中的MgO含量超标，往往会造成浆液起泡。由于镁离子的溶解度高于钙离子，浆液中适当的MgO将有利于提高脱硫效率，但石灰石中MgO含量过多不仅影响结晶和脱水，还会与SO42-反应，造成滤液中的溶解盐增多，提高形成泡沫的弹性，增强泡沫的稳定性[16]。2017年3月，该吸收塔再次起泡。原因有两方面：一方面是事故浆液箱品质较差的浆液进入吸收塔过多；另一方面便是石灰石品质不合格。对石灰石进行化验，发现其石灰石中MgO含量在4.61%～5.77%，观察石灰石颜色偏青，而正常MgO化验值在0.25%～1.17%之间；同时浆液中MgO含量也较往常偏多，达到3.29%～5.31%，由此可见，此次起泡主要由石灰石浆液品质造成。2012年6月，某电厂发生浆液起泡溢流现象，经分析原因为石灰石中MgO含量过大，最高达到5.83%[12]122；文献[6]158在研究中也发现山东某电厂一次浆液起泡溢流的主要原因为石灰石品质不合格，其石灰石中MgO含量在3.53%～4.17%，酸不溶物达19.00%；文献[8]50在研究中表明，浙江某电厂吸收塔浆液起泡溢流的主要原因为石灰石中MgO含量过多(5.45%)。综合现场实际和相关文献可知，石灰石品质差特别是MgO含量过高是引起吸收塔浆液起泡的一个重要因素。

2.4 设备扰动

吸收塔相关设备启停造成的扰动往往会加剧已起泡浆液的溢流。针对该机组脱硫吸收塔浆液起泡的情况，运行人员在操作方式上进行了优化，具体设备操作见表1。其中，A组数据表示低负荷下氧化风机启停对相关参数的影响；B组数据表示连续负荷变化下浆液循环泵启停对相关参数的影响。

从A组数据中可以看出，在负荷为519 MW、3台循泵运行时吸收塔入口烟气压力为650 Pa，塔内湍流压差为160 Pa。当氧化风量停运后，吸收塔入口压力、湍流压差和底部液位无明显变化，但是吸收塔顶部液位却降低了1.46 m，液位差降低了1.42 m，同时观察到吸收塔溢流情况明显变少。而在负荷涨至811 MW时，入口烟气压力增大了496.8 Pa，湍流压差增大了72.1 Pa，重新启动氧化风机后，吸收塔顶部液位升高了0.79 m，液位差增大了1.07 m，吸收塔溢流加剧。这是因为吸收塔顶部浆液主要是气液固三相状态，而在浆液起泡时气相分压较大，氧化风的鼓入极大地增加了上部浆液扰动，不仅导致浆液形成更多的泡沫，更使上部浆液中气相分压剧烈增加，导致上部压力变送器测量值增大，液位升高。同时，由于上部浆液密度较低，增加的压力足以使产生“虚假液位”的吸收塔上部浆液产生溢流。值得注意的是，氧化风机的启停并不会对入口烟气压力和湍流压差产生影响，因为氧化风量相对于烟气量来说非常少，所以在氧化风机启动时烟气压力的增加和湍流压差的增加是由锅炉负荷引起而不是氧化风机。

表1 设备操作对吸收塔浆液溢流影响

*注：“+”表示当前工况下启动一台循泵；“-”表示当前工况下停运一台循泵。

从B组数据可以看出，在负荷连续上涨过程中，吸收塔入口烟气压力、湍流压差随之增大，吸收塔顶部液位也增大，但这种增大是缓慢的。在B组数据中，注意到氧化风量不变的情况下循泵的启停直接影响到吸收塔入口烟气压力和湍流压差。例如，当启动A浆液循环泵时，吸收塔入口烟气压力增加了296.4 Pa，湍流压差增大了72.6 Pa，顶部液位增加了0.91 m，液位差增加了0.87 m，此时观察到吸收塔溢流迅速增大。在停运A浆液循环泵后，吸收塔入口烟气压力降低了346.3 Pa，湍流压差降低了46.7 Pa，顶部液位降低了0.85 m，吸收塔溢流相应减少。分析其原因，当循泵启动时，吸收塔底部液位降低，浆液通过喷淋层与通过湍流管栅的烟气逆流接触。在这个过程中，喷淋层的浆液会在湍流管栅上形成一层液膜，这层液膜对于提高吸收塔脱硫效率作用明显，但是却在一定程度上增加了烟气阻力(200～400 Pa)，加上喷淋层产生的阻力(近似为入口烟气压力的增加)，烟气会在浆液上部和湍流层下部聚集压缩，造成此区域正压增大，导致吸收塔上部压力变送器测量值增大(顶部液位增大)，由于上部浆液密度低，增大的正压导致已产生“虚假液位”的吸收塔大量溢流。

3 预防及控制措施

(1)预防吸收塔浆液起泡主要从进入吸收塔的物质方面进行监测控制。严格控制进入吸收塔工艺水质，重点关注其COD和有机物含量；若全部使用循环水，及时与主机沟通了解其阻垢剂杀菌剂使用情况，必要时更换工艺水[12]123。加强外购石灰石质量监督，严格控制石灰石含量中的MgO、Al2O3和Fe2O3含量。加强入口烟气参数控制，参数异常时及时联系主机调节燃煤、除尘工况。加强脱硫区域油脂、雨水、废纸、木块、木片等可能通过地沟进入吸收塔物质的控制，尽量避免其进入吸收塔。严格按照规范、规程定期监测吸收塔液相、固相成分。运行人员应加强监视，目前吸收塔大多均采用双液位，发现液位差异常增大，则意味着浆液可能已经起泡，必须立即汇报做好浆液分析检测等。

(2)若在运行过程中发现浆液起泡并已经溢流，首先可在起初加入消泡剂。但消泡剂只能缓解起泡，不能消除塔内浆液中的有害物质，并且消泡剂还会对脱硫效率产生副作用，可同时加入催化剂。其次可采用低负荷停运或降低氧化风量、减少浆液循环泵启停、降低液位等方式减少浆液溢流，及时对起泡原因进行分析，加强浆液置换。增加废水排放量，降低吸收塔浆液中飞灰、惰性物质、氯盐、硫酸盐等有助于泡沫稳定的物质浓度。

(3)对相关设备进行改造，重新核算压损和氧化空气量，例如增大托盘开孔度，调整湍流管栅间距等，保证在高负荷下烟气在托盘与塔内浆液顶部之间的区域内正压在合适范围内。由于目前吸收塔多为正压吸收塔，溢流管内浆液高度要高于吸收塔实际液位，因此需要调整吸收塔溢流高度，增大溢流管排气管直径，增加排气管冲洗水等。

(4)改进吸收塔液位及密度测量装置，尤其注意测定吸收塔顶部浆液密度。由于吸收塔顶部浆液处于气液固三相状态，密度比底部小得多，因此顶部液位往往比实际值偏小很多。在浆液起泡的时候，这种偏差更大，在某1 000 MW电厂曾发现吸收塔顶部液位显示值比实际值低3.02 m，上部实际密度比密度计显示值竟低了484 kg/m3。

4 结论

本文研究结果表明，吸收浆液起泡溢流往往是由多方面因素综合引起的。其中吸收塔入口烟气所含烟尘、工艺水水质、石灰石品质等不合格将会对吸收塔浆液起泡起到较大的促进作用。浆液循环泵、氧化风机等吸收塔相关设备启停对浆液的扰动会影响吸收塔起泡浆液的溢流情况，尤其是浆液循环泵的启动在一定情况下降直接加剧已起泡浆液的溢流。通过添加消泡剂、降低吸收塔液位、停运浆液循环泵和氧化风机等措施在一定程度上能够减缓浆液起泡溢流，但要根本上解决浆液起泡溢流问题，仍需从吸收塔入口烟尘含量、工艺水水质、石灰石品质等进入吸收塔的物质方面来控制和预防。

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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

赵海江(1988-)，男，工程师，研究方向为火电厂环保技术。