脱硫塔内浆液密度及pH值测量装置的改进研究

孙园园，罗新华，熊 巍

(武汉立为工程技术有限公司，湖北 武汉 430000)

随着大气环保标准的不断提高，国内的燃煤电厂大多已完成了脱硫系统的建立，并进一步进行超低排放改造。石灰石-石膏湿法脱硫工艺是应用最广泛的一种脱硫技术[1]，为了保证整个系统的可靠运行，需要大量的仪表来检测系统的各项参数，如液位、压力、温度、密度等。吸收塔是湿法脱硫工艺的核心设备，塔内浆液密度和pH值是判断脱硫反应进行情况及运行人员进行相应操作调整的重要依据，与脱硫效率的高低和系统的稳定运行密切相关，需要重点监测。

1 塔内浆液密度和pH值对脱硫系统的影响

对于湿法脱硫工艺而言，烟气中二氧化硫(SO2)的脱除主要经历4个步骤：SO2吸收、石灰石溶解、亚硫酸钙的氧化和石膏的结晶，这些过程对浆液密度和pH值的需求不一致。

浆液的密度反映了浆液内固体含量的高低，主要影响石膏的结晶。固体含量高，有利于提高脱硫效率和石膏纯度，但会对泵、搅拌器等设备产生较大磨损，并可能出现严重的结垢现象；若固体含量过低，则石膏难以结晶和脱水。因此，在系统运行过程中，浆液密度是衡量石膏脱水系统启停的重要标准。若浆液密度低于设定值，则浆液返回吸收塔进行再循环；若高于设定值，则浆液打至脱水系统[2]。

浆液的pH值与脱硫过程中化学反应的进行密切相关。pH值较高，有利于SO2的吸收，但对石灰石的溶解和亚硫酸钙的氧化起抑制作用，容易引发结垢堵塞，导致石灰石利用率下降。反之，虽然有助于石灰石的溶解和亚硫酸钙的氧化，但影响了SO2的吸收，脱硫效率降低，且设备腐蚀严重。因此，系统运行时，一般要求塔内浆液的pH值维持在5.0～6.0[3]，并根据实际测量值与设计值之间的差异调整石灰石的进料量。

2 塔内浆液密度和pH值的常规测量方式

2.1 塔内浆液密度的常规测量方式

脱硫系统中常见的密度测量方式主要有差压式密度计测量和质量密度计测量2种。

差压式密度计，通常在吸收塔壁或石灰浆液箱的不同高度开孔，中间连接差压变送器，如图1所示，通过测量不同高度液面间的差压来计算浆液密度。

图1 差压式密度计测量示意图

根据实际运行经验，差压式密度计安装在吸收塔壁时存在诸多问题。首先，吸收塔内浆液由石膏浆液和石灰浆液混合而成，两者比重不同，易形成分层，从而导致测量数据的代表性较差；其次，变送器毛细管一般裸露在空气中，随环境温度的变化会产生温漂，进而造成密度计算值产生偏差；另外，吸收塔内装有搅拌设备，且有氧化空气不断鼓入，因此在取样口处容易形成气泡，即导压管堵塞积气，导致浆液的压力不能完全作用于感压膜片上，使差压测量值失真，从而影响密度值的准确性[4]。

汪洋等[5]曾设计了一种带锥斗的柱形箱罐式的综合测量装置，在装置的侧壁上使用差压式密度计，同时在箱罐上布pH计测口，能有效改善设备磨损严重的问题，但罐体设计较为复杂，成本相对较高。

质量密度计通过测量管的振动频率来计算流体密度，安装方式如图2所示。与差压式密度计相比，质量密度计具有测量精度高、运行稳定等优点。但在实际使用过程中，由于液体流速高，磨损比较严重，进而导致测量的零点经常出现漂移，影响了测量结果的准确性。因此，需要频繁地进行校验和更换备品备件，维护成本相对较高。

另外，还有音叉式、浮球式及超声波式等密度测量方式，但在脱硫系统中并未得到大范围的应用[6]。

2.2 pH值的常规测量方式

图2 质量密度计测量示意图

现有脱硫系统中常见的pH值测量方式主要有浸入式、流经式和插入式3种。由于pH值测量的重要性，大部分脱硫吸收塔pH计为双重冗余配置。

浸入式布置如图3所示，测量套管以45°倾角斜插入吸收塔浆液内，隔离阀开启时，套管内充满浆液，安装在测量管顶部的电极测得数据，维护及校准时则将电极直接拔出。这种测量方式虽然易于维护，但很容易造成泄漏。另外，由于pH电极直接插入吸收塔浆液内，塔内流速相对较低，虽然对电极的磨损要小一些，但易结垢，冲洗也不能对探头部位的玻璃复合电极进行全面冲洗[7]。

图3 浸入式pH值测量示意图

流经式布置如图4所示，是从石膏排出泵出口管道上引出1个支管，然后接两路pH计，合并后返回到吸收塔，仪表的上游和下游均设置隔离阀，并在下游设置冲洗阀。这种测量方式要专门设置2个人字形测量筒，用于放置pH电极，由于测量筒处于高点，筒内流速非常小，对于电极的磨损相应较小。但这种测量方式管道系统较复杂，并且由于pH计安装在支管上，流量小，流速低，容易发生堵塞。

图4 流经式pH值测量示意图

插入式布置是将pH探针直接插在石膏排出泵的出口母管上，流量大，流速高，但对于pH电极的磨损非常大，使用寿命较短，而且pH值易漂移，使测量结果不准确。

2.3 常见问题及处理

a. 磨损严重

在脱硫系统实际运行过程中，质量密度计或pH电极经常出现磨损的情况，导致测量值出现严重偏差，无法进行参数的检测，这一般是由浆液浓度偏高、介质流速过快引起的，因此在运行过程中要严格控制浆液的流速或流量。

b. 电极失效

如果pH计长时间用于测量强酸、强碱以及有机大分子物质等溶液，就会使电极失去活性，导致示值失准，这时需要对电极进行复活清洗[8]。

c. 操作不当

部分脱硫项目在实际运行中操作不当，吸收塔长期高pH值运行，导致电极结垢或差压密度计管口堵塞，这时需要用水进行反冲洗。因此，运行时应按照正常的操作方式，控制pH值在5.0～6.0。

d. 维护欠缺

pH计和密度计等化学分析仪表对维护的要求较高，但在很多项目投运后长期得不到维护，各电厂应定期进行设备检查和维护。

3 对pH值及密度测量的改进应用

在某电厂超低排放改造项目中，对原有的pH值及密度测量装置进行了改进，如图5所示。pH计和密度计所需的测量浆液均从吸收塔底部同一根测量管道引出，由于吸收塔内液位较高，浆液被自然压出至吸收塔外部的测量装置内。首先，石膏浆液自上而下流经密度计，通过密度计底部设置的文丘里管路来保证密度计内的浆液充满程度，从而达到密度计的测量要求，满足测量精度，然后石膏浆液自下而上充满pH计测量筒，并经由测量筒顶部侧面的溢流孔自流至地沟，通过安装在pH计测量筒顶部的pH计取样探头实现对溢流石膏浆液pH值的测量。同时，pH计测量筒设置有底部排净口，可以在装置停用时对测量装置管道内的浆液进行清洗排空。

图5 带冲洗水防堵的吸收塔pH计及密度计测量装置示意图

测量装置与吸收塔之间设置有隔离阀和冲洗阀，不仅保证了测量装置的检修隔离，而且当管路堵塞时，可分别对石膏浆液引出管路和测量装置的测量管路进行冲洗。

与现有常规测量方式相比，该测量方式具有以下优势。

a. 无需在现有吸收塔上重新开孔或对其他系统管道进行改造，仅通过在吸收塔外部原pH计或密度计测量管口上增加测量管道即可满足测量要求，方便用于现有pH值测量装置和密度计测量装置的设计升级与装置改造。

b. pH计测量电极安装在测量筒顶部，筒内浆液流速为0.2～0.5 m/s，减轻了石膏浆液对pH计测量电极的冲刷，提高了石膏浆液pH值测量的稳定性及准确度。

c. 在同一管路上对pH值和密度值进行测量，减少了管路系统和阀门配置，与现有常规的pH计和密度计测量装置相比，设备维护量小。

d. 文丘里装置的设置在保证密度测量准确性的基础上也满足了pH值测量的需要，保证了测量采样的可靠性，测量精度高。

4 结束语

随着国内电厂超低排放改造工作的不断推进，浆液pH值和密度值对于湿法脱硫系统中的过程控制愈加重要。因此，在加强测量装置的日常维护(特别是冲洗和校准)的同时，需改进测量方式，提高测量精度，降低维护成本，从而提高脱硫系统控制的经济性，在保证超低排放效果的同时，保证脱硫系统安全、可靠运行。