石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统浆液起泡原因分析

石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统浆液起泡原因分析
贾西部;金万元;李兴华;赵彩虹
【摘要】石灰石-石膏湿法脱硫吸收塔浆液因起泡而溢流的现象时有发生,影响脱硫系统安全运行.为探究吸收塔浆液起泡原因,从浆液起泡机理入手,对若干电厂脱硫系统浆液和泡沫样品进行了成分及电镜分析.研究结果表明:脱硫系统工艺水水质、烟气粉尘含量及石灰石品质均对脱硫吸收塔浆液起泡有促进作用,但各电厂侧重不同. 首先,应避免将吸收塔中的溢流物质返回吸收塔本体,再根据各电厂不同情况采取相应措施.即可避免出现吸收塔泡沫溢流问题,或使该问题得以缓解.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2015(048)009
【总页数】4页(P157-160)
【关键词】石灰石-石膏湿法脱硫;浆液起泡;表面张力;粘度
【作者】贾西部;金万元;李兴华;赵彩虹
【作者单位】西安热工研究院有限公司,陕西西安710032;内蒙古岱海发电有限责任公司,内蒙古凉城013700
【正文语种】中文
【中图分类】TM621.9;X51
石灰石-石膏湿法脱硫系统在我国火电厂普遍采用，随着我国大气排放标准不断提高，烟气脱硫系统取消旁路、全面纳入主机运行系统已成必然，烟气脱硫系统的稳定运行显得尤为重要，因而需对脱硫系统进行精细化管理［1-2］。

吸收塔浆液起
泡所导致的浆液溢流是石灰石-石膏湿法脱硫系统运行中常见的问题之一，而国内
对此研究一直处于较原始的阶段，大多停留在解决吸收塔溢流所引发的问题方面，对于如何从根源上避免此类现象的发生，仍缺乏一定的分析和监测手段。

浆液起泡主要是由于表面活性分子降低了水的表面张力所引起，而固体杂质增加了溶液的粘度，从而使得泡沫更加稳定持久。

脱硫浆液所产生的泡沫要比纯净液体产生的泡沫稳定得多，寿命也长得多。

形成气泡的胶状表面层提高了液膜的弹性，其可以是可溶物，也可以是不溶物［3］。

作为不溶物的固体杂质很大程度上增加了液膜的粘度，从而克服了液体的重力，使形成的气泡壁厚度保持稳定，其泡沫的寿命也得以延长。

同理，气泡中水分的挥发，降低了泡沫的稳定性，从而导致泡沫破裂和干涸。

因此，气泡的表面弹性和表面粘度是影响泡沫稳定性的2个重要因素［4］。

表面活性剂形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。

水溶液中表面活性剂临界胶束浓度为0.001～0.02 mol/L，或质量分数为0.02％～0.4％，当表面活性剂浓度大于临界胶束浓度时，水溶液表面即富集成为单分子膜，表面张力也降到最低［5］。

可以认为，脱硫系统浆液中，随着滤液不断浓缩，表面活性剂急剧降低了溶液的表面张力，当表面活性剂浓度超过临界胶束浓度后，随着吸收塔泡沫不断溢出系统外，浆液中的表面活性剂胶束不断地富集到水溶液表面，从而形成泡沫连续溢流的现象。

吸收塔浆液处于不断浓缩、吸收、反应状态下，即可引起脱硫系统浆液起泡、有害物质的富集，因此应对脱硫系统的工艺水、烟气粉尘、石灰石进行有效监控。

（1）工艺水。

主要关注其来源，如果为机组循环冷却塔排污水，需确认其缓蚀阻垢剂和杀菌剂的使用情况；如果为城市中水，需确认其COD含量，这两类水质均会导致脱硫系统有机物含量过高［6］。

（2）烟气粉尘。

主要关注其在脱硫塔入口浓度，粉尘的主要成分为酸不溶物、
Al2O3和Fe2O3等，如果烟气中粉尘浓度过高，同时脱硫系统废水排放量有限，
必然导致烟气中的粉尘在吸收塔内聚集［7］。

（3）石灰石。

主要关注其纯度，石灰石是吸收塔浆液中镁盐的主要来源，酸不溶物含量偏高也会随粉尘在吸收塔内聚集。

为了解脱硫浆液起泡成因，以便从根源上予以避免，分别采集了4个电厂的脱硫
吸收塔运行浆液和溢流泡沫固体样品，进行了一系列试验和分析。

2.1 各电厂脱硫系统概况
A电厂：600 MW机组，脱硫塔为折返喷淋塔，设计燃煤硫分为0.7％，实际运行硫分为0.3％左右。

工艺水以水库水为主，加之少量循环冷却塔排污水。

系统运行相对平稳，吸收塔浆液pH值控制严格，运行浆液中碳酸钙含量略有偏高，其主要原因与石灰石品质有关。

从烟道除雾器输水管采集泡沫，其颜色较吸收塔浆液颜色深，泡沫稳定性差，无特殊气味。

B电厂：600 MW机组，脱硫塔为逆流喷淋塔，设计原烟气SO2质量浓度为1 000 mg/m3，实际运行SO2质量浓度为600 mg/m3左右，实际运行过程中，
每天脱水皮带机仅运行3～4 h，脱水石膏产出量很低，吸收塔浆液循环相对封闭，运行浆液品质良好。

从吸收塔疏水槽采集泡沫，其颜色为棕色，无特殊气味。

C电厂：350 MW机组，脱硫塔为逆流喷淋塔，设计原烟气SO2质量浓度为4 300 mg/m3，实际运行SO2质量浓度为2 500 mg/m3左右；脱硫系统改造后
取消了旁路烟道，锅炉启动过程中有投油操作；脱硫系统工艺水为城市中水，因此吸收塔浆液氯离子浓度难以有效控制。

吸收塔运行浆液品质基本合格，从脱硫系统溢流管采集泡沫，其颜色棕黑，粘稠，气味浓重。

D电厂：1 000 MW机组，脱硫塔为逆流喷淋塔，设计燃煤硫分为0.8％，实际运行接近设计值，但根据原烟气SO2浓度短时间波动值，可推算燃煤硫分有超出设
计值1倍的情况。

从吸收塔运行浆液品质可以看出，碳酸钙含量严重超标，其与
原烟气SO2浓度波动较大有直接关系，从而导致运行过程中石灰石使用量过大。

从吸收塔浆液pH值测试装置排放门处采集泡沫，其颜色泛白，无特殊气味。

2.2 检测结果及相关分析
（1）吸收塔浆液成分（见表1）。

对吸收塔浆液中氯离子进行检测可确定吸收浆液的浓缩程度，从而可对吸收塔浆液中有害物质的浓缩情况予以了解；分析石膏品质，有助于分析吸收塔浆液起泡原因。

（2）吸收塔溢流泡沫成分（见表2）。

检测说明：结合主要成分的分解温度，将泡沫的灼烧减量分为3个温度段，170℃（失去硫酸钙中的结晶水），450℃（充分燃烧和分解有机物质并失去半水和亚硫酸钙结晶水），850℃（碳酸钙和亚硫酸钙分解出CO2和SO2）。

脱硫系统运行正常时的样品中半水合亚硫酸钙的含量均很低，本实验将不考虑其对主要成分的影响。

参照文献［8］方法以及现行的相关标准，对吸收塔溢流泡沫干涸后的固体物质进行检测。

（3）电厂A吸收塔泡沫固体物质和固体石膏的电镜扫描图像，如图1所示。

检测说明：同一时段采集A电厂脱硫系统泡沫和脱水石膏样品，使用电镜扫描，在放大相同倍率的情况下，可以直观看出固体样品的微观状态。

泡沫固体外观为非结晶的团状颗粒，石膏固体外观为米粒状的结晶颗粒。

为便于直观解析，给出4电厂脱硫吸收塔泡沫450℃灼烧减量、Al2O3和Fe2O3总量以及酸不溶物的对比图例（见图2～4）。

由图2可见，C电厂脱硫吸收塔泡沫450℃时的灼烧减量数值最高，A电厂这一数值最低。

这是由于C电厂脱硫工艺水为城市中水，其中的COD成分在吸收塔内不断累积、分解、甚至炭化，导致浆液颜色变深。

这些有害物质极易聚集在吸收塔浆液液面，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。

在实际运行过程中，仅通过石膏浆液脱水系统和废水排放系统无法有效地将其排出系统之外，从而形成泡沫溢流。

而A电厂大量使用水库水，其脱硫工艺水中COD含量很低，因此泡沫的颜色也没有炭化变黑的现象。

由图3可以看出，A电厂和B电厂脱硫吸收塔泡沫中Al2O3和Fe2O3总量均较高，而且Al2O3含量高于Fe2O3的含量，可以明确地认为其是由烟气中的粉尘含量偏高所致。

烟气中的粉尘被喷淋的浆液捕集，粉尘中Al2O3和Fe2O3为非结晶的细小颗粒，这些颗粒通过石膏浆液旋流器，绝大多数随着溢流液又返回吸收塔本体［9］，而通过脱水石膏带出系统外的总量相对较少，因此烟气中的粉尘在吸收塔内不断聚集。

同时，吸收塔浆液中的粉尘提高了浆液的粘度，也大大增强的泡沫的稳定性，在脱硫系统正常运行过程中长期造成虚假液位［10］。

此外，粉尘颗粒的存在也影响到石膏浆液的品质和石膏结晶。

C电厂脱硫吸收塔溢流泡沫中Al2O3和Fe2O3含量最低，可以肯定该电厂机组除尘器除尘效果良好，在脱硫系统正常运行过程中，粉尘含量在吸收塔浆液内达到一个相对平衡的状态。

吸收塔泡沫酸不溶物一部分来源于烟气中的粉尘，一部分来源于石灰石中的酸不溶物。

这些酸不溶物均为非结晶的细小颗粒。

由图4可以看出，D电厂脱硫吸收塔泡沫酸不溶物含量很低，其主要是由于运行人员操作不当，石灰石浆液供给过量，造成吸收塔浆液品质为非正常状态。

B电厂脱硫浆液中镁离子含量很低，因此可以判断其泡沫酸不溶物主要来源于烟气中的粉尘。

C电厂脱硫吸收塔泡沫中Al2O3和Fe2O3的总量很低，因此可以判断其酸不溶物主要来源于石灰石。

通过对A电厂脱硫吸收塔泡沫成分的综合判断可以得出，烟气中的粉尘和石灰石对泡沫的形成均有一定贡献。

综合以上分析结果，引起4电厂吸收塔浆液起泡的主要影响因素：A电厂为烟气中的粉尘和石灰石品质；B电厂为烟气中的粉尘；C电厂为工艺水和石灰石纯度；D电厂为吸收塔浆液品质不正常。

从固体样品电镜分析可以看出，泡沫中固体杂质均为非结晶的团状颗粒，此种物质水溶后的粘度非常高，因此建议电厂运行过程中，避免将吸收塔中的溢流物质返回吸收塔本体，可以将其打入废水处理系统或者进行蒸干处理。

此外，各电厂应根据各自浆液起泡成因采取相应措施：A电厂可加
强除尘器的脱除效率，同时严格要求入厂石灰石粉的品质；B电厂可加强除尘器的除尘效率或者对除尘器进行提效改造；C电厂可加强脱硫废水的排放量，如果条件允许的话，可以减少使用或者停止使用城市中水作为脱硫工艺水；D电厂可通过
燃煤配比，控制相对平稳的燃煤硫分，从而保证脱硫系统正常稳定运行，恢复石膏浆液品质。

本文研究结果表明，吸收塔浆液起泡是多方面因素综合的结果，在脱硫系统正常运行的前提下，只要把握脱硫系统原烟气粉尘、吸收剂、工艺水等要素，结合泡沫样品和吸收塔浆液样品的分析结果，采取相应措施即可使脱硫系统浆液泡沫溢流问题得以解决或有所缓解。

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