石灰石/石灰—石膏濕法脫硫漿液溢流問題研究
摘要:在火電廠石灰石/石灰—石膏濕法脫硫系統中,吸收塔漿液溢流是運行過程中常見的問題之一,它對FGD系統的穩定運行非常不利。分析了吸收塔漿液溢流的成因,介紹了漿液溢流對FGD系統運行的危害,提出了吸收塔漿液溢流的預防和處理措施。
關鍵詞:濕法煙氣脫硫,漿液溢流,真實液位,虛假液位,消泡劑
在石灰石/石灰—石膏濕法脫硫系統運行過程中,常常會有吸收塔液位顯示正常卻發生溢流的現象。當漿液溢流嚴重時,如果脫硫控制系統未及時監測到并采取有效措施,吸收塔液位就無法維持在設計水平,會帶來脫硫效率、石膏品質等方面的問題,對FGD裝置的穩定運行十分不利。
1 漿液溢流成因
吸收塔漿液溢流主要是泡沫引起的“虛假液位”造成的。氣泡或泡沫會導致吸收塔內漿液不均勻,而漿液密度計取樣來自吸收塔底部,底部漿液密度大于氧化區上部漿液密度,使得儀表顯示值偏低。引起吸收塔溢流的原因主要有:
(1)吸收塔漿液中有機物含量增加。鍋爐燃燒不充分或在運行過程中投油,飛灰中部分未燃盡物質(包括碳顆粒或焦油)隨煙氣進入吸收塔,使吸收塔漿液中的有機物含量增加,發生皂化反應,在漿液表面形成油膜,被氧化風機鼓入的高壓空氣“壓迫” 導致溢流。
(2)吸收塔漿液中重金屬含量增加。鍋爐尾部除塵器運行狀況不佳,煙氣粉塵濃度超標,含有大量惰性物質的雜質進入吸收塔后,致使吸收塔漿液重金屬含量增高;石灰石含有的微量金屬元素(如Cd、 Ni等) 、濕式球磨機的鋼球磨損等也會引起吸收塔漿池中重金屬元素的富集。重金屬離子增多會使漿液表面張力增加,從而在漿液表面產生泡沫。起泡不僅會抬升吸收塔液位,吸收塔還會由于虹吸作用而發生溢流。
(3)石灰石成分因素。石灰石遇稀醋酸、稀鹽酸、稀硝酸發生泡沸,高溫條件下分解為氧化鈣和二氧化碳。石灰石中含有MgO,如果MgO含量超標不僅影響脫硫效率,與SO2 -4 反應會產生大量泡沫。如果石灰石成分發生某種變化,在吸收塔漿池中產生某種天然無機發泡劑,如NaHCO3、Al2 ( SO4 ) 3 等, 混合在一起會發生反應,產生大量的CO2 氣體。
(4)在FGD系統運行過程中,如果停運氧化風機或啟動漿液循環泵,則吸收塔漿液的氣液平衡會被破壞,導致吸收塔漿液大量溢流。對于固定管網式氧化風機,因其空氣孔朝下,氧化風機處于開啟狀態時,泡沫被鼓入的氧化空氣吹破; 氧化風機停運時,大量泡沫生成,致使吸收塔溢流。例如:江蘇利港發電廠4號吸收塔正常運行液位約10. 5m,溢流口標高11. 7m,強制氧化方式為固定式空氣噴射器, 2007-05-02,運行的氧化風機因故障需檢修,停運后發現吸收塔液位不斷升高, 10min后液位達到 12. 4m,吸收塔溢流口有大量漿液溢出;利港發電廠 5號吸收塔的正常運行液位約11. 3m,溢流口標高 12. 75m,強制氧化方式為攪拌器加空氣噴槍組合,2007-07-05,啟動備用循環漿液泵3min后,發現吸收塔溢流口有大量溢流漿液,而吸收塔液位顯示值仍在11. 1m左右[ 2 ] 。
(5)溢流管設計不合理,產生虹吸現象。一旦出現虹吸現象,只要吸收塔內液位高于溢流液的終點液位就會連續溢流。虹吸現象是液態分子間引力與位差造成的,利用液柱壓力差,使液體上升再流到低處。由于管口液面承受不同的大氣壓力,液體會由壓力大的一邊流向壓力小的一邊,直到兩邊的大氣壓力相等,容器內的液面變成相同高度,液體才會停止流動。
(6)吸收塔補充水水質達不到設計要求, COD、 BOD等含量超標。
(7) FGD脫水系統或廢水處理系統不能正常投入,致使吸收塔漿液品質逐漸惡化。
2 漿液溢流的危害
在FGD系統正常運行的情況下,吸收塔溢流出來的漿液通過溢流管排入吸收塔區地坑,再由地坑泵打回吸收塔重復使用,這對整個FGD系統的運行不會造成影響。如果FGD系統運行不當,如鍋爐在 FGD運行過程中投油、煙氣中粉塵含量過大等,使吸收塔漿液中含有較多有機物、重金屬離子、鹽類和其他組分,這會增加氣泡液膜的機械強度和泡沫的穩定性,增強漿液的表面張力。這時,無論是氧化風機鼓入空氣產生的氣泡,還是噴嘴噴淋下的漿液,均能被煙氣托浮,產生“虛假液位”。
總的來說,吸收塔漿液溢流的危害主要有:
(1) FGD系統運行惡化。溢流漿液量較大時, 漿液從脫硫反應塔的溢流管大量涌出,吸收塔液位在短時間內急劇下降,液面無法維持原設計水平,使得脫硫效率降低。脫硫反應的氧化效果不能夠得到保證,致使漿液中亞硫酸鹽的含量逐漸增高,石膏品質惡化,這對脫硫裝置的穩定運行十分不利。而溢出的漿液在FGD系統四周大量漫流,嚴重污染機組設備和廠區環境。
(2) FGD 系統設備損壞。如果“虛假液位”過高,溢流漿液甚至會倒流至增壓風機出口。在運行操作人員沒有及時發現、增壓風機沒有跳閘的情況下,溢流漿液猛烈沖擊正在運行的風機葉片,造成葉片斷裂,致使增壓風機停運,進而脫硫系統被迫停運。如果系統不設置旁路煙氣擋板,則主機也將被迫停運,計一次非停,損失嚴重[ 3 ] 。增壓風機停運后必須檢修,如需更換葉片則周期更長,嚴重影響了脫硫系統的正常運行。
(3)煙道防腐層破壞與腐蝕。溢流漿液進入煙道,漿液中的硫酸鹽和亞硫酸鹽隨漿液滲到防腐層表面的毛細孔內。當水分逐漸蒸發,漿液中的硫酸鹽和亞硫酸鹽析出并形成結晶鹽,同時體積膨脹,使防腐材料產生內應力,致使其脫皮、疏松或裂縫損壞。帶結晶水的鹽,在干、濕交替的環境下,體積可以增加幾倍甚至幾十倍,應力更大,會導致嚴重的剝離損壞[ 4 ] 。而且,漿液還會沉積在未防腐的原煙道中,產生煙道垢下腐蝕,縮短煙道的使用壽命和檢修周期,影響機組正常運行。
(4)煙氣系統積灰、堵塞。溢流漿液在吸收塔入口形成大量的石膏垢,會造成煙道積灰、阻力增加,還會造成GGH換熱面堵塞,影響FGD系統和鍋爐的安全運行。江蘇華電揚州發電有限公司配套的石灰石—石膏簡易濕法脫硫裝置在機組停運檢修期間,對吸收塔入口檢查時發現有大量的石膏結垢,同時部分漿液進入GGH,將GGH低部密封水槽堵死, 嚴重時造成GGH換熱面的堵塞[ 5 ] 。
(5)液位控制困難。吸收塔內漿液起泡嚴重時,石膏排出泵入口漿液泡沫增加,泵出口壓力降低,無法正常排出石膏,致使吸收塔內漿液密度逐漸上升,液位難以控制。
3 漿液溢流的預防與處理
3. 1 預防措施
(1)調整吸收塔液位。確定合理的吸收塔運行液位,減小漿液溢流量,防止漿液進入吸收塔入口煙道。隨著吸收塔內化學反應的不斷進行,漿液的濃度會不斷上升。因此,應定期對液位計進行校對,根據吸收塔漿液密度來調整DCS液位顯示值,保證脫硫控制系統顯示值的正確性。同時,控制吸收塔內實際液位僅高于塔體溢流口高度,防止煙氣泄漏。如天津大港電廠2號FGD系統投產后發生多次吸收塔溢流,采取的措施就是將吸收塔液位穩定在一個比較低的水平,定期校對DCS液位和就地顯示, 停運相關設備前、后密切監視吸收塔狀況[ 6 ] 。
(2)控制吸收塔補水。嚴格控制吸收塔補充水水質,加強過濾和預處理,降低其COD、BOD含量, 使補充水的參數指標處于設計值范圍之內。FGD系統正常運行時,吸收塔補水主要來源于除霧器沖洗水,少量來自攪拌器、漿液泵、循環泵等設備的機封冷卻水和漿液管路沖洗水。還應確保除霧器沖洗水量達到規程要求,防止除霧器結垢;在滿足泵和攪拌器運行需要的前提下盡量減少機封冷卻水量;嚴格控制漿液管線的沖洗水量,沖洗出水只要達到澄清就停運,防止過多的水進入吸收塔。此外,除霧器沖洗是消除泡沫的有效手段,水噴淋可減少泡沫積累。因此,除霧器沖洗可在保證液位的前提下少量多次,或者在呼吸孔噴水打散泡沫,防止泡沫溢出。
(3) 控制漿液和廢水品質。將石灰組分(如 MgO、SiO2 等)控制在要求范圍內,加大石膏漿液排出量,降低排石膏時的吸收塔漿液密度,保證新鮮漿液的補入。同時,加強吸收塔漿液、廢水、石灰石漿液、石灰石粉和石膏的化學分析工作,有效監控脫硫系統運行狀況,發現漿液品質有惡化趨勢應及時采取處理措施。按照系統運行要求排放脫硫廢水,以降低吸收塔漿液中重金屬離子、Cl- 、有機物、懸浮物及各種雜質的含量,保證塔內漿液的品質,減少泡沫的形成。
(4)核算氧化空氣用量。設計時根據物料平衡關系計算和校核氧化空氣用量,避免漿液中的剩余空氣以氣泡的形式從氧化區底部溢至漿液表面,導致吸收塔漿液泡沫的增加。
(5)加強氧化風機運行管理。FGD系統運行過程中,檢查氧化風機的運行狀況,保證備用氧化風機處于良好的狀態,一旦運行風機停運,要保證能夠及時啟動備用風機,以免發生虹吸現象而造成大量漿液溢流。
(6)改進溢流管設計。對于因溢流管虹吸而造成的吸收塔溢流,設計時可在溢流管最高點加裝對大氣的排放直管來破壞虹吸現象。
(7)主機運行管理。在主機投油或除塵裝置出現故障時,及時通知脫硫運行人員。如果投油時間較短或除塵裝置能較快修復,可采用暫時打開旁路煙氣擋板,調小增壓風機葉片開度的運行方式,最大程度地減少進入到脫硫系統的未燃盡成分或飛灰。如投油時間較長或除塵裝置處理周期較長,則FGD 系統必須停運。
3. 2 處理措施[ 2 - 3]
(1)添加脫硫專用消泡劑。抑制吸收塔溢流的有效手段是向吸收塔區地坑定期加入脫硫專用消泡劑(如有機硅消泡劑) 。在吸收塔出現起泡溢流初期,消泡劑加入量較大,在連續加入一段時間后,泡沫層逐漸變薄,可減少加入量,直至達到穩定的加藥量。需要指出的是,消泡劑只能暫時緩解,不能根本解決吸收塔漿液起泡問題,一旦停止加入消泡劑,吸收塔漿液有可能重新出現起泡溢流現象。
(2)調整漿液循環泵。在可以暫時忽略FGD系統脫硫效率的條件下,停運1臺漿液循環泵以減少漿液循環量、減小吸收塔內部漿液的擾動。
(3) FGD系統運行管理。一旦發生漿液溢流現象,應打開煙道底部疏水閥進行疏水,防止漿液溢流至增壓風機出口段。檢查吸收塔入口煙氣溫度,如果出現溫度突然大幅降低的情況,說明漿液大量溢流進入煙道,要及時采取處理措施。
(4)換置漿液。如果已有效地控制了工藝水品質、石灰石漿液品質,且石膏漿液脫水系統、廢水處理系統運行正常,但吸收塔漿液仍然經常性溢流,就需要倒空吸收塔內的漿液,重新上漿。
4 結語
吸收塔漿液溢流是火電廠石灰石/石灰—石膏濕法脫硫系統常見的問題之一,對FGD系統的穩定運行非常不利。因此,在FGD系統運行過程中,應適時監控吸收塔漿液狀況,一旦出現漿液溢流,及時采取如降低吸收塔漿液液位、減小漿液供給量、調整漿液循環泵、加脫硫專用消泡劑等有效措施來確保 FGD系統的安全、穩定運行。
參考文獻:
[ 1 ]中華人民共和國環境保護部. 中國環境狀況公報( 2007年) [ J ]. 環境經濟, 2008, (9) : 10 - 32.
[ 2 ]孫旭峰,倪迎春,彭海. 煙氣脫硫裝置安全經濟運行的分析及措施[ J ]. 電力科學與工程, 2008, 24 (5) : 1 - 4.
[ 3 ]禾志強,田雁冰,沈建軍,等. 石灰石—石膏法脫硫漿液起泡研究 [ J ]. 電力環境保護, 2008, 24 (4) : 11 - 13.
[ 4 ]曾庭華,楊華,馬斌,等. 濕法煙氣脫硫系統的安全性及優化 [M ]. 北京:中國電力出版社, 2003.
[ 5 ]居進. 石灰石一石膏濕法脫硫系統運行中存在的問題及探討 [ J ]. 科技創新導報, 2008, (6) : 150 - 151.
[ 6 ]柳玉賓,李慶,曹志華. 大港發電廠脫硫系統特點及常見問題對策[ J ]. 華北電力技術, 2007, (8) : 1 - 4.
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