作者：康秦豪
中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院
摘 要：浆液起泡现象严重危害石灰石/石膏湿法脱硫系统安全，介绍了浆液起泡机理，从气态、液态、固态和设备扰动等方面综合了浆液起泡的影响因素。提出了相应的诊断方法，并通过某厂浆液起泡问题分析实例验证了该方法的可靠性。
关键词：湿法脱硫; 浆液起泡; 问题诊断;
石灰石-石膏湿法脱硫是燃煤电厂用于控制SO2排放限值的主要脱硫工艺，因其具有脱硫效率高、工艺成熟、能耗低、可调节性强的技术特点，而得到广泛的应用。然而，随着脱硫系统的长期运行，脱硫吸收塔内浆液品质会发生恶化，从而导致浆液起泡溢流的现象时有发生，严重影响脱硫系统正常运转。
浆液起泡对脱硫吸收塔系统带来的危害有:1）浆液起泡溢流，吸收塔液位被迫降低，造成脱硫反应氧化不足，浆液中亚硫酸盐浓度升高，危害浆液品质，影响石膏结晶；2）影响石膏排出泵的正常工作，严重时会引起泵的损坏，同时提高了浆液密度，使液位上涨；3）溢流浆液进入烟道中，浆液中随溶液渗入防腐内衬及其毛细孔内的硫酸盐和亚硫酸盐析出并结晶，体积膨胀，导致严重的剥离损坏；4）随着吸收塔内泡沫的累积，泡沫层高度越来越高，易造成“虚假液位”，严重影响脱硫效率；5）泡沫溢流至增压风机出口，冲击风机叶片，使得风机因叶片磨损或断裂而停运。此外，在装有GGH系统时，溢流浆液通过烟气入口进入GGH，引起GGH堵塞，影响GGH换热效果，引起引风机和增压风机电流升高，为了维持锅炉炉膛负压，被迫降低负荷；6）泡沫浆液溢流至吸收塔外部，造成机组设备运行环境以及厂区环境恶化。
因此，对燃煤电厂脱硫吸收塔浆液起泡问题的准确分析与诊断尤为重要。
泡沫是气相分散在液相中形成的多孔膜状多分散体系。通常，泡沫是热力学不稳定的体系。在一定条件下，泡沫体系在力学上平衡，虽然能够保持稳定存在，环境一旦细微变化，就可能失稳破碎。因此，泡沫体系属于假稳状态。在湿法脱硫吸收塔中，气体和浆液充分接触，形成产大量泡沫，由于密度差的作用，气泡上浮至浆液表面，在浆液表面聚集，形成稳定泡沫。这些泡沫能较稳定存在的原因有：存在一些表面活性分子，降低了液体表面张力；一些不溶性固体物质附着在液膜上，在一定程度上增加了液膜的黏度和机械强度。随着吸收塔内泡沫层和起泡浆液的连续溢出，浆液中的大量气泡上升到浆液表面并富集形成泡沫，进而出现泡沫连续溢流的现象。
由于石灰石-石膏湿法脱硫系统的复杂性，浆液起泡原因综合起来可分为气态、液态、固态因素以及设备故障与扰动因素。
3.1 气态影响因素
烟气、氧化风是主要的气态影响因素：
1）烟气中的烟尘、重金属、铁铝的氧化物、残碳颗粒和焦油等物质进入吸收塔内，提高了吸收塔浆液黏度，增强了泡沫稳定性，其中焦油和残碳颗粒还会提高吸收塔浆液中有机物浓度，并且会发生皂化反应产生油膜，吸收塔底部氧化风的鼓入易造成浆液起泡溢流现象。
2）脱硫系统原烟气中硫分的波动会导致氧化风量不足或过量。氧化风量不足时，亚硫酸盐含量超标，浆液黏度增加，易发生浆液起泡；相反，氧化风量持续过量，会使浆液中的气-液界面面积逐步增大，气泡量增多，造成浆液起泡溢流。
3.2 液态影响因素
工艺水、脱硫废水是主要的液态影响因素。
1）工艺水补充水中有机成分的积累导致COD、BOD超标，导致浆液恶化、颜色变深，黏度变大，气泡稳定不易消除；工艺水的补充水常来自由循环冷却水，循环冷却水中经常会加入一些阻垢缓释剂及以异噻唑啉酮为主要成分的杀菌剂，它们的加入不仅提高了浆液的COD当量，还具有表面活性剂的作用降低了浆液表面张力，使得浆液容易起泡，并且泡沫不易破碎，能长时间稳定存在，加消泡剂只能在短时间内减弱浆液起泡程度，不能彻底消除此现象。
2）脱硫废水品质对于吸收塔内浆液的品质影响很大，如果废水系统未能正常运转，将会使重金属、氯离子、有机物、悬浮物及其他各种杂质大量富集，使得浆液品质逐渐恶化，加剧浆液起泡。
3.3 固态影响因素
石灰石中存在的一些成分以及设备自身带有的成分进入浆液也会加剧浆液起泡。
1）石灰石中镁离子的溶解度高于钙离子，石灰石中氧化镁含量过高时，与硫酸根和亚硫酸根反应产生大量溶解性盐，增加了浆液中的溶解盐浓度，进而提高形成泡沫的弹性，增强了泡沫的稳定性；石灰石中的惰性成分分散于吸收塔浆液中，引起吸收塔浆液恶化，同时易增加浆液黏度和泡沫稳定性，使泡沫不易消散；吸收塔浆液中大量氧化铝、微量金属元素的存在，也会增强气泡的机械强度，提高泡沫稳定性。
2）此外，设备长期运行会造成设备磨损，带出的金属元素等杂质渗入石灰石浆液，例如湿磨机中钢球磨损带出的铬、镍等金属元素会严重影响石膏浆液的品质。
3.4 设备扰动与设备故障
设备启停带来的扰动以及设备故障因素也会引起浆液起泡溢流，氧化风机或浆液循环泵的频繁启停因素和除雾器堵塞都会加剧浆液起泡。
1）吸收塔内为正压，如果氧化风机在运转时骤停，势必会导致液位的不稳定，易出现虹吸现象，引起浆液与泡沫层的溢流。
2）浆液循环泵是影响吸收塔内的浆液扰动的主要设备，运行浆液循环泵的切换、频繁启停以及设备故障，也会扰乱气液两相的平衡，使得浆液起泡更容易发生。
3）除雾器堵塞时，除雾器堵塞会阻碍除雾器冲洗水进入到吸收塔浆液内，引起浆液密度、黏度升高，生成的泡沫不易消除，进而造成浆液起泡溢流。
浆液起泡问题应从气态、液态、固态、设备扰动等方面进行分析，找出最主要的原因，这样才能对症下药、治根治本。
1）监测脱硫出入口烟尘浓度，若出脱硫出口烟尘浓度较入口有明显降低，则吸收塔内浆液中可能积累了大量烟尘，导致浆液恶化而起泡。提高除尘器除尘效率、降低脱硫入口粉尘浓度，若浆液起泡状况明显改善，则说明烟尘中有害成分的累积是浆液起泡的主要原因。
2）化验工艺水水质，分析其COD、Cl-、Mg2+、酸不溶物等关键性指标是否异常，判断工艺水的有机物积累、离子浓度、不溶物对吸收塔浆液有无影响。
3）对石灰石、石膏、浆液成分的化验分析，重点关注Mg2+、F-、Cl-、酸不溶物等成分含量是否超标，以分析出浆液起泡的原因。
4）对吸收塔所配氧化风机、浆液循环泵、除雾器等工作、运行情况进行考察，以判断是否因为设备运行操作不当引起浆液品质恶化，从而导致浆液起泡。
某电厂2号机组为600MW亚临界燃煤空冷机组，脱硫系统采用石灰石-石膏湿法液柱塔工艺。该厂2号机组于2020年5月5日启机，5月22日浆液起泡严重。
在此次起泡事故前，其设备运行状况良好，氧化风机与浆液循环泵未有频繁启停、电流波动大的状况，除雾器两侧压差较低，机组运行平稳，并且脱硫出入口粉尘质量浓度变化量<5 mg/m3，需要对相关样品进行采样分析，进一步诊断浆液起泡的原因。起泡浆液相关样品采样分析结果列于表1。
分析表1中的数据得出的结论如下：
1）工艺水中氯离子浓度偏高，使得进入吸收塔浆液的氯离子不断富集，造成吸收塔浆液品质恶化，增加了浆液起泡风险。
2）石灰石中有效成分含量偏低，杂质成分MgO、SiO2、Fe2O3含量较高，特别是MgO含量超标，导致浆液中大量镁离子与硫酸根和亚硫酸根反应产生溶解性盐，增加了浆液中的溶解盐浓度，使浆液黏度升高，提高了泡沫弹性。并且石灰石细度不合格，提高了吸收塔浆液的黏度，增强了生成泡沫的稳定性。因此石灰石品质及细度不合格为此次事故的主要原因。
表1 2号机组起泡浆液相关物质采样分析结果
3）吸收塔浆液中的Si、Mg、Al、F、Fe等元素含量过高，浆液品质恶化，产出石膏中的CaSO4·2H2O偏低。并且由于石灰石浆液细度不合格，石膏中出现了大量的CaCO3，进而导致石膏含水率过高，严重影响真空脱水皮带机脱石膏的工作，造成吸收塔浆液密度升高而易发生浆液起泡。
该厂随后更换了石灰石粉来源，浆液起泡现象得到了明显遏制。
石灰石-石膏湿法脱硫系统的运行中吸收塔浆液起泡溢流，严重影响脱硫系统的安全、稳定运行。文中介绍了浆液起泡机理，分析了浆液起泡的影响因素，提出了切实可行的诊断方法，并通过实例准确分析出了浆液起泡原因，验证了诊断方法的可靠性。
作者简介： 康秦豪，男，1994年出生，毕业于北京化工大学，助理工程师，研究方向为生物质热解、水解。
来源：山西化工
