王瑤瑤 包文運(yùn) 高良敏 劉 璐 向朝虎 司家濟(jì)

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2. 大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司特許經(jīng)營分公司， 南京 211106)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫漿液起泡溢流研究

王瑤瑤1包文運(yùn)2高良敏1劉 璐1向朝虎2司家濟(jì)1

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽 淮南 232001；2. 大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司特許經(jīng)營分公司， 南京 211106)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫運(yùn)行中，常會出現(xiàn)吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象。吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象不僅會降低脫硫效率，污染周圍環(huán)境，而且還會造成周圍設(shè)備的腐蝕，嚴(yán)重時整個脫硫系統(tǒng)將停運(yùn)并置換吸收塔內(nèi)的漿液。本文對吸收塔漿液溢流的現(xiàn)象、危害、起泡機(jī)理、原因等進(jìn)行了分析，并對影響溶液起泡特性的因素進(jìn)行歸納總結(jié)，提出了解決吸收塔漿液起泡溢流的對策。

石灰石-石膏法脫硫；漿液；起泡溢流

近年來火電行業(yè)的快速發(fā)展以及我國環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排制度的健全和規(guī)范，火力發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)是否能正常穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)是火電部門非常重視的問題[1-2]。目前石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(FGD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在火電企業(yè)的煙氣脫硫中，該法脫硫效率高、技術(shù)成熟、能耗低[3-5]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝核心部位為吸收塔，必須確保吸收塔脫硫效率≥95%，SO2等污染物應(yīng)達(dá)到環(huán)保排放要求。常采用測量吸收塔漿液兩點(diǎn)處的壓強(qiáng)差與漿液的密度，用這兩個參數(shù)計(jì)算得出吸收塔液位值。若吸收塔內(nèi)的漿液發(fā)生起泡，吸收塔內(nèi)真實(shí)液位將會由泡沫引起 “虛假液位”，高于顯示液位。再加上氧化空氣鼓入、攪拌器攪拌、底部漿液泵脈沖擾動和漿液噴淋等因素的綜合影響而引起液位波動，從而造成吸收塔內(nèi)漿液間歇性溢流[1]。吸收塔漿液起泡溢流主要是由于煙氣成分、工藝水質(zhì)、鍋爐燃燒狀況、入爐煤煤質(zhì)、石灰石粉成分及粉煤灰等因素的影響，致使吸收塔漿液頂部泛起大量粘性泡沫，液位顯示正常但會從吸收塔的溢流管道或者從吸收塔排水坑溢流[6]，且溢流出的漿液主要為灰黑色的泡沬。圖1、2為溢流出的泡沫和烘干的泡沫。

圖1 溢流泡沫

圖2 烘干泡沫

在起泡初始階段，若脫硫控制系統(tǒng)沒有能夠立即監(jiān)測，且未用合理可行的方法來抑制起泡的惡化，溢流泡沫不會自動消失，起泡程度會愈加嚴(yán)重，隨著起泡現(xiàn)象的加重，由間斷性的溢流變成了連續(xù)性的溢流[7]。漿液起泡溢流將帶來吸收塔液位無法在正常設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)；漫溢的泡沫污染吸收塔周圍環(huán)境，同時還造成漿液浪費(fèi)，脫硫效率降低、石膏質(zhì)量下降、增壓風(fēng)機(jī)或GGH(氣氣換熱器)正常運(yùn)行受到威脅等問題，影響了脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

本文就吸收塔起泡溢流進(jìn)行了全面分析及探討，包括起泡溢流現(xiàn)象、起泡機(jī)理、危害、原因分析、解決對策及影響溶液起泡特性的因素和消泡劑的作用原理。

1 吸收塔漿液起泡現(xiàn)象及其危害

1.1 虛假液位

吸收塔漿液溢流，漿液內(nèi)部起泡，但是漿液的液位卻顯示為正常，產(chǎn)生的泡沫造成“虛假液位”[8]，導(dǎo)致漿液從吸收塔的入口煙道處四處溢流。

1.2 漿液起泡

隨著起泡現(xiàn)象的嚴(yán)重，塔內(nèi)漿液將從吸收塔內(nèi)溢流。溢流大部分情況下都發(fā)生在溢流管處與吸收塔入口煙道內(nèi)。溢流的泡沫大多為濃黑或灰黑色，少數(shù)為淺棕色。當(dāng)泡沫流入地溝后，泡沫不容易破碎，流動性變差[9]。

1.3 漿液起泡溢流的危害

吸收塔漿液溢流量較大時，將會使脫硫效率降低，達(dá)不到脫硫效率標(biāo)準(zhǔn)值。而溢流出來的漿液，如不及時處理，就會對脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行造成危害[7]：

(1)吸收塔漿液溢流時，會造成漿液中毒。

(2)溢流漿液進(jìn)入煙道中，當(dāng)水分逐漸蒸發(fā)，體積發(fā)生膨脹，導(dǎo)致帶有結(jié)晶水的鹽產(chǎn)生嚴(yán)重的剝離損壞。

(3)溢流漿液通過煙道，到達(dá)增壓風(fēng)機(jī)出口，迫使增壓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，脫硫系統(tǒng)將被迫停止運(yùn)行[10]。

(4)脫硫液氧化效果不佳，漿液品質(zhì)惡化，造成漿液中毒。

(5)漿液溢流到煙道后，會減小煙道的流通面積，漿液干燥使煙道積灰逐漸嚴(yán)重，煙道阻力增加，影響鍋爐的安全運(yùn)行。

2 吸收塔漿液起泡機(jī)理

吸收塔內(nèi)的氣體有兩個來源，一為氧化亞硫酸鹽時提供的氧化風(fēng)量，二為經(jīng)過除塵后的煙氣進(jìn)入吸收塔。由于氣體與漿液間有一定的密度差，已經(jīng)形成的泡沫由于浮力作用上升至漿液表面。若此時漿液的表面張力較小，泡沫在攪拌器、氧化風(fēng)及漿液噴淋的作用下不易破滅，則泡沫易集聚。

可以得出，吸收塔漿液形成泡沫的三個條件：氣體與液體間連續(xù)的接觸；液體的表面張力較??；氣液的密度差較大[2]。

正常運(yùn)行的吸收塔中，在攪拌器、噴淋漿液及氧化風(fēng)的共同作用下，純凈的漿液表面會存在少量起泡，只不過在起泡過程中，泡沫的液膜越來越薄，當(dāng)液膜的厚度低于臨界值厚度時將自然破裂[9]，吸收塔漿液起泡，漿液成分復(fù)雜，混入表面活性物質(zhì)或起泡物質(zhì)時，增加了氣泡液膜強(qiáng)度和厚度，增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致漿液起泡溢流現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 影響溶液起泡特性的因素

3.1 影響溶液起泡能力的因素

影響溶液起泡能力的因素有：表面張力和溶液濃度。

3.1.1 表面張力

溶液的表面張力較小，此時形成的泡沫體積較小，泡沫的表面積小，故氣-液體系的能量增加相對較少，泡沫破滅時氣-液體系的能量下降的也相對較少。表面張力小有助于泡沫的形成，且生成泡沫表面積固定時，做的功少；表面張力大，泡沫易破滅。

3.1.2 溶液濃度

溶液濃度與漿液的起泡能力有關(guān)，隨著溶液濃度的增加，溶液的起泡能力也增加。當(dāng)溶液的濃度達(dá)到一定值時，起泡的能力達(dá)到最高并趨于不變[11]。

3.2 影響溶液泡沫穩(wěn)定性的因素

影響泡沫穩(wěn)定性的因素有：表面張力、溶液的表面黏度、溶液泡沫雙氣-液界面結(jié)構(gòu)液膜的彈性和擴(kuò)散、雙氣-液界面結(jié)構(gòu)表面電荷和溶液中雜質(zhì)分子結(jié)構(gòu)。

3.2.1 溶液的表面張力

表面張力越大，氣泡半徑越大，液膜的厚度越薄，越易破滅。降低了表面張力減少了氣-液表面的自由焓，對泡沫的形成穩(wěn)定性有一定的促進(jìn)。沈崢[11]對不同的表面活性劑的溶液的表面張力、表面黏度和泡沫壽命進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了表面張力不是泡沫穩(wěn)定性的決定性因素。

3.2.2 溶液的表面黏度

液膜的強(qiáng)度是泡沫穩(wěn)定性的主要因素，而表征液膜強(qiáng)度的參數(shù)為表面黏度。由曲彥平[12]的實(shí)驗(yàn)可以得出：溶液的表面黏度越大，泡沫的壽命越長，即穩(wěn)定性越好。反之，泡沫的壽命短，穩(wěn)定性降低。

3.2.3 溶液泡沫雙氣-液界面結(jié)構(gòu)液膜的彈性和擴(kuò)散

溶液泡沫液膜彈性，是指當(dāng)泡沫在受到外力影響，造成局部變形后的自我修復(fù)能力。形成泡沫的液膜彈性愈大則液膜自我修復(fù)能力愈強(qiáng)，泡沫愈不易破裂。

溶液泡沫雙氣-液界面結(jié)構(gòu)液膜的擴(kuò)散，在溶液中形成大小不一的氣泡之間會有壓力差的作用，氣泡相對較小時將會使氣體向氣泡相對較大擴(kuò)散，致使小氣泡越來越小直到消失；而大氣泡因?yàn)閿U(kuò)散而接收到了氣體，起泡的體積越來越大，越來越不穩(wěn)定。

3.2.4 雙氣-液界面結(jié)構(gòu)表面電荷

當(dāng)雙氣-液界面結(jié)構(gòu)表面帶有同種電荷，液膜變薄到一定程度時，同種電荷間會產(chǎn)生相互排斥的力，會抑制液膜變薄，避免氣泡破滅。

3.2.5 溶液中雜質(zhì)分子影響

當(dāng)溶液中混入表面活性劑物質(zhì)時，會在雙氣-液界面相互作用和聚集，集聚物之間會產(chǎn)生互斥力，防止液膜變薄，使泡沫趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 吸收塔漿液起泡原因分析

吸收塔漿液起泡的原因主要考慮的是：工況、煙氣成分、工藝水水質(zhì)、石灰石成分。

4.1 煙氣成分

煙氣成分中主要考慮煙氣中的有機(jī)物或者重金屬含量增加，導(dǎo)致漿液中的有機(jī)物與重金屬含量的增加。鍋爐燃燒運(yùn)行過程中，投加的油或者煤未完全燃燒，就會有部分還未被完全燃燒的碳顆?；蚪褂偷入S煙氣的流動進(jìn)入吸收塔漿液內(nèi)。吸收塔中的有機(jī)物在漿液中不斷積累富集，會引起皂化反應(yīng)并形成油膜；如果除塵器的除塵效果不好，會使得煙氣中惰性物質(zhì)增多，煙氣與漿液反應(yīng)后，在漿液中的重金屬含量增加，隨著時間而富集，這些重金屬在漿液表面增加了其表面張力，繼而影響了漿液的起泡[10]。

4.2 石灰石成分

石灰石中MgO自身可以作為脫硫添加劑，但是若石灰石中的MgO含量偏高，不但會影響石膏的凝結(jié)與脫水，還會與硫酸根離子反應(yīng)生成大量的泡沫，這也是泡沫滅火器的原理[9]。

4.3 工藝水水質(zhì)

工藝水與磨好的石灰石原料通過一定的固液配比形成石灰石漿液，即為新鮮漿液。如果工藝水中化學(xué)需氧量(COD)、生化需要量(BOD)等含量超標(biāo)，將會使?jié){液的品質(zhì)惡化，也會導(dǎo)致漿液起泡現(xiàn)象。

4.4 工況

工況主要為運(yùn)行中鼓入的氧化風(fēng)量調(diào)節(jié)，鼓入的氧化風(fēng)量主要是將亞硫酸鹽氧化成硫酸鹽形成石膏，其風(fēng)量值由所燃燒的煤含硫量計(jì)算獲得。當(dāng)氧化風(fēng)量不足時，漿液中的亞硫酸鹽含量過高，影響石膏的品質(zhì)；當(dāng)氧化風(fēng)量過高，則多余的以氣泡的形式溢流至漿液的表面，為漿液起泡創(chuàng)造了有利的氣體條件。

工況的另一方面，氧化風(fēng)機(jī)的瞬時停運(yùn)，會使?jié){液的液面穩(wěn)定被打破，從而造成大量的漿液溢流。

5 吸收塔漿液溢流的解決對策

吸收塔漿液一旦起泡溢流后，要立即采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法，避免造成事故。處理方法有：

(1)在未起泡前，嚴(yán)格控制進(jìn)入吸收塔內(nèi)各種會引起漿液起泡的物質(zhì)；

(2)在起泡時，通過調(diào)節(jié)運(yùn)行工況減緩漿液起泡的現(xiàn)象；

(3)在起泡時，消除已經(jīng)產(chǎn)生的泡沫。

5.1 起泡前的吸收塔漿液管理

(1)嚴(yán)格控制石灰石原料中各組分的質(zhì)量百分比，每車石灰石原料應(yīng)先進(jìn)行化驗(yàn)，滿足碳酸鈣、氧化鎂、二氧化硅含量的最高或最低限制，才允許進(jìn)入石灰石料倉。

(2)嚴(yán)格控制工藝水的水質(zhì)，每周進(jìn)行一次工藝水的水質(zhì)化驗(yàn)，主要關(guān)注工藝水中COD、BOD、氯離子、Ca2+、Mg2+含量。加強(qiáng)工藝水的處理，如過濾、沉淀。

(3)增強(qiáng)吸收塔漿液、石灰石漿液、廢水、石灰石粉、石膏、煙氣中飛灰的化學(xué)分析工作，通過化驗(yàn)結(jié)果來有效的控制運(yùn)行狀況。發(fā)現(xiàn)漿液品質(zhì)惡化，如氯離子高于設(shè)計(jì)值，及時采取處理手段。

(4)制定嚴(yán)格的運(yùn)行制度。加強(qiáng)燃燒系統(tǒng)的調(diào)整，使煤能夠完全燃燒，避免飛灰中含碳量超標(biāo)；在主機(jī)投油時，嚴(yán)格控制油類進(jìn)入煙氣系統(tǒng)，出現(xiàn)故障時，及時通知脫硫運(yùn)行人員。

(5)堅(jiān)持脫硫廢水的定期排放。若脫硫廢水回流至吸收塔漿液，就會造成重金屬、有機(jī)物、氯離子及各種雜質(zhì)的進(jìn)一步富集，使?jié){液品質(zhì)惡化，引起漿液起泡溢流。脫硫廢水可以通過一定的處理手段，使其達(dá)到工藝水的使用要求，循環(huán)利用。

(6)用物料平衡核算氧化空氣用量，避免吸收塔中有富余的空氣量以氣泡形式溢流至漿液表面，導(dǎo)致漿液起泡溢流[6]。

5.2 起泡后的吸收塔漿液管理

(1)起泡后，降低吸收塔漿液的液位，不僅可以減少被污染的漿液的置換量，還可以使吸收塔內(nèi)有足夠的空間減緩漿液泡沫溢流至吸收塔外，減緩周圍設(shè)備的損壞。

(2)密切注意氧化風(fēng)機(jī)的使用狀態(tài)，保證備用設(shè)備狀態(tài)良好。一旦發(fā)生氧化風(fēng)機(jī)停運(yùn)，立即換備用的氧化風(fēng)機(jī)。

(3)置換吸收塔漿液，注入新鮮石灰石漿液。不過這種方法只有在其他方法已經(jīng)不能有效控制漿液的溢流時采用的手段，主要因?yàn)橹脫Q漿液耗時大，過程繁瑣，整個脫硫系統(tǒng)得停運(yùn)。

(4)加入專用脫硫消泡劑。從吸收塔排水坑定期加入脫硫?qū)Ｓ孟輨谖账畛醭霈F(xiàn)起泡溢流時，消泡劑加入量較大，在連續(xù)加入一段時間后，泡沫層逐漸變薄，減少加入量，直至穩(wěn)定在一定加藥量上或完全退出消泡劑的使用[10]。

6 結(jié)語

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫運(yùn)行中，常會出現(xiàn)吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象。吸收塔漿液起泡溢流現(xiàn)象不僅會降低脫硫效率，污染廠區(qū)環(huán)境，而且還會造成設(shè)備的腐蝕，嚴(yán)重時整個脫硫系統(tǒng)將停運(yùn)并置換吸收塔內(nèi)的漿液。對于漿液起泡溢流，要根據(jù)漿液起泡的原因來采取預(yù)防手段，一旦出現(xiàn)漿液溢流現(xiàn)象，要及時通知脫硫運(yùn)行人員，采取有效措施減緩起泡溢流或者消除已經(jīng)產(chǎn)生泡沫，確保整個煙氣脫硫系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

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A study on serous bubbles overflows in limestone-gypsum wet flue gas desulfurization technology

Wang Yaoyao1, Bao Wenyun2, Gao Liangmin1, Liu Lu1, Xiang Zhaohu2, Si Jiaji1

(1.School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001;2.Datang Environment Industry Group Co., Ltd. Nanjing, 211106, China)

During the operation of the limestone-gypsum wet flue gas desulfurization, bubble overflow in slurry from absorption tower is frequently witnessed. This phenomenon may decrease efficiency of the desulfurization and pollute the surrounding environment; or, it may cause corrosion of surrounding equipments; and in the worst case, it may cause the shut-down of the whole desulfurization system for replacing the slurry in the absorption tower. This paper reports results from an analysis on the phenomenon of bubble overflow in slurry from absorption tower and its hazards, the foaming mechanism of bubble overflow and the causes of bubble overflow; and summarizes the factors affecting foaming characteristics, and finally puts forward the solutions for dealing with the problem.

the limestone - gypsum desulphurization; slurry; foam overflow

中國大唐集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目“火力發(fā)電廠脫硫吸收塔起泡機(jī)理研究”(DTEG-KY-2016-10)

2016-12-07;2017-02-21修回

王瑤瑤(1993-)，女，安徽黃山人，在讀研究生，研究方向：水污染控制，Email:fswangyaoyao@163.com

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