石灰石/石灰—石膏湿法脱硫浆液溢流问题研究
摘要:在火电厂石灰石/石灰—石膏湿法脱硫系统中,吸收塔浆液溢流是运行过程中常见的问题之一,它对FGD系统的稳定运行非常不利。分析了吸收塔浆液溢流的成因,介绍了浆液溢流对FGD系统运行的危害,提出了吸收塔浆液溢流的预防和处理措施。
关键词:湿法烟气脱硫,浆液溢流,真实液位,虚假液位,消泡剂
在石灰石/石灰—石膏湿法脱硫系统运行过程中,常常会有吸收塔液位显示正常却发生溢流的现象。当浆液溢流严重时,如果脱硫控制系统未及时监测到并采取有效措施,吸收塔液位就无法维持在设计水平,会带来脱硫效率、石膏品质等方面的问题,对FGD装置的稳定运行十分不利。
1 浆液溢流成因
吸收塔浆液溢流主要是泡沫引起的“虚假液位”造成的。气泡或泡沫会导致吸收塔内浆液不均匀,而浆液密度计取样来自吸收塔底部,底部浆液密度大于氧化区上部浆液密度,使得仪表显示值偏低。引起吸收塔溢流的原因主要有:
(1)吸收塔浆液中有机物含量增加。锅炉燃烧不充分或在运行过程中投油,飞灰中部分未燃尽物质(包括碳颗粒或焦油)随烟气进入吸收塔,使吸收塔浆液中的有机物含量增加,发生皂化反应,在浆液表面形成油膜,被氧化风机鼓入的高压空气“压迫” 导致溢流。
(2)吸收塔浆液中重金属含量增加。锅炉尾部除尘器运行状况不佳,烟气粉尘浓度超标,含有大量惰性物质的杂质进入吸收塔后,致使吸收塔浆液重金属含量增高;石灰石含有的微量金属元素(如Cd、 Ni等) 、湿式球磨机的钢球磨损等也会引起吸收塔浆池中重金属元素的富集。重金属离子增多会使浆液表面张力增加,从而在浆液表面产生泡沫。起泡不仅会抬升吸收塔液位,吸收塔还会由于虹吸作用而发生溢流。
(3)石灰石成分因素。石灰石遇稀醋酸、稀盐酸、稀硝酸发生泡沸,高温条件下分解为氧化钙和二氧化碳。石灰石中含有MgO,如果MgO含量超标不仅影响脱硫效率,与SO2 -4 反应会产生大量泡沫。如果石灰石成分发生某种变化,在吸收塔浆池中产生某种天然无机发泡剂,如NaHCO3、Al2 ( SO4 ) 3 等, 混合在一起会发生反应,产生大量的CO2 气体。
(4)在FGD系统运行过程中,如果停运氧化风机或启动浆液循环泵,则吸收塔浆液的气液平衡会被破坏,导致吸收塔浆液大量溢流。对于固定管网式氧化风机,因其空气孔朝下,氧化风机处于开启状态时,泡沫被鼓入的氧化空气吹破; 氧化风机停运时,大量泡沫生成,致使吸收塔溢流。例如:江苏利港发电厂4号吸收塔正常运行液位约10. 5m,溢流口标高11. 7m,强制氧化方式为固定式空气喷射器, 2007-05-02,运行的氧化风机因故障需检修,停运后发现吸收塔液位不断升高, 10min后液位达到 12. 4m,吸收塔溢流口有大量浆液溢出;利港发电厂 5号吸收塔的正常运行液位约11. 3m,溢流口标高 12. 75m,强制氧化方式为搅拌器加空气喷枪组合,2007-07-05,启动备用循环浆液泵3min后,发现吸收塔溢流口有大量溢流浆液,而吸收塔液位显示值仍在11. 1m左右[ 2 ] 。
(5)溢流管设计不合理,产生虹吸现象。一旦出现虹吸现象,只要吸收塔内液位高于溢流液的终点液位就会连续溢流。虹吸现象是液态分子间引力与位差造成的,利用液柱压力差,使液体上升再流到低处。由于管口液面承受不同的大气压力,液体会由压力大的一边流向压力小的一边,直到两边的大气压力相等,容器内的液面变成相同高度,液体才会停止流动。
(6)吸收塔补充水水质达不到设计要求, COD、 BOD等含量超标。
(7) FGD脱水系统或废水处理系统不能正常投入,致使吸收塔浆液品质逐渐恶化。
2 浆液溢流的危害
在FGD系统正常运行的情况下,吸收塔溢流出来的浆液通过溢流管排入吸收塔区地坑,再由地坑泵打回吸收塔重复使用,这对整个FGD系统的运行不会造成影响。如果FGD系统运行不当,如锅炉在 FGD运行过程中投油、烟气中粉尘含量过大等,使吸收塔浆液中含有较多有机物、重金属离子、盐类和其他组分,这会增加气泡液膜的机械强度和泡沫的稳定性,增强浆液的表面张力。这时,无论是氧化风机鼓入空气产生的气泡,还是喷嘴喷淋下的浆液,均能被烟气托浮,产生“虚假液位”。
总的来说,吸收塔浆液溢流的危害主要有:
(1) FGD系统运行恶化。溢流浆液量较大时, 浆液从脱硫反应塔的溢流管大量涌出,吸收塔液位在短时间内急剧下降,液面无法维持原设计水平,使得脱硫效率降低。脱硫反应的氧化效果不能够得到保证,致使浆液中亚硫酸盐的含量逐渐增高,石膏品质恶化,这对脱硫装置的稳定运行十分不利。而溢出的浆液在FGD系统四周大量漫流,严重污染机组设备和厂区环境。
(2) FGD 系统设备损坏。如果“虚假液位”过高,溢流浆液甚至会倒流至增压风机出口。在运行操作人员没有及时发现、增压风机没有跳闸的情况下,溢流浆液猛烈冲击正在运行的风机叶片,造成叶片断裂,致使增压风机停运,进而脱硫系统被迫停运。如果系统不设置旁路烟气挡板,则主机也将被迫停运,计一次非停,损失严重[ 3 ] 。增压风机停运后必须检修,如需更换叶片则周期更长,严重影响了脱硫系统的正常运行。
(3)烟道防腐层破坏与腐蚀。溢流浆液进入烟道,浆液中的硫酸盐和亚硫酸盐随浆液渗到防腐层表面的毛细孔内。当水分逐渐蒸发,浆液中的硫酸盐和亚硫酸盐析出并形成结晶盐,同时体积膨胀,使防腐材料产生内应力,致使其脱皮、疏松或裂缝损坏。带结晶水的盐,在干、湿交替的环境下,体积可以增加几倍甚至几十倍,应力更大,会导致严重的剥离损坏[ 4 ] 。而且,浆液还会沉积在未防腐的原烟道中,产生烟道垢下腐蚀,缩短烟道的使用寿命和检修周期,影响机组正常运行。
(4)烟气系统积灰、堵塞。溢流浆液在吸收塔入口形成大量的石膏垢,会造成烟道积灰、阻力增加,还会造成GGH换热面堵塞,影响FGD系统和锅炉的安全运行。江苏华电扬州发电有限公司配套的石灰石—石膏简易湿法脱硫装置在机组停运检修期间,对吸收塔入口检查时发现有大量的石膏结垢,同时部分浆液进入GGH,将GGH低部密封水槽堵死, 严重时造成GGH换热面的堵塞[ 5 ] 。
(5)液位控制困难。吸收塔内浆液起泡严重时,石膏排出泵入口浆液泡沫增加,泵出口压力降低,无法正常排出石膏,致使吸收塔内浆液密度逐渐上升,液位难以控制。
3 浆液溢流的预防与处理
3. 1 预防措施
(1)调整吸收塔液位。确定合理的吸收塔运行液位,减小浆液溢流量,防止浆液进入吸收塔入口烟道。随着吸收塔内化学反应的不断进行,浆液的浓度会不断上升。因此,应定期对液位计进行校对,根据吸收塔浆液密度来调整DCS液位显示值,保证脱硫控制系统显示值的正确性。同时,控制吸收塔内实际液位仅高于塔体溢流口高度,防止烟气泄漏。如天津大港电厂2号FGD系统投产后发生多次吸收塔溢流,采取的措施就是将吸收塔液位稳定在一个比较低的水平,定期校对DCS液位和就地显示, 停运相关设备前、后密切监视吸收塔状况[ 6 ] 。
(2)控制吸收塔补水。严格控制吸收塔补充水水质,加强过滤和预处理,降低其COD、BOD含量, 使补充水的参数指标处于设计值范围之内。FGD系统正常运行时,吸收塔补水主要来源于除雾器冲洗水,少量来自搅拌器、浆液泵、循环泵等设备的机封冷却水和浆液管路冲洗水。还应确保除雾器冲洗水量达到规程要求,防止除雾器结垢;在满足泵和搅拌器运行需要的前提下尽量减少机封冷却水量;严格控制浆液管线的冲洗水量,冲洗出水只要达到澄清就停运,防止过多的水进入吸收塔。此外,除雾器冲洗是消除泡沫的有效手段,水喷淋可减少泡沫积累。因此,除雾器冲洗可在保证液位的前提下少量多次,或者在呼吸孔喷水打散泡沫,防止泡沫溢出。
(3) 控制浆液和废水品质。将石灰组分(如 MgO、SiO2 等)控制在要求范围内,加大石膏浆液排出量,降低排石膏时的吸收塔浆液密度,保证新鲜浆液的补入。同时,加强吸收塔浆液、废水、石灰石浆液、石灰石粉和石膏的化学分析工作,有效监控脱硫系统运行状况,发现浆液品质有恶化趋势应及时采取处理措施。按照系统运行要求排放脱硫废水,以降低吸收塔浆液中重金属离子、Cl- 、有机物、悬浮物及各种杂质的含量,保证塔内浆液的品质,减少泡沫的形成。
(4)核算氧化空气用量。设计时根据物料平衡关系计算和校核氧化空气用量,避免浆液中的剩余空气以气泡的形式从氧化区底部溢至浆液表面,导致吸收塔浆液泡沫的增加。
(5)加强氧化风机运行管理。FGD系统运行过程中,检查氧化风机的运行状况,保证备用氧化风机处于良好的状态,一旦运行风机停运,要保证能够及时启动备用风机,以免发生虹吸现象而造成大量浆液溢流。
(6)改进溢流管设计。对于因溢流管虹吸而造成的吸收塔溢流,设计时可在溢流管最高点加装对大气的排放直管来破坏虹吸现象。
(7)主机运行管理。在主机投油或除尘装置出现故障时,及时通知脱硫运行人员。如果投油时间较短或除尘装置能较快修复,可采用暂时打开旁路烟气挡板,调小增压风机叶片开度的运行方式,最大程度地减少进入到脱硫系统的未燃尽成分或飞灰。如投油时间较长或除尘装置处理周期较长,则FGD 系统必须停运。
3. 2 处理措施[ 2 - 3]
(1)添加脱硫专用消泡剂。抑制吸收塔溢流的有效手段是向吸收塔区地坑定期加入脱硫专用消泡剂(如有机硅消泡剂) 。在吸收塔出现起泡溢流初期,消泡剂加入量较大,在连续加入一段时间后,泡沫层逐渐变薄,可减少加入量,直至达到稳定的加药量。需要指出的是,消泡剂只能暂时缓解,不能根本解决吸收塔浆液起泡问题,一旦停止加入消泡剂,吸收塔浆液有可能重新出现起泡溢流现象。
(2)调整浆液循环泵。在可以暂时忽略FGD系统脱硫效率的条件下,停运1台浆液循环泵以减少浆液循环量、减小吸收塔内部浆液的扰动。
(3) FGD系统运行管理。一旦发生浆液溢流现象,应打开烟道底部疏水阀进行疏水,防止浆液溢流至增压风机出口段。检查吸收塔入口烟气温度,如果出现温度突然大幅降低的情况,说明浆液大量溢流进入烟道,要及时采取处理措施。
(4)换置浆液。如果已有效地控制了工艺水品质、石灰石浆液品质,且石膏浆液脱水系统、废水处理系统运行正常,但吸收塔浆液仍然经常性溢流,就需要倒空吸收塔内的浆液,重新上浆。
4 结语
吸收塔浆液溢流是火电厂石灰石/石灰—石膏湿法脱硫系统常见的问题之一,对FGD系统的稳定运行非常不利。因此,在FGD系统运行过程中,应适时监控吸收塔浆液状况,一旦出现浆液溢流,及时采取如降低吸收塔浆液液位、减小浆液供给量、调整浆液循环泵、加脱硫专用消泡剂等有效措施来确保 FGD系统的安全、稳定运行。
参考文献:
[ 1 ]中华人民共和国环境保护部. 中国环境状况公报( 2007年) [ J ]. 环境经济, 2008, (9) : 10 - 32.
[ 2 ]孙旭峰,倪迎春,彭海. 烟气脱硫装置安全经济运行的分析及措施[ J ]. 电力科学与工程, 2008, 24 (5) : 1 - 4.
[ 3 ]禾志强,田雁冰,沈建军,等. 石灰石—石膏法脱硫浆液起泡研究 [ J ]. 电力环境保护, 2008, 24 (4) : 11 - 13.
[ 4 ]曾庭华,杨华,马斌,等. 湿法烟气脱硫系统的安全性及优化 [M ]. 北京:中国电力出版社, 2003.
[ 5 ]居进. 石灰石一石膏湿法脱硫系统运行中存在的问题及探讨 [ J ]. 科技创新导报, 2008, (6) : 150 - 151.
[ 6 ]柳玉宾,李庆,曹志华. 大港发电厂脱硫系统特点及常见问题对策[ J ]. 华北电力技术, 2007, (8) : 1 - 4.
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