湿法脱硫吸收塔参数测量改进探讨

湿法脱硫吸收塔参数测量改进探讨

任洪亮

天津华冶工程设计有限公司 天津市300270

摘 要：目前石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺广泛应用于国内火力发电厂，但石膏浆液密度和PH值两个参数的测量存在一定问题，仍需进一步优化和改进。本文针对传统测量方法存在的问题进行了分析，并给出了改进的方案，取得了较好的实际应用效果。

关键词：湿法脱硫；参数测量；存在问题；改进方案

0 引言

目前减少碳排放，保护生态环境，已成为世界人民的广泛共识。同时，保护生态环境，发达国家应该承担更多的责任，发展中国家也要发挥后发优势，避免走发达国家“先污染、后治理”的老路。我们必须走一条控制碳排放的新兴工业化道路，建设资源节约型、环境友好型社会。随着人们环保意识的不断增强，火力发电厂烟气脱硫在国内已经上升到政策层面，是我国“节能减排”的一项重要工作。“十四五”规划国家对“节能减排”又提出了更高的要求，烟气脱硫系统是任何电厂必须配置的装置之一。

火力发电厂的SO2吸收塔是石灰石-石膏湿法脱硫系统的核心装置，其中发生的物理和化学反应是SO2脱除的关键过程。吸收塔通常采用逆流喷雾塔设计，锅炉产生的烟气从进气口进入塔内上升区域，与雾状浆液逆流接触并发生化学反应。处理后的烟气经除雾器过滤，再通过湿式电除尘器进行二次除尘，最终经烟囱排入大气。

石灰石浆液通过喷嘴雾化，形成细小的液滴，均匀地喷入吸收塔内。这些液滴与塔内的烟气进行逆流接触，发生传质与吸收反应。在此过程中，烟气中的SO2、SO3及HCl、HF等有害物质被吸收。SO2的吸收产物在吸收塔底部的氧化区经过氧化和中和反应，最终转化为石膏。

化学过程描述如下：

（1）吸收反应

在吸收塔内，烟气与由喷嘴喷出的循环浆液进行充分接触，大部分SO2被循环浆液吸收。其反应过程如下：

SO2＋H2O→H2SO3

H2SO3→H＋＋HSO3－

（2）氧化反应

在吸收塔的喷淋区，部分HSO3－被烟气中的氧所氧化，而其余的HSO3－则在反应池中被氧化空气完全氧化，反应过程如下：

HSO3－＋O2→HSO4－

HSO4－→H＋＋SO42－

（3）中和反应

吸收剂浆液被引入吸收塔内，与氢离子发生中和反应，以保持吸收液的pH值恒定。中和后的浆液在塔内进行再循环。反应如下：

Ca2＋＋CO32－＋2H＋＋SO42－＋H2O→CaSO4·2H2O＋CO2↑

2H＋＋CO32－→H2O＋CO2↑

（4）其他污染物

烟气中的其他污染物如SO3、Cl－、F－和尘都被循环浆液吸收和捕集。SO3、HCl和HF与悬浮液中的石灰石按以下反应式发生反应：

SO3＋H2O→2H＋＋SO42－

CaCO3 +2 HCl<==>CaCl2 +CO2 ↑+H2O

CaCO3 +2 HF <==>CaF2 +CO2 ↑+H2O

CaCO3＋O2＋SO2＋2H2O→CaSO4·2H2O＋CO2↑

浆液循环泵将循环浆液（石灰石/石膏浆液组成）送入喷嘴喷淋，浆液自上而下与自下而上的烟气逆流充分接触后，除去烟气中的尘杂、溶解烟气中的SO2，并与CaCO3发生化学反应而被吸收，生成的CaSO3向下汇集至吸收塔的下部。吸收塔下部为氧化区和结晶区。在氧化区，氧化风机向氧化区浆液鼓送氧化空气，利用其中的O2将CaSO3氧化成CaSO4，石膏浆液在结晶区经石膏浆液泵排出。

在确保最佳的脱硫效率和脱硫产物成分方面，浆液的PH值扮演着关键角色。在PH值较低的情况下，虽然石灰石中的Ca2+能够更好地溶解，但SO2的吸收速率会随之降低，导致整体的吸收效率显著下滑。此外，PH值过低还会增加酸度，可能对设备造成一定程度的腐蚀。相反，当PH值较高时，总传质系数会增大，但CaSO3·H2O向CaSO4·H2O的转换反应速率会减缓，这不利于SO2的吸收。更严重的是，PH值过高可能导致脱硫产物在管道或其他部位结晶，加快了管道和喷嘴的磨损。

为了获得最佳的脱硫效果，需要根据烟气中SO2的量来精准调节吸收剂的加入量和循环浆液的PH值。任何PH值的偏差都可能直接影响到石灰石的加入量。例如，如果PH显示偏低但实际正常，石灰石浆液的投入量会相应增大，导致石膏中的碳酸钙含量增加，从而降低石膏品质和石灰石利用率，对脱硫运行的经济性造成影响。相反，如果PH显示偏高，石灰石的加入量则会减少，严重时可能导致脱硫效率降低。长期使用PH值过低的浆液还会加速塔内搅拌器、浆液循环泵、排出泵等金属过流部件的腐蚀，缩短设备使用寿命，增加脱硫运行成本，使脱硫系统的安全经济运行将得不到保证。

吸收塔浆液密度控制着塔内石膏浆液的排放，保持塔内物料的平衡。如果显示不准确，特别是显示数偏低时，容易造成由于实际液位偏高造成的浆液倒灌，影响脱硫系统安全运行的问题。浆液密度偏低，说明浆液中CaSO4·2H2O含量较低，CaCO3含量相对较高，如果此时排出将导致石膏中CaCO3含量增加，品质下降，同时也浪费了吸收剂。浆液密度偏高时，会使浆液的磨损性增加，减少金属材质的寿命。会造成循环泵、搅拌器等设备的电流增大，电耗升高。容易在塔内构件表面结垢，处理不好容易堵塞。会降低脱硫效率，降低石灰石的可利用率。

综上所述，吸收塔浆液的PH值及密度两个参数对湿法脱硫系统的安全经济运行起到了重要的监视作用。但目前所采用的测量方法都或多或少的存在一定的不足，下面就这两个参数的测量方法进行分析。

1 测量存在的问题

1.1浆液PH值测量

测量石膏浆液PH值的方法是将PH测量用玻璃电极浸入被测浆液中。常用的安装方法是将PH计安装在石膏排出泵出口回吸收塔分支管路上、吸收塔自流管道上或吸收塔本体上。然而这些安装方式均存在一些问题，由于石膏浆液对玻璃电极的长期冲刷，导致石膏晶体颗粒对玻璃电极造成磨损，使玻璃电极容易损坏，其使用寿命通常低于半年。此外，玻璃电极不能及时清洗，导致钙盐在其表面沉积，一段时间后会导致测量数据不准确。另外，管路堵塞也是石膏浆液PH值测量存在的问题之一。采用自流管道方法测量时，大量浆液排至地坑，这些浆液还需要通过地坑泵返回至吸收塔，这增加了地坑泵的运行时间，浪费了电能并加快了泵的磨损。

1.2 浆液密度测量

目前，石膏浆液密度的测量主要采用两种方法：

第一种是利用科里奥质量流量计进行测量。该方法通过石膏浆液流过密度计的谐振管来测定浆液密度。然而，由于石膏浆液含有石膏晶体颗粒，这些颗粒会对管壁造成磨损，从而限制了密度计的使用寿命。为了减少磨损，必须控制石膏浆液的流速，但流速降低可能会导致管路堵塞，而堵塞的石膏需要定期进行清理。此外，质量流量计的造价较高，且使用寿命约为1-2年，这使得设备更新和堵塞清理成为该测量方法的主要问题。该方法的测量原理是通过检测浆液密度对流量计共振频率的影响，计算出浆液密度。然而，这种方法存在多个产生误差的环节，如线性失真等，导致测量结果误差较大。此外，该仪表对外界振动干扰较为敏感，任何管道振动都可能导致数值波动，影响测量精度。

第二种方法是在吸收塔的不同高度安装多台压力变送器。这种方法基于物理定律“液体压强=液位＊液体密度*重力加速度”，但该定律仅在液体处于静止状态下才成立。然而，吸收塔内配备了搅拌器、超大倍率浆液循环泵和用于亚硫酸钙氧化的氧化风等设备。这些设备的运行导致塔内浆液状态变得复杂，并干扰了压力变送器的测量。因此，这种方法并不严谨，测量结果误差也较大。

目前石膏浆液密度的测量方法都存在一定的问题和局限性，仍需进一步改进和完善。

2 测量改进方案

针对现有测量方法存在的问题，本文提出了改进的方法，下面就此种方法进行分析论述。

该测量方法是在吸收塔底部较近位置（防止进口管过长发生堵塞）设置一根单独取样管，管径200mm。取样管进口接至吸收塔，出口管接至地坑，进、出口管径50mm。浆液密度仍采用“液体压强=液位高度＊液体密度*重力加速度”原理，在取样管固定高差位置开上下两个取样孔，安装两台压力变送器（或一台毛细管差压变送器）用于测量差压值，从而折算出浆液密度。在取样管的中间位置安装PH计，可安装一只，也可安装两只进行测量结果对比。取样管顶部设置漏斗形扩容装置，利于浆液内气体排出，对空排气管口朝下，防止污水、杂物进入，影响测量结果或堵塞取样管。在取样管顶部接入工艺水，在每个测量周期结束进行一次冲洗，保证取样管不堵塞的同时也对测量探头进行清洗，确保了测量结果的准确性。在取样进、出口管道及冲洗水管均设置电动阀门，在计算机控制系统的逻辑控制下实现每个测量周期的自动运行。

详见下图：

工作原理简介：取样测量装置安装在吸收塔底部位置，在取样管出口阀②关闭状态下打开进口阀①，吸收塔内浆液由于高差自流到取样管内，待取样管充满浆液时关闭进口阀①（由于实际制作的取样管长度、管径有所不同，浆液注满时间也不同。投运前可试验几次测试注满所需时间，即可设置自动关闭时间）。取样管上口为对空状态，待浆液静置一段时间后可自然排出浆液内气泡，此时根据④变送器1和⑤变送器2测量的差压值折算出的浆液密度是准确的，测量出的PH值也是准确的。测量完成后打开出口阀②，将浆液排放至地坑，打开冲洗水阀③对取样管进行冲洗，一个测量周期完成，如此往复。所有阀门的控制均纳入计算机控制系统，可根据逻辑自动控制，实现自动周期采样及数据记录。

3 改进方案分析

改进后的测量方法与先前相比，具有以下优点：

1）测量方法采用：液体压强等于液体密度、重力加速度与液体液位之积，即△p=ρgh（△p为两点间的差压；g为重力加速度；ρ为浆液密度；h为低压侧压力取样位置与高压侧压力取样位置的间距），压力与液位之间存在线性关系，这和物质密度由质量与体积的比值定义是等效的。这种测量方法仅涉及压力测量的误差，而不涉及其他物理量的转换。由于其简单性，它避免了非线性的失真，从而减少了误差的产生。

2）此方法采取将石膏浆液取出，待浆液处于静止将大量气泡排出、稳态后进行测量，测量浆液真实密度，准确判断浆液是否满足出石膏条件。待浆液稳定测量后立即放掉浆液，短期（测量可以瞬时完成）内浆液不会发生沉淀，该方法避免了其他各种测量方法由于介质不稳定因素带来的测量误差。

3）该测量方法取样管内浆液不存在长期流动状态，也就不会对PH计玻璃电极造成长时间冲刷，减少对电极的磨损，延长了设备使用寿命。同时每个测量周期都对取样管及时进行清洗，同时也清洗了PH计玻璃电极，保证了电极的清洁，确保了测量数据的准确。

4）该方法为周期性测量，每一个测量周期仅需浆液把取样管注满即可，整体排至地坑的浆液量很小，减少了地坑泵的工作时间，相比其他测量方式节约了大量的电能、减少了设备磨损。该方法及时对测量系统进行冲洗，不会形成沉积物，不会堵塞测量管路。即使由于操作不当造成取样管路堵塞，也可通过检测设备、管道简单的拆解即可解决，不会由于检测设备的检修影响整个脱硫系统运行。

5）整个测量系统可按上图现场制作即可，无需整体采购特殊设备。差压测量设备较质量流量计造价低，且性能稳定、精度高，极大的降低了建设初期设备采购成本，提高了测量的精确度。该测量系统简单、可靠，设备使用寿命长，测量系统不会整体损坏，无需更换整体设备，大大节省了运行期间的设备及人员维护费用。

6）该测量方法还可以随时校验测量仪表的准确性，只需在取样装置清洗后将取样管充满水，即可通过测量工艺水的密度、PH值初步校验测量仪表的准确性，此校验方法方便、可靠，操作便捷。

采取该方法也存在一定的瑕疵，测量的浆液密度值及PH值参数为不连续数值。但现阶段脱硫系统均采用分散控制系统（DCS）监控，DCS系统具有强大的数据采集处理功能，能实现对过程变量的处理包括正确性判断，数字滤波、非线性校正、工程单位转换及历史数据存储等。对间断性数据问题可在计算机控制系统内做出逻辑判断，筛选出正常测量时的有效数据作为自动控制及运行人员判断的依据。分散控制系统（DCS）可完美的解决这个问题。

该测量方法在我公司自主设计、设备单体采购集成、分包制作安装、并组织调试的山东某生物质发电项目脱硫系统中实际应用。该项目设置一座逆流式喷淋塔，浆液池直径7.2m，吸收区直径4.6m，高32m。设四层喷淋，对应四台浆液循环泵。石灰石制备系统包括：石灰石粉仓、星形给料机、石灰石浆液箱、石灰石浆液输送泵等。石膏脱水系统的主要设备有石膏浆液排出泵、石膏浆液旋流器、水环式真空泵和皮带脱水机等。经过一年多的实际运行，经查看计算机数据记录，实际脱硫效率≥98％，烟气排放指标达到“超净排”标准，吸收塔浆液浓度始终保持在1.08～1.20 kg/m3，吸收塔浆液PH值在5.0～5.8之间。该测量装置在一年多的实际运行使用过程中运行稳定，PH计及压力变送器均未出现损坏迹象，测量数据准确。经检修拆解观察，PH计玻璃电极未出现过度磨损现象，此种测量方法大大延长了PH计的使用寿命。基本无需人员过多维护，大大降低了设备维护费用、减轻了劳动强度，受到用户的认可。

4 结论

现有测量方法所选用的质量流量计及PH计大多选用进口设备，造价较高且使用周期较短。上述改进方案根本上解决了吸收塔浆液密度和PH值两个参数测量的问题，降低了初期的设备投资，减少了设备维护工作量，显著降低了脱硫热工设备的检修费用。同时，它也确保了测点的投运率和测量的准确性，为操作人员调整吸收塔的运行参数、保证脱硫效率和系统安全稳定运行提供了坚实的技术支持。更值得一提的是，由于测量数据的准确性，石灰石的投量得到了精确控制，避免了浪费，进一步降低了脱硫系统的运行成本，同时也保证了成品石膏的质量。该测量方法在现有石灰石-石膏湿法脱硫吸收塔参数测量改造中具有较高的推广意义。

参考文献：

［1］祝晓松《火电厂湿法烟气脱硫系统测量仪表的选型与应用》；《化学工程与装备》；2010-03-30

［2］吴佳楠《影响湿法脱硫效率的关键因素》；《化工设计通讯》；2019-11-08

［3］刘海峰《火电厂湿法烟气脱硫系统浆液密度测量设计与优化》；《消费电子》；2014-09-22

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