液柱+喷淋脱硫塔存在问题及处理【征文活动】

1 前言

湿法液柱烟气脱硫技术在2000年到2001年得到了工业试验[1]，但试验至今在我国自行设计与生产的机组较少，特别是前塔为液柱塔，后塔为喷淋塔技术目前投产的只有两家。故而在施工设计中还有很多问题未得到解决，本文将对其存在问题进行研究，提出解决方案，为该脱硫塔设计人员提供参考依据，为运行人员提供技术指导。

2 湿法液柱烟气脱硫技术

烟气进入塔后在下降中穿过脱硫剂浆液区，其反应区是含有脱硫剂的浆液向上喷射形成，先是自上而下与烟气逆流的液柱，然后在顶部巨散开，形成自上而下的与烟气顺流的液滴。液柱塔的平均粒径要大于喷淋塔的粒径，而且在整个流场里，液滴的破碎和凝聚一直在发生，这样抵消了烟气流速带来的负面影响，而且在接触时间上占了优势。喷淋塔和液柱塔在反应塔中都产生了大量的下落浆滴，其典型的传质反应小区域有些类似。不同之处在于，喷淋塔产生的液滴较小，且滴径分布均匀。而液柱塔中的流场湍动程度大，气液交织程度高。这表现在液柱塔的气滴没有稳定的接触界面，而是较为自由，其中涉及液柱的散落过程液滴的产生及下落过程。在此过程中，液柱的散落以及液滴之间的碰撞造成了气液接触新表面的不断产生。而且液滴的尺度比典型的喷淋塔液滴大，为液滴内部流动以及液滴振荡提供了充分的条件[2]。即液柱上升到达顶部后分散成细小的液滴，细小下落的液滴又与上升的液滴碰撞，更新传质表面，形成高密集液滴层，提高烟气与吸收液的混合，使气～液高效接触，加速SO2的吸收反应。液柱塔具有脱硫效率高，对煤种的适应性强。在满足入口SO2浓度在400～22000mg/Nm3之间的各种条件，都具有较高脱硫效率。液柱塔还具有吸收塔高度低、氧化池容积小、电耗低、维护简单等优点[1]。

3液柱+喷淋脱硫塔介绍

某电厂2×660MW机组燃用设计煤种含硫量为3.55%（原烟气中SO2含量为9425 mg/Nm3，校核煤种为4.02%（原烟气中SO2含量为11265 mg/Nm3），前塔采用三台浆液循环泵并列运行，脱硫塔形式为液柱塔，设计脱硫效率为83%，后塔采用两台浆液循环泵，脱硫塔形式为喷淋塔，设计脱硫效率为92.4%，后塔出口布置两层除雾器。全塔都采用方形塔，总的设计效率为98.7%。具体烟气流程见下图。

图一 液柱双塔烟气流程图

4 湿法液柱烟气脱硫技术设计存在问题

4.1 浆液循环泵位移及机封存在问题

目前国内生产的浆液循环泵在设计及制造时基本都是按喷淋塔运行方式进行设计，每台泵出口都未设置出口电动门，启动时浆液直接通过喷嘴直接回到塔内，故而启动时除了启动电流较大以外，轴向推力很小。但在液柱塔中由于浆液循环泵都采用母管制，故而泵出口都会设置出口电动阀门，防止浆液通过备用泵而返回到塔内从而影响脱硫效率。但启动时出口电动门全关，泵启动后到电动门开启前压力比额定压力上升量将达到3倍以上，故而对泵体推力大，从而使泵产生位移，从而导致泵与减速箱轴中心发生变化，而引起振动事故。根据某电厂在整套启动后与单体试验前水平振动升高约0.10mm，危及泵体安全运行可靠性，经停机检查，中心张口变化量最大为1mm。

机封设计时由于未考虑闭阀启动压力升高影响，在启动过程中，机封超过所能承受的额定压力，故而在启动中，机封变形，引起机封损坏。

4.2液柱喷嘴堵塞问题

由于液柱喷嘴安装时要注水平安装以保证每个喷嘴都能自下而上的喷射浆液，特别是为防止未端喷嘴有足够浆液喷出以防止烟气通道形成，喷嘴母管都要求水平安装。在机组停运浆液循环泵时，由于浓度较大的浆液在回流时流速低、粘性大，大量石膏产物将停留在喷嘴母管内，造成喷嘴堵塞，从而影响脱硫效率。

4.3前后塔密度差和氧化风量问题

液柱前塔与喷淋后塔中间依靠一块高度为13.5米的金属分隔墙。前塔由于浆液与烟气接触时间长，传质界面不断变新等优点，前塔效率明显高于后塔效率，主要反应区为前塔，故面前塔为SO2主要吸收区。加上后塔布置除雾器冲洗水等因素，后塔密度明显低于前塔。前后塔之间联通主要依靠后两根DN300的管道，但该塔设计理念主要是在运行中后塔浆液高度为13.5米（前塔正常液位在13米左右），后塔液体通过隔墙溢流到前塔，本塔设计前塔浆液浓度取30%（相当于密度为1200kg/m3），后塔液液浓度为15%（相当于密度为1100kg/m3）以减少后塔喷嘴磨损。前塔底部浆液产生压强为0.15kPa，后塔底部浆液产生压强为0.14kPa，由于前后塔存在压差，故而此时前后塔浆液靠两根DN300的管道由前塔向后塔流动，以调节前、后塔密度和液位，但在实际运行中，由于石膏浆液具有炸粘稠性，两根DN300的联通管道在压差较太小不能满足前后塔正常液位与密度，在运行中经常出现两塔液位相等情况，故而前塔密度高，而后塔密度低情况。另按前、后塔设计密度计算，前塔底部以上1米（氧化风支管出口标高）压力为0.15KPa，后塔底部以上1米（氧化风支管出口标高）压力为0.14 KPa。由于前塔压力高，后塔压力低，故而如果对前、后塔氧化风门调整不到位则会造成前塔氧化风量明显不足，后塔氧化风量过剩，造成前塔CaSO3·0.5H2O增加，石膏脱水困难。

4.4 脱硫塔周边地沟不能排浆

    脱硫前后塔都采用方形设计，本机组pH在线测量与密度在线测量装置和石膏排出泵底排及浆液循环泵底排管道都要经过一个或两个以上90°直角弯道，但由于石膏浆液密度大，加上地沟标高设计不合理，导致浆液在流动过程中流程长，转角多沿程阻力大且易于沉淀等因素，石膏浆液不能顺利流到地坑而堵塞在地沟内，2～3天就要清理一次地沟，造成现场文明生产不易保持，清沟费用大等问题。

4.5干湿界面结垢

前塔布置采用液柱喷淋，随着泵运行台数的增加，液柱高度会不断发生变化，故而在部分负荷和高负荷时始终有一部分塔体裸露于烟气中，此时设计人员考虑到该部分墙面会结垢，于是在干湿界面的四周布置了冲洗水，防止该墙体及上部梁结垢，但在运行中出现了大量结垢情况。

4.6石膏脱水困难

由于液柱脱硫塔脱硫效率高，适合在高硫煤中应用，脱硫效率达到98.7%，但在运行中脱率效率没有到达设计要求，运行人员在运行中初始阶段为了不影响机组接带负荷，提高pH以保证脱硫效率，但石膏脱水时“拉稀”，石膏品质严重不合格。

4.7脱硫效率偏低

   本脱硫塔形式为液柱塔，前塔设计脱硫效率为83%，后塔设计脱硫效率为92.4%，总的设计效率为98.7%，但在运行中效率在设计煤种时只能达到97%左右，从而达不到设计和运行要求。

5 存在问题解决方案

5.1浆液循环泵位移及机封损坏

    前塔浆液循环泵出口管道采用母管制，在启动初期为防止前塔浆液倒流，启动第二台及以上泵时须采用出口阀关闭启动，而出口管道较大，泵启动后出口阀门开完时间约为5分钟，此段时间内将出现闷泵情况，压力由正常运行时的0.2MPa升高到0.5MPa以上，比正常运行时的压力升高了2.5倍，此时产生大量的轴向推力。从而将循环泵产生位移，为限制其位移，可在泵上加装限位装置，克服泵的移动。

机械密封装置同样也主要存在启动阶段压力高而超压运行。此时可采用三种方法，一是提高机械密封的设计压力，以防止损坏机封；二是采用再循环，在泵启动阶段打开再循环门，防止超压运行；三是采用变频启动，启动后采用低频运行，待出口阀门全开后提高频率，以达到额定出力。以上几种方法中，方法一在设计时就应考虑，后期不易更改；方法二存在运行中再循环关闭不严，降低脱硫效率风险；方法三最为可靠，但只需改动一台循环泵就可实现，同时在运行中也可以实现节能调节作用。

5.2液柱喷嘴堵塞

机组每次停运最后一台浆液循环泵前，将前塔液柱喷嘴再循环阀打开，以使浆液通过再循环全部流回塔内，每次停机前须将浆液密度降低到1100～1080kg/m3 ,以降低浆液浓度，减少石膏堆积量。每次停运机组后须对前塔喷嘴进行检查，发现堵塞的喷嘴应及时清理干净。

5.3前后塔密度差和氧化风量平衡

前后塔由于在运行中，两根DN300的管道不能满足前后塔浆液循环要求，可在中间隔板上底部和中部开孔，以使两边的浆液建立循环系统。氧化风量的调整应根据亚硫酸钙含量调整，一般后塔氧化风量只需开1/4即可，但在运行中还要根据后塔CaSO3·0.5H2O含量进行调整。

5.4脱硫塔周边地沟不能排浆

    脱硫塔浆液由于密度高，粘性大，石膏较易沉淀等特性，方塔存在地沟转角多，路线长等，导致浆液不能顺利排到地坑，经实践应证明采用pH计、密度计设计成母管制，并调一定高度差，排浆时设置一路冲洗水，便于排浆时及时稀释和输送浆液，且每一个转角弯头处都采用法兰连接，发现堵管时便于及时疏通，解决了地沟排浆问题。

5.5干湿界面结垢

运行中，运行人员往往为了提高脱硫高效率而保持高的pH运行，但高pH运行时浆液中CaCO3含量高，增加了浆液积垢机率[2]，故而在运行中前塔pH控制在4.8～5.3，后塔pH控制在5.0～5.6之间，同时还应定期开启干湿界面冲洗水，实践证明每次开10分钟较为合理。同时根据资料[3]可知，当浆液中亚硫酸盐的氧化率在15%～90%范围时，脱硫系统易发生石膏结垢，当氧化率在15%以下时，易发生CCS（亚硫梳钙和硫酸钙的混合晶体）共沉淀，此时对石膏来说是在非饱和状态下进行，其结垢便不会发生，当氧化率在90%～95%以上时，浆液里有石膏晶体存在，硫酸钙将首先在其晶体上沉淀，从而避免设备表现上结垢。在湿法脱硫工艺中，为了防止结垢只有将氧化率控制在15%以下或90%以上，但氧化率过低亚硫酸钙含量过多，造成石膏脱水困难，石膏品质不合格。为防止结垢，氧化率的控制也至关重要，要求浆液中的石膏晶体（CaSO4·2H2O）含量在90%以上。

5.6石膏脱水困难

由于运行中脱硫效率未达到设计要求，运行人员经常将前塔pH控制在5.5～5.9，后塔pH控制在5.8～6.2之间，石膏中的CaCO3含量在2.4～2.6%之间，CaSO4·2H2O含量为60～70%，石膏晶体含量达不到要求，故而石膏脱水困难给运输和综合利用造成极大困难。根据资料[5]可知，浆液pH达到5.6以上时，CaSO4·2H2O含量迅速下降，当pH升高到6.0以上时，CaSO4·2H2O含量仅为70%左右。故而pH值升高对石膏晶体形成相当不利。在运行中初期提高pH值对运行确实能起到提高脱硫效率，但随着运行时间的增长，浆液中的H+增加，不利于Ca2+的溶解，反而使效率降低，同时浆液中CaSO4·2H2O含量也降低，造成石膏脱水困难。运行中前塔pH控制在4.9～5.4，后塔控制在5.1～5.6。运行一段时间后浆液中的CaSO4·2H2O含量达到98～92%。一级脱水中，旋流器脱水率要求底流浓度在45～60%（底流浓度在50%以上效果更佳），经测量在运行中旋流器底流浓度仅为42%，故而造成脱水困难，经改造将旋流器原沉沙嘴由原来的Ф28的改为了Ф25，经测量底流密度由原来的1314kg/m3升高到了目前的1520 kg/m3，根据公式C=（1－1/ρ）/（1－1/a )可算出改造前后底流浓度由42%提高到了60%，降低了石膏含水率。进一步改变了石膏品质，经化验石膏中CaSO4·2H2O含量达到了92%以上，含水率小于12%。

5、7脱硫效率低

由于前塔采用600个液柱喷嘴，在安装时很难达到垂直度都达到要求，故而交塔靠塔体边界难免存在“空隙”，造成烟气逃逸，后塔布置两台浆液循环泵，从循环泵的数量来看，当两台运行时浆液气液比为11L/m3,虽然已达到资料[6]推荐液气比，但目前国内一般都采用三层以上喷淋塔，这样可减少烟气“空隙”。后塔采用两层喷淋，对脱硫效率不利。针对此问题在不改变浆液循环泵的情况下可采用壁环与增加托盘的方法，壁环主要是防止塔壁边缘产生烟气逃逸，故而提高脱硫效率量较少。而脱硫托盘产生的阻力造成气体流量均匀地分布在塔截面。在气体和浆液刚接触时形成了这种阻力使浆液均布，并惠及到吸收区。因此，浆液和烟气的接触在整个吸收区域都被优化。在无托盘的喷淋空塔，烟气靠每次穿过喷雾层整流。但是，当烟气被连续的喷淋浆液阻力重新分布的时候，烟气已经过大多吸收区。这就没有充分利用所提供的L/G（液气比）。不均衡的气体分布导致在吸收塔截面上高或低的L/G。在L/G比设计值高的区域，脱除二氧化硫的效率也高于设计。托盘比喷淋层提供了更有效的烟气和浆液接触方式。众所周知，在气液吸收系统中接触设备是优化设计中最关键的设备。事实上，大多数电厂首台吸收塔采用填料或托盘。托盘在吸收塔内的作用通常是25至30L/G。也就是说，一个带有托盘的吸收塔比无托盘的空塔可以少25至30 L/G。根据资料显示在没有托盘的60L/G时可达到80％的脱硫效率，而有托盘的35L/G时也能达到。该数据还说明，在有单托盘的60L/G时，脱硫效率可以达到95%。

6结语

   液柱+喷淋塔在我国自行设计与使用技术发展至今应用较少，在设计与施工中还存在较多技术难题未得到突破，运行人员对其脱硫效率的掌控还不是成熟，在运行中只有多加思考与摸索才能解决现场存在问题。