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液柱+噴淋脫硫塔存在問題及處理
1前言：濕法液柱煙氣脫硫技術(shù)在2000年到2001年得到了工業(yè)試驗[1]，但試驗至今在我國自行設(shè)計與生產(chǎn)的機組較少，特別是前塔為液柱塔，后塔為噴淋塔技術(shù)目前投產(chǎn)的只有兩家。故而在施工設(shè)計中還有很多問題未得到解決，本文將對其存在問題進行研究，提出解決方案，為該脫硫塔設(shè)計人員提供參考依據(jù)，為運行人員提供技術(shù)指導(dǎo)。
2濕法液柱煙氣脫硫技術(shù)
煙氣進入塔后在下降中穿過脫硫劑漿液區(qū)，其反應(yīng)區(qū)是含有脫硫劑的漿液向上噴射形成，先是自上而下與煙氣逆流的液柱，然后在頂部巨散開，形成自上而下的與煙氣順流的液滴。液柱塔的平均粒徑要大于噴淋塔的粒徑，而且在整個流場里，液滴的破碎和凝聚一直在發(fā)生，這樣抵消了煙氣流速帶來的負面影響，而且在接觸時間上占了優(yōu)勢。
噴淋塔和液柱塔在反應(yīng)塔中都產(chǎn)生了大量的下落漿滴，其典型的傳質(zhì)反應(yīng)小區(qū)域有些類似。不同之處在于，噴淋塔產(chǎn)生的液滴較小，且滴徑分布均勻。而液柱塔中的流場湍動程度大，氣液交織程度高。這表現(xiàn)在液柱塔的氣滴沒有穩(wěn)定的接觸界面，而是較為自由，其中涉及液柱的散落過程液滴的產(chǎn)生及下落過程。
在此過程中，液柱的散落以及液滴之間的碰撞造成了氣液接觸新表面的不斷產(chǎn)生。而且液滴的尺度比典型的噴淋塔液滴大，為液滴內(nèi)部流動以及液滴振蕩提供了充分的條件[2]。即液柱上升到達頂部后分散成細小的液滴，細小下落的液滴又與上升的液滴碰撞，更新傳質(zhì)表面，形成高密集液滴層，提高煙氣與吸收液的混合，使氣～液接觸，加速SO2的吸收反應(yīng)。
液柱塔具有脫硫效率高，對煤種的適應(yīng)性強。在滿足入口SO2濃度在400～22000mg/Nm3之間的各種條件，都具有較高脫硫效率。液柱塔還具有吸收塔高度低、氧化池容積小、電耗低、維護簡單等優(yōu)點[1]。
3液柱+噴淋脫硫塔介紹
某電廠2×660MW機組燃用設(shè)計煤種含硫量為3.55%（原煙氣中SO2含量為9425mg/Nm3，校核煤種為4.02%（原煙氣中SO2含量為11265mg/Nm3），前塔采用三臺漿液循環(huán)泵并列運行，脫硫塔形式為液柱塔，設(shè)計脫硫效率為83%，后塔采用兩臺漿液循環(huán)泵，脫硫塔形式為噴淋塔，設(shè)計脫硫效率為92.4%，后塔出口布置兩層除霧器。全塔都采用方形塔，總的設(shè)計效率為98.7%。具體煙氣流程見下圖。
圖一液柱雙塔煙氣流程圖
4濕法液柱煙氣脫硫技術(shù)設(shè)計存在問題
4.1漿液循環(huán)泵位移及機封存在問題
目前國內(nèi)生產(chǎn)的漿液循環(huán)泵在設(shè)計及制造時基本都是按噴淋塔運行方式進行設(shè)計，每臺泵出口都未設(shè)置出口電動門，啟動時漿液直接通過噴嘴直接回到塔內(nèi)，故而啟動時除了啟動電流較大以外，軸向推力很小。但在液柱塔中由于漿液循環(huán)泵都采用母管制，故而泵出口都會設(shè)置出口電動閥門，防止?jié){液通過備用泵而返回到塔內(nèi)從而影響脫硫效率。
但啟動時出口電動門全關(guān)，泵啟動后到電動門開啟前壓力比額定壓力上升量將達到3倍以上，故而對泵體推力大，從而使泵產(chǎn)生位移，從而導(dǎo)致泵與減速箱軸中心發(fā)生變化，而引起振動事故。根據(jù)某電廠在整套啟動后與單體試驗前水平振動升高約0.10mm，危及泵體安全運行可靠性，經(jīng)停機檢查，中心張口變化量zui大為1mm。
4.3前后塔密度差和氧化風(fēng)量問題
液柱前塔與噴淋后塔中間依靠一塊高度為13.5米的金屬分隔墻。前塔由于漿液與煙氣接觸時間長，傳質(zhì)界面不斷變新等優(yōu)點，前塔效率明顯高于后塔效率，主要反應(yīng)區(qū)為前塔，故面前塔為SO2主要吸收區(qū)。加上后塔布置除霧器沖洗水等因素，后塔密度明顯低于前塔。
前后塔之間聯(lián)通主要依靠后兩根DN300的管道，但該塔設(shè)計理念主要是在運行中后塔漿液高度為13.5米（前塔正常液位在13米左右），后塔液體通過隔墻溢流到前塔，本塔設(shè)計前塔漿液濃度取30%（相當(dāng)于密度為1200kg/m3），后塔液液濃度為15%（相當(dāng)于密度為1100kg/m3）以減少后塔噴嘴磨損。
前塔底部漿液產(chǎn)生壓強為0.15kPa，后塔底部漿液產(chǎn)生壓強為0.14kPa，由于前后塔存在壓差，故而此時前后塔漿液靠兩根DN300的管道由前塔向后塔流動，以調(diào)節(jié)前、后塔密度和液位，但在實際運行中，由于石膏漿液具有炸粘稠性，兩根DN300的聯(lián)通管道在壓差較太小不能滿足前后塔正常液位與密度，在運行中經(jīng)常出現(xiàn)兩塔液位相等情況，故而前塔密度高，而后塔密度低情況。
另按前、后塔設(shè)計密度計算，前塔底部以上1米（氧化風(fēng)支管出口標高）壓力為0.15KPa，后塔底部以上1米（氧化風(fēng)支管出口標高）壓力為0.14KPa。由于前塔壓力高，后塔壓力低，故而如果對前、后塔氧化風(fēng)門調(diào)整不到位則會造成前塔氧化風(fēng)量明顯不足，后塔氧化風(fēng)量過剩，造成前塔CaSO3˙0.5H2O增加，石膏脫水困難。
4.4脫硫塔周邊地溝不能排漿
脫硫前后塔都采用方形設(shè)計，本機組pH在線測量與密度在線測量裝置和石膏排出泵底排及漿液循環(huán)泵底排管道都要經(jīng)過一個或兩個以上90°直角彎道，但由于石膏漿液密度大，加上地溝標高設(shè)計不合理，導(dǎo)致漿液在流動過程中流程長，轉(zhuǎn)角多沿程阻力大且易于沉淀等因素，石膏漿液不能順利流到地坑而堵塞在地溝內(nèi)，2～3天就要清理一次地溝，造成現(xiàn)場文明生產(chǎn)不易保持，清溝費用大等問題。
4.5干濕界面結(jié)垢
前塔布置采用液柱噴淋，隨著泵運行臺數(shù)的增加，液柱高度會不斷發(fā)生變化，故而在部分負荷和高負荷時始終有一部分塔體裸露于煙氣中，此時設(shè)計人員考慮到該部分墻面會結(jié)垢，于是在干濕界面的四周布置了沖洗水，防止該墻體及上部梁結(jié)垢，但在運行中出現(xiàn)了大量結(jié)垢情況。
4.6石膏脫水困難
由于液柱脫硫塔脫硫效率高，適合在高硫煤中應(yīng)用，脫硫效率達到98.7%，但在運行中脫率效率沒有到達設(shè)計要求，運行人員在運行中初始階段為了不影響機組接帶負荷，提高pH以保證脫硫效率，但石膏脫水時“拉稀”，石膏品質(zhì)嚴重不合格。
4.7脫硫效率偏低
本脫硫塔形式為液柱塔，前塔設(shè)計脫硫效率為83%，后塔設(shè)計脫硫效率為92.4%，總的設(shè)計效率為98.7%，但在運行中效率在設(shè)計煤種時只能達到97%左右，從而達不到設(shè)計和運行要求。
5存在問題解決方案
5.1漿液循環(huán)泵位移及機封損壞
前塔漿液循環(huán)泵出口管道采用母管制，在啟動初期為防止前塔漿液倒流，啟動第二臺及以上泵時須采用出口閥關(guān)閉啟動，而出口管道較大，泵啟動后出口閥門開完時間約為5分鐘，此段時間內(nèi)將出現(xiàn)悶泵情況，壓力由正常運行時的0.2MPa升高到0.5MPa以上，比正常運行時的壓力升高了2.5倍，此時產(chǎn)生大量的軸向推力。從而將循環(huán)泵產(chǎn)生位移，為限制其位移，可在泵上加裝限位裝置，克服泵的移動。
機械密封裝置同樣也主要存在啟動階段壓力高而超壓運行。此時可采用三種方法，一是提高機械密封的設(shè)計壓力，以防止損壞機封；二是采用再循環(huán)，在泵啟動階段打開再循環(huán)門，防止超壓運行；三是采用變頻啟動，啟動后采用低頻運行，待出口閥門全開后提高頻率，以達到額定出力。以上幾種方法中，方法一在設(shè)計時就應(yīng)考慮，后期不易更改；方法二存在運行中再循環(huán)關(guān)閉不嚴，降低脫硫效率風(fēng)險；方法三zui為可靠，但只需改動一臺循環(huán)泵就可實現(xiàn)，同時在運行中也可以實現(xiàn)節(jié)能調(diào)節(jié)作用。
5.2液柱噴嘴堵塞
機組每次停運zui后一臺漿液循環(huán)泵前，將前塔液柱噴嘴再循環(huán)閥打開，以使?jié){液通過再循環(huán)全部流回塔內(nèi)，每次停機前須將漿液密度降低到1100～1080kg/m3,以降低漿液濃度，減少石膏堆積量。每次停運機組后須對前塔噴嘴進行檢查，發(fā)現(xiàn)堵塞的噴嘴應(yīng)及時清理干凈。
5.3前后塔密度差和氧化風(fēng)量平衡
前后塔由于在運行中，兩根DN300的管道不能滿足前后塔漿液循環(huán)要求，可在中間隔板上底部和中部開孔，以使兩邊的漿液建立循環(huán)系統(tǒng)。氧化風(fēng)量的調(diào)整應(yīng)根據(jù)亞硫酸鈣含量調(diào)整，一般后塔氧化風(fēng)量只需開1/4即可，但在運行中還要根據(jù)后塔CaSO3˙0.5H2O含量進行調(diào)整。
5.4脫硫塔周邊地溝不能排漿
脫硫塔漿液由于密度高，粘性大，石膏較易沉淀等特性，方塔存在地溝轉(zhuǎn)角多，路線長等，導(dǎo)致漿液不能順利排到地坑，經(jīng)實踐應(yīng)證明采用pH計、密度計設(shè)計成母管制，并調(diào)一定高度差，排漿時設(shè)置一路沖洗水，便于排漿時及時稀釋和輸送漿液，且每一個轉(zhuǎn)角彎頭處都采用法蘭連接，發(fā)現(xiàn)堵管時便于及時疏通，解決了地溝排漿問題。
5.5干濕界面結(jié)垢
運行中，運行人員往往為了提高脫硫率而保持高的pH運行，但高pH運行時漿液中CaCO3含量高，增加了漿液積垢機率[2]，故而在運行中前塔pH控制在4.8～5.3，后塔pH控制在5.0～5.6之間，同時還應(yīng)定期開啟干濕界面沖洗水，實踐證明每次開10分鐘較為合理。
同時根據(jù)資料[3]可知，當(dāng)漿液中亞硫酸鹽的氧化率在15%～90%范圍時，脫硫系統(tǒng)易發(fā)生石膏結(jié)垢，當(dāng)氧化率在15%以下時，易發(fā)生CCS（亞硫梳鈣和硫酸鈣的混合晶體）共沉淀，此時對石膏來說是在非飽和狀態(tài)下進行，其結(jié)垢便不會發(fā)生，當(dāng)氧化率在90%～95%以上時，漿液里有石膏晶體存在，硫酸鈣將首先在其晶體上沉淀，從而避免設(shè)備表現(xiàn)上結(jié)垢。
在濕法脫硫工藝中，為了防止結(jié)垢只有將氧化率控制在15%以下或90%以上，但氧化率過低亞硫酸鈣含量過多，造成石膏脫水困難，石膏品質(zhì)不合格。為防止結(jié)垢，氧化率的控制也至關(guān)重要，要求漿液中的石膏晶體（CaSO4˙2H2O）含量在90%以上。
5.6石膏脫水困難
由于運行中脫硫效率未達到設(shè)計要求，運行人員經(jīng)常將前塔pH控制在5.5～5.9，后塔pH控制在5.8～6.2之間，石膏中的CaCO3含量在2.4～2.6%之間，CaSO4˙2H2O含量為60～70%，石膏晶體含量達不到要求，故而石膏脫水困難給運輸和綜合利用造成極大困難。
根據(jù)資料[5]可知，漿液pH達到5.6以上時，CaSO4˙2H2O含量迅速下降，當(dāng)pH升高到6.0以上時，CaSO4˙2H2O含量僅為70%左右。故而pH值升高對石膏晶體形成相當(dāng)不利。在運行中初期提高pH值對運行確實能起到提高脫硫效率，但隨著運行時間的增長，漿液中的H+增加，不利于Ca2+的溶解，反而使效率降低，同時漿液中CaSO4˙2H2O含量也降低，造成石膏脫水困難。
運行中前塔pH控制在4.9～5.4，后塔控制在5.1～5.6。運行一段時間后漿液中的CaSO4˙2H2O含量達到98～92%。一級脫水中，旋流器脫水率要求底流濃度在45～60%（底流濃度在50%以上效果更佳），經(jīng)測量在運行中旋流器底流濃度僅為42%，故而造成脫水困難，經(jīng)改造將旋流器原沉沙嘴由原來的Ф28的改為了Ф25，經(jīng)測量底流密度由原來的1314kg/m3升高到了目前的1520kg/m3，根據(jù)公式C=（1－1/ρ）/（1－1/a)可算出改造前后底流濃度由42%提高到了60%，降低了石膏含水率。進一步改變了石膏品質(zhì)，經(jīng)化驗石膏中CaSO4˙2H2O含量達到了92%以上，含水率小于12%。
5、7脫硫效率低
由于前塔采用600個液柱噴嘴，在安裝時很難達到垂直度都達到要求，故而交塔靠塔體邊界難免存在“空隙”，造成煙氣逃逸，后塔布置兩臺漿液循環(huán)泵，從循環(huán)泵的數(shù)量來看，當(dāng)兩臺運行時漿液氣液比為11L/m3,雖然已達到資料[6]推薦液氣比，但目前國內(nèi)一般都采用三層以上噴淋塔，這樣可減少煙氣“空隙”。
后塔采用兩層噴淋，對脫硫效率不利。針對此問題在不改變漿液循環(huán)泵的情況下可采用壁環(huán)與增加托盤的方法，壁環(huán)主要是防止塔壁邊緣產(chǎn)生煙氣逃逸，故而提高脫硫效率量較少。而脫硫托盤產(chǎn)生的阻力造成氣體流量均勻地分布在塔截面。在氣體和漿液剛接觸時形成了這種阻力使?jié){液均布，并惠及到吸收區(qū)。
因此，漿液和煙氣的接觸在整個吸收區(qū)域都被優(yōu)化。在無托盤的噴淋空塔，煙氣靠每次穿過噴霧層整流。但是，當(dāng)煙氣被連續(xù)的噴淋漿液阻力重新分布的時候，煙氣已經(jīng)過大多吸收區(qū)。這就沒有充分利用所提供的L/G（液氣比）。不均衡的氣體分布導(dǎo)致在吸收塔截面上高或低的L/G。
在L/G比設(shè)計值高的區(qū)域，脫除二氧化硫的效率也高于設(shè)計。托盤比噴淋層提供了更有效的煙氣和漿液接觸方式。*，在氣液吸收系統(tǒng)中接觸設(shè)備是優(yōu)化設(shè)計中zui關(guān)鍵的設(shè)備。事實上，大多數(shù)電廠*吸收塔采用填料或托盤。托盤在吸收塔內(nèi)的作用通常是25至30L/G。
也就是說，一個帶有托盤的吸收塔比無托盤的空塔可以少25至30L/G。根據(jù)資料顯示在沒有托盤的60L/G時可達到80％的脫硫效率，而有托盤的35L/G時也能達到。該數(shù)據(jù)還說明，在有單托盤的60L/G時，脫硫效率可以達到95%。
6結(jié)語
液柱+噴淋塔在我國自行設(shè)計與使用技術(shù)發(fā)展至今應(yīng)用較少，在設(shè)計與施工中還存在較多技術(shù)難題未得到突破，運行人員對其脫硫效率的掌控還不是成熟，在運行中只有多加思考與摸索才能解決現(xiàn)場存在問題。
機封設(shè)計時由于未考慮閉閥啟動壓力升高影響，在啟動過程中，機封超過所能承受的額定壓力，故而在啟動中，機封變形，引起機封損壞。
4.2液柱噴嘴堵塞問題
由于液柱噴嘴安裝時要注水平安裝以保證每個噴嘴都能自下而上的噴射漿液，特別是為防止未端噴嘴有足夠漿液噴出以防止煙氣通道形成，噴嘴母管都要求水平安裝。在機組停運漿液循環(huán)泵時，由于濃度較大的漿液在回流時流速低、粘性大，大量石膏產(chǎn)物將停留在噴嘴母管內(nèi)，造成噴嘴堵塞，從而影響脫硫效率。