湿法烟气脱硫pH值分析及排浆泵运行优化
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摘 要：石灰石-石膏湿法烟气脱硫中，浆液ph值是影响脱硫系统性能的重要控制参数，通过对pH计安装位置进行分析以及优化排浆泵的运行方式，达到脱硫装置长时间、连续和高效运行，并有效降低运行能耗。
关键词：湿法脱硫；pH值；pH计；排浆泵；变频
引言
目前，烟气脱硫技术一般分为湿法、干法和半干法。湿法烟气脱硫技术是最成熟，实际应用最多，运行状况最稳定的脱硫工艺，占脱硫装机容量的85%以上。石灰石-石膏湿法烟气脱硫以技术成熟、脱硫效率高、吸收剂廉价易得、煤种适应范围宽、能满足大机组烟气脱硫要求、脱硫副产品可资源化、对负荷变化的适应性强，适应30～100%的负荷变化[1]，并有较大幅度降低工程造价的可能性等显著优点成为世界上最成熟，应用最广泛的烟气脱硫工艺。该工艺脱硫效率可以达到95%以上，因此在我国大、中型火电机组上广泛采用。
脱硫效率是衡量烟气脱硫装置运行效果的主要考核指标，从石灰石-石膏湿法脱硫工艺过程来看，脱硫效率的主要影响因素有吸收温度，脱硫剂品质、粒度，液气比（L/G），钙硫比（Ca/S），浆液pH值，烟气流速和温度，烟气中的氧含量，浆池的持液量，石膏过饱和度等。对于采用特定工艺的石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置，在其它影响因素在一定设计参数情况下，脱硫塔浆液pH值是影响脱硫效率最重要的控制参数，浆液塔内浆液pH值越高，传质系数越大，二氧化硫吸收快，但浆液容易结垢，堵塞泵和管道，影响副厂品石膏的品质，pH值过低，阻碍二氧化硫的吸收，降低脱硫效率，只有选择合适的pH值，脱硫系统才能达到最佳的运行效果[2]。吸收塔浆液pH值是连续变化的，吸收塔中浆液量很大，石灰石浆液给料量引起的pH值变化是一个复杂的，变化缓慢的化学反应过程，即控制系统时滞性大，惯性大，参数时变的非线性该系统。
文章对大的石灰石-石膏湿法脱硫机组的pH值控制范围进行分析，并选择合理 pH计的安装位置，来保证pH值测量的准确性和一致性，达到脱硫装置长时间、连续和高效运行。
1 pH值控制范围
在石灰石-石膏脱硫系统中，由于化学反应产生的亚硫酸钙在脱硫塔储浆段的溶解度很低，特别容易达到过饱和状态而发生结垢现象，容易堵塞脱硫塔及其它附属设备，严重影响整个脱硫系统的高效性和经济运行。实际上，不同浆液pH值，脱硫塔浆液的HSO3-和SO32-离子所占的体积分数不同，它们的关系如图1。
由图1 可以看出，当pH 值处于4.8～ 5.6 之间时，HSO3-的体积分数很高，说明脱硫产物主要是亚硫酸氢钙，其溶解度远大于亚硫酸钙的溶解度，从而降低了过饱和结垢的程度；结合CaCO3溶解的最高pH值，该脱硫系统的操作pH值应控制在4.8～5.48之间从而有利于SO2的吸收和CaCO3的溶解，因此，对于石灰石湿法烟气脱硫系统运行过程中，操作pH 值尽量控制在这个范围。
为保证脱硫塔内浆液pH值控制在合理的范围之内，需合理布置脱硫塔系统的pH计安装位置。
2 pH计安装、分析
pH值的合理控制对脱硫效率具有重要作用，并影响整个脱硫系统运行的经济型和安全性。一般情况下，石灰石-石膏湿法脱硫系统中安装一台pH计。应该将脱硫塔浆液pH值控制在4.8～5.48之间，控制系统将自动比较设定值和所设pH值的大小，通过测量值与设定值的比较来控制石灰石浆液的加入量，当差值为正时，减小石灰石浆液的加入量；当差值为负时，加大石灰石浆液的加入量，因此pH值的准确测量至关重要，pH计的安装位置是影响其准确测量的重要因素。
2.1 pH计安装位置比较
pH计的安装位置见图2。
位置①是将pH计安装在石膏排出泵的出口位置，与浆液密度计串接。当石膏密度未达到设定值时，浆液返回脱硫塔，当石膏密度达到设定值时，关闭返回脱硫塔管路，浆液进入石膏脱水系统。
位置②是将pH计安装在脱硫塔本体上，为防止浆液堵塞管道，pH计管道与塔体之间角度大于45°，当浆液密度达到设定值时，浆液送至石膏脱水系统。
位置③是将pH计安装在循环泵出口管道上，并与密度计串接，严格控制循环浆液的pH值，当石膏浆液密度未达到设定值时，石膏排浆泵不运行，当密度达到设定值时，开启排浆泵，石膏进入脱水系统。
①②③表示不同的安装位置
pH计不同安装位置比较：
位置①是工程实践中普遍采用的安装形式，由于该方式中石膏浆液始终处于流动状态，可以很好的监测浆液pH值，有效的控制脱硫系统的运行。但由于在浆液密度未达到设定值的状态下，石膏浆液需要通过泵出口反塔管路返回至脱硫塔，石膏排浆泵需要连续运行，能耗较大；同时在一般脱硫装置中，石膏脱水设备距离脱硫排浆泵位置较远，在确定石膏排浆泵扬程时，需要考虑石膏水力旋流器进口压力要求（一般0.1～0.2MPa）和浆液管路阻力，当石膏排浆泵出口反塔管路运行时，由于管路的阻力很小，排浆泵经常不在特性曲线的最佳工作点下运行，造成泵的电机超功率，甚至会损坏电机。
将pH计安装在位置②和③时，在石膏浆液未达到设定的密度值时，可以停运石膏排浆泵，降低系统能耗。一般情况下，连续运行的脱硫装置，每天石膏排浆泵的运行时间仅为8个小时，这两种安装方式可以降低排浆泵2/3的电耗。
在安装位置②中，虽然脱硫塔底部安装有搅拌装置，但局部可能会有浆液搅拌不均匀，或者在某个运行时间内，储浆段的浆液流动性差，影响pH值测量的准确性，这样会造成石灰石浆液加入量的阶段性波动，从而影响系统稳定运行。
在通常情况下，脱硫装置中石灰石浆液从循环泵入口加入，而在安装位置③中，pH计安装在循环泵的出口管路上，在管路内石灰石与SO2未完全反应，也会造成pH值测量的不准确，从而影响石灰石浆液的加入量，影响装置稳定运行。
2.2 pH计安装位置确定
根据上述三个pH计安装位置的比较，位置②和③在脱硫塔内石膏浆液的密度未达到设定密度值时，排浆泵不需要运行，排浆泵的运行能耗较低了2/3，但由于受到塔内石膏浆液的流动行及石灰石浆液的加入位置的影响，pH值测量的准确性和一致性受到较大的影响，不利于脱硫系统的连续运行，而在位置①中，石膏浆液始终处于流动状态，不但有利于对塔内石膏浆液pH变化的实时监测，而且克服了因脱硫塔浆液池的大容量造成的pH值测量的非线性和迟滞行性等问题，因此采用位置①作为pH计的安装位置，才能保证pH计测量值的准确性。
在选用位置①作为pH计布置方式时，需要优化排浆泵的运行方式来降低系统能耗，并减少该布置位置对系统的不利影响。
3 排浆泵运行方式分析及优化
3.1 排浆泵的选型及运行方式分析
在脱硫装置中，主要依据脱硫系统处理烟气量、烟气中SO2的含量、脱硫效率、石膏浆液密度等参数来确定排浆泵流量，用排浆泵出口与脱水设备之间的距离、管路阻力以及脱水设备进口的压力要求等参数来确定泵的扬程，因此排浆泵选型为在脱硫系统BMCR运行工况下确定的，一般选择工频电机。
对于安装在位置①的pH计布置形式，最大的问题就是由于排浆泵连续运行造成的能耗增加以及在反塔管路运行时，排浆泵电机超功率运行对电机的不利影响，因此需要在泵的出口反塔管路上安装节流孔板来增加管路阻力。在脱硫装置中，浆液对管路的冲刷、腐蚀较严重，需采用陶瓷孔板，才能保证长时间、连续的运行。
3.2 排浆泵运行方式优化
改变离心泵特性曲线的方式包括：出口阀调节，旁路调节，转数调节，切割叶轮外径等方式，根据脱硫装置中石膏浆液的特性和排浆泵的运行方式，采用变频调速的方式不但降低脱硫系统的能耗，而且完全满足pH计对脱硫浆液流动性的要求。
在排浆至石膏后处理系统时，排浆泵采用工频运行，同时可以根据脱硫系统的负荷对流量进行调整。在浆液返回脱硫塔时，由于系统管路阻力大大降低，根据整个管路系统压降的最高要求，将排浆泵的流量调整至合理的范围，不但完全保证pH值测量的准确性，且降低了排浆泵的运行能耗。
可见，泵的负荷的显著特点是其负荷转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
在天津石化热电部脱硫6、7#脱硫装置改造项目中，根据石膏浆液生成量及系统物料平衡，排浆泵参数为流量：30m3/h，扬程：50m，功率：22kW，采用工频电机，在泵不外排浆液的工况下，浆液反塔管路上孔板磨损严重，并造成电机超功率运行而发生电机损毁。当更换为变频电机后，排浆泵出口需要的扬程为15m，根据功率、扬程和转速之间的关系，此时泵的运行功率仅为电机轴功率的30%，而且管路上可以不用孔板，进一步保证装置的长时间连续运行。
4 结束语
脱硫塔pH值控制是石灰石-石膏烟气脱硫装置最重要的控制参数，而pH计的安装位置以及排浆泵的运行方式是脱硫装置高效、长连续、经济运行的保证。
（1）将pH计布置在排浆泵出口大大增加了石膏浆液的流动性，克服了脱硫塔浆液池的大容量造成的测量值的迟滞性、惯性和参数时变的非线性变化，是准确测量脱硫塔内浆液pH值的可靠保证；
（2）排浆泵采用变频电机可以大大降低泵的运行能耗，延长设备和管路的运行时间。
参考文献
[1]刘煜.烟气脱硫系统优化设计[J].江苏机电工程，2005：24.
[2]丁宁，杨玉林，王关晴，等.湿法烟气脱硫效率影响因素及调节方法研究[J].能源工程，2009，（2）：39-41.
[3]钟秦.燃煤烟气脱离脱硝技术及工程实例[M].北京：北京化学工业出版社，2002
[4]焦嵩鸣，王彪，谭雨林 湿法烟气脱硫系统的pH值分析及pH计安装位置[J].电力科学与工程，2012，28（12）25～28.
作者简介：薛润芝（1976-），男，辽宁沈阳人，1999年毕业于天津大学化工学院，工学学士学位，现在北京燕山玉龙石化工程有限公司工艺室，中级，长期从事化工、环保项目工作。