长期以来，我国电力工业建设和发展都是以燃煤火电厂为主，随着电力工业的发展，火电厂在电力生产过程中产生的污染物也在大量增加[1-2]。煤在燃烧过程中排放出的SO2是引起酸雨、温室效应的主要污染物[3-4]。根据国家环保要求，火电厂均需建设脱硫系统，目前世界上已投运或正在建设的烟气脱硫处理系统中，湿法脱硫处理（WFGD）已占到全部脱硫工艺的80%以上[5-7]。WFGD采用含有石灰浆的液体洗涤含硫烟气去除其中的SO2，脱除率达95%以上，且能适应大容量机组高浓度SO2含量的脱硫处理[8-10]。生产过程中消耗的吸收剂——石灰石价格低、容易获得，产生的副产品——石膏具有较高的商业价值。脱硫浆液pH值是WFGD工艺中的关键指标，而目前市场上销售的pH计都是为测量透明液体设计的，并不适合测量浆液，为此，专门研制了脱硫浆液专用pH值测试装置，该装置不影响浆液的化学性能，不改变试样中H+含量。
1 脱硫浆液pH值测量的作用在湿法脱硫处理过程中，以含有5%~10%的石灰乳浊液作为吸收剂与烟气中的SO2反应，生成CaSO3。在正常条件下，SO32-不容易氧化，采用向循环槽吹入空气的方法使SO32-转化生成SO42-，与浆液中的Ca2+反应，生成CaSO4沉淀，增大了SO42-溶解的推动力，从而使SO2不断地由气相转化成液相，最后生成可以利用的建筑材料——石膏。
在以上反应过程中，pH值越低越有利于CaCO3的溶解，但却使SO2的吸收受到抑制；pH值越高越利于SO2的吸收却不利于CaCO3的溶解，二者互相对立，因此将浆液pH值控制在一个合理的范围内是提高脱硫效率的重要手段。根据各电厂的实际生产和工程设计要求，一般维持塔内pH值在5.2~5.6。
2 影响pH值测量准确性的主要因素 2.1 石灰粉纯度湿法脱硫处理工艺中石灰浆液的实际耗用量取决于CaCO3的理论需用量和石灰粉的纯度[11-12]。一般石灰石中的CaCO3含量在50%~90%且分布不均匀，为此加入相同量的石灰浆，纯度低的浆液难以维持吸收塔中的pH值。实际生产过程中，不能以石灰浆液投入量控制脱硫率，必须按照pH值变化来控制石灰粉投入量。当选用的石灰粉质量不达标时，浆液中的杂质含量增加，使石灰粉的粒度变大，对pH电极的冲刷和磨损加剧，直接影响到pH值测量的准确性和可靠性。
2.2 石灰浆液流速大多数WFGD装置浆液管道流速在1.2~3.0 m/s。pH计的电极为玻璃材质，而且敏感球泡与玻璃支架采用黏合工艺连接，因此电极本体的机械强度不高[13]。当测量对象的悬浮液中颗粒物含量较多且流速较大时，会对pH电极造成损坏。
2.3 钙盐在电极表面沉积WFGD装置运行中，浆液含钙量高，造成钙盐在pH测量电极表面沉积，引起电极污染损坏。严重时，这些物质会在电极的敏感玻璃球泡上形成一层坚硬的“壳”，一方面破坏“敏感膜”上所生成的水化凝胶层，使电极失去离子选择性；另一方面使坚硬外壳包裹的电极无法与被测对象接触。
3 脱硫浆液专用pH值测量装置的结构和硬件构成石灰浆液pH值测量是湿法脱硫处理工艺运行监测的关键参数，它是影响脱硫率、氧化率、吸收剂的利用率及系统结垢程度的主要技术指标。为了减轻浆液冲刷对pH值测量的影响，采取加装取样系统的措施，将样品从管道中取出，降低流速后再进行测量；为了减轻磨损与钙盐沉积对浆液pH值测量的影响，采取加装预处理系统的措施，将浆液中的杂质去除后，再测量其清液的pH值。
3.1 系统构成针对湿法脱硫工艺的特殊性，研发了专用离心分离机，使介质与溶液快速分离，大颗粒被全部去除，解决了浆液对pH电极的机械磨损。同时，可以将大部分细小的钙盐去除，减少传感器电极上钙盐的沉积结垢，避免了电极污染。分离后的试样经过装置的环形槽通过溢流流出，降低了试样的流动速度，解决了对电极的动力冲刷问题。脱硫浆液专用pH的测量装置由以下5个系统构成。
（1）进样控制系统：通过电动阀控制进入离心桶的浆液流量到合适范围，保证浆液输送管道畅通。
（2）试样分离系统：通过离心分离技术使浆液迅速分离，澄清试样通过上部出样口取出。
（3）试样检测系统：分离出的浆液通过管道进入水封系统，排出试样带出的空气，进入电极杯进行pH值测量。
（4）排渣系统：分离出来的残渣顺着离心桶壁堆积到离心桶底部，通过排渣系统定期排出离心桶外。
（5）冲洗系统：当离心桶排渣后，冲洗系统对离心桶内壁和浆液管道进行冲洗。
3.2 硬件结构脱硫浆液专用pH值测量装置硬件结构如图 1所示，主要由离心分离桶、试样环槽和排渣机构组成。
|
| 图 1 脱硫浆液专用pH值测量装置结构 |
离心分离桶为下部粗、上部细的锥形，在电动机的带动下高速旋转，质量轻的液体会向桶的中心位置移动，随着浆液从桶底通过上部的中心孔溢流到试样环槽；相对质量重的颗粒物质会向离心桶外圆移动，贴附在桶壁上，由于自身重量的作用，沿着桶壁移动到桶的底部，积累到一定数量后，打开离心分离桶下部排渣口，排出渣料。
3.2.2 试样环槽当试样通过离心分离桶上部进入试样环槽后，细微颗粒会在环槽内沉淀并经过3层过滤网过滤，进入导流区从试样出口流出。沉淀物会定期被自动冲洗干净，当试样流量过大时，多余的试样会通过上部溢流口流出。
3.2.3 自动排渣机构在锥形离心桶下部等分3个排渣口，其结构见图 2，排渣口上设计有配套的塞子，静止或者离心桶低速转动时，在弹簧的作用下，塞子与排渣口分离，排渣口处于打开状态；当离心桶高速旋转时，塞子在离心力的作用下塞紧排渣口，排渣口处于关闭状态。通过调整离心桶转速，即可实现自动排渣。
|
| 图 2 自动排渣机构结构 |
2019年4月，脱硫浆液专用pH值测量装置在内蒙古金山热电有限公司投入运行，表 1为其与实验室pH计测试数据比对。从表 1数据可以看出，电厂现用2台脱硫浆液pH计的测量值不但与实验室pH表计的测量值相差较大，而且两台表计之间的测量值也相差很大，说明直接在脱硫浆液中进行pH值测量，存在较大的误差。脱硫浆液专用pH值测量装置和实验室pH计，测量数据基本吻合，证明脱硫浆液专用pH值测量装置可以准确测量脱硫浆液pH值。由于实验室pH计测量的是静止的液体，专用pH值测量装置测量的是流动的液体，所以两者测量值存在少许误差。
| 表 1 脱硫浆液pH值检测记录 |
|
脱硫浆液专用pH值测量装置可以实现脱硫浆液pH值的快速、连续测量，成为提高脱硫效率的有效帮助手段，可以避免因脱硫浆液pH值测量误差而造成脱硫效率降低。该装置测量数值的准确性和可靠性明显高于火电厂现用脱硫浆液pH计，具有较高的推广应用价值。
| [1] |
刘斌. 烟气脱硫工艺过程pH值优化控制[D]. 上海: 上海交通大学, 2018.
(  0)
|
| [2] |
卫平宝, 郭猛. 660 MW机组脱硫吸收塔浆液pH值控制优化[J].
安徽电气工程职业技术学院学报, 2016, 21(1): 85-89 DOI:10.3969/j.issn.1672-9706.2016.01.018 ( 0)
|
| [3] |
陈大胜. 火力发电厂脱硫系统pH值测量方式探讨[J].
工业控制计算机, 2018, 31(7): 43, 58 ( 0)
|
| [4] |
臧雨佳. 330 MW循环流化床机组湿法脱硫pH值自动控制系统研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2019.
( 0)
|
| [5] |
梁磊. 火电厂湿法脱硫系统中pH计及密度计的设计应用[J].
电力科技与环保, 2012, 28(5): 32-34 DOI:10.3969/j.issn.1674-8069.2012.05.011 ( 0)
|
| [6] |
季可申. 浅谈燃煤电厂烟气脱硫系统pH测定存在的问题和维护要点[J].
科技与创新, 2019(16): 42-43, 46 ( 0)
|
| [7] |
孙园园, 罗新华, 熊巍. 脱硫塔内浆液密度及pH值测量装置的改进研究[J].
东北电力技术, 2018, 39(7): 22-25 DOI:10.3969/j.issn.1004-7913.2018.07.007 ( 0)
|
| [8] |
张重阳, 何小刚, 张成. 燃煤火电厂提高浆液脱硫效率pH值控制仿真[J].
计算机仿真, 2017, 34(9): 109-113 DOI:10.3969/j.issn.1006-9348.2017.09.023 ( 0)
|
| [9] |
肖永健. 脱硫吸收塔pH计测量系统改造[J].
科技与创新, 2018(10): 127-128 ( 0)
|
| [10] |
娄敏虹. 石灰石-石膏法单塔双循环烟气脱硫pH值控制设计及优化[J].
中国设备工程, 2017(20): 113-114 DOI:10.3969/j.issn.1671-0711.2017.20.057 ( 0)
|
| [11] |
杨奇. 湿法脱硫系统无垢运行最佳pH值研究[J].
智能城市, 2016, 2(2): 98-100 ( 0)
|
| [12] |
赵品华. 浅谈提高脱硫系统石膏浆液pH计稳定性[J].
安徽电气工程职业技术学院学报, 2013, 18(3): 91-93 ( 0)
|
| [13] |
辛志锋, 潘超群, 葛春亮, 等. 基于烟气脱硫吸收塔pH值分区提效技术的试验研究[J].
能源工程, 2018(2): 43-46 ( 0)
|