表征湿法脱硫浆液起泡特性指标的研究

沈峥 钟智坤

（1江苏科行环保科技有限公司 江苏盐城 2240512 中国电力科学研究院 北京 100192）

在湿法脱硫工艺中，吸收塔循环浆液由于起泡而产生溢流是石灰石-石膏湿法脱硫运行过程中常见的现象之一。吸收塔内循环浆液起泡后，液位计显示液位远远超过真实液位，再加上其他因素影响，塔内循环浆液液位波动明显变大，从而导致吸收塔间歇性溢流。当吸收塔循环浆液溢流量太大时，浆液不能通过溢流管及时排出，泡沫就会涌进原烟气烟道中，引发各种事故从而影响脱硫系统正常运行。

1 溶液起泡的原理

1.1 溶液起泡过程

溶液气泡的形成过程如图1[1]：当气体通入溶液时，在溶液中产生气-液界面，溶液中含有的表面活性成分被吸附到气-液界面，减弱了气-液界面处溶液的表面张力，气泡趋于稳定。由于气-液两相的密度悬殊，气泡在浮力的作用下升至溶液表面。气泡与溶液表面之间形成两个气液界面，中间夹着一薄层液体，形成双气-液界面结构的液膜。首先，双气-液界面结构的液膜内的液体由于重力作用而排出，液膜便逐渐变薄，重力作用排液趋势也逐渐变弱；此时球形弯曲液面所产生的附加压力便随之成为排液的主要动力，液膜进一步变薄；当液膜变薄到一定程度时，球形弯曲气泡变成多面体气泡，附加压力也逐渐减弱，双气-液界面结构之间的距离继续缩短，产生了新的相互斥力作用，包括：双电层斥力、范德华力、熵斥力等。此时气泡达到平衡状态，形成一个稳定气泡。大量气泡聚集在一起形成泡沫，此时溶液就出现起泡现象。

图1 溶液气泡形成过程

1.2 溶液起泡原因

溶液起泡的原因主要有三个：

1.2.1 溶液中含有类似起泡剂的成分

起泡剂具有很好的表面活性，可以有效地降低液体的表面张力。如果溶液中还有能够充当起泡剂的成分，其表面张力就较低，溶液便容易起泡。石灰石-石膏湿法脱硫浆液中含有镁离子（Mg2+），主要来自石灰石中的氧化镁（Mg O），氧化镁是一种起泡剂，和硫酸根离子（SO42-）结合能生成大量泡沫。其次，烟气中含有未燃尽有机物质和飞灰，随烟气进入吸收塔，使吸收塔循环浆液中有机物质或重金属离子浓度增加，产生皂化反应，在浆液表面形成膜，导致浆液表面张力变化，从而使浆液表面起泡[2]。

1.2.2 溶液中含有能稳定泡沫的固体颗粒

研究发现，固体颗粒粒径分布对溶液泡沫特性影响不明显，但溶液中固体颗粒浓度对溶液泡沫特性影响较大。MDEA脱硫溶液中含有的颗粒物是Fe S、Fe(OH)3等，随着这些物质在溶液中浓度增加，可在其表面上浓缩，在泡沫膜周围形成络合物，使溶液表面粘度增大，增加泡沫稳定性。

1.2.3 溶液形成泡沫时气体流速较高

湿法脱硫工艺中，如果脱硫装置操作参数调整太快，就会造成气液接触速度过快，吸收浆液搅动过分激烈，也会导致脱硫循环浆液在吸收塔中起泡。

2 影响溶液起泡特性的因素

溶液的起泡特性包括起泡能力和稳泡能力。前者指在一定条件下泡沫的产生能力和产生量，后者则是指所形成泡沫的稳定性。

2.1 影响溶液起泡能力的因素

2.1.1 表面张力

当泡沫生成时，随着液体表面积增加，气-液体系的能量就增加；泡沫破灭时，气-液体系的能量就下降。如果溶液的表面张力低，那么泡沫形成时气-液体系能量增加就相对较少，泡沫破坏时气-液体系的能量下降也较少。从能量角度考虑，表面张力低则有利于泡沫的形成，因为生成的泡沫总表面积一定时做功少。

但是表面张力并不是影响纯液体起泡性能的因素。比如：纯水表面张力很大，不能生成泡沫。而有些纯有机液体如乙醇、四氯化碳等，其表面张力比纯水低很多，与肥皂水溶液很相近，却也不易形成泡沫。

表面活性剂溶液的起泡能力来自溶液表面空间吸附层，最大起泡能力来自饱和吸附层，而溶液起泡能力与表面张力并无对应关系[3]。

2.1.2 溶液浓度

通常，溶液的起泡特性与其浓度有关。以十四烷基三乙铵(TTEAB)、异辛基酚十聚氧乙烯醚 (TX 100)和十二烷基苯磺酸钠（DDBSNa）三种表面活性剂水溶液为例，它们的起泡性参数如图2 ，其中，Rv是溶液起泡性参数，是溶液生成泡沫体积与进人溶液的气体体积之比。随着溶液浓度的增加，溶液起泡性能也随之提高，当溶液浓度达到一定值时，Rv达到最高，并趋于不变。

图2 水溶液的起泡性参数（Rv）曲线

2.2 影响溶液泡沫稳定性的因素

由泡沫的形成过程可知：能够引起双气-液界面结构的液膜处溶液物理化学性质改变的所有因素都将影响泡沫的稳定性。

2.2.1 表面张力

气泡液面内外压差可以用拉普拉斯公式表示：

式中：R——气泡半径；

δ——表面张力。

△P越大，气泡越容易破灭，

从式中可以看出，液膜内外压差△P与表面张力δ成正比，降低表面张力δ实际降低了△P值，减少气-液表面自由焓，对泡沫的形成和稳定有利。对一些商品表面活性剂溶液的表面粘度、表面张力和泡沫寿命进行了试验测量，证明了液体的表面张力不是泡沫稳定性的决定因素。具体数据如表1 所示：

表1 一些商品表面活性剂溶液表面粘度、表面张力和泡沫寿命

2.2.2 溶液的表面粘度

液膜的强度是决定泡沫稳定性的关键因素，而液膜强度中的一个主要参数是试验中可测得的表面粘度。

曲彦平等[4]通过建立液膜物理模型得知，随着溶液表面粘度增大，液膜变薄的速度降低，因此泡沫的稳定性增加，寿命增大。同时，大的表面粘度还增大了液膜的机械强度，使得液膜的抗扰动能力增加。具体数学公式如下：

d S/dt=-F δ/3 R 2*(1/3 πR μ+1/8 πδη)

式中：d S/dt——液膜变薄速度；

μ——溶液表面粘度；

η——溶液剪切表面粘度；

δ——溶液表面张力；

F——作用在液膜上的力；

R——泡沫半径。

他们还从试验的角度论述了表面粘度对泡沫稳定性的影响，并验证了液膜模型的正确性。表2 列除了不同溶液表面粘度与泡沫寿命的试验数据[4].

表2 不同溶液表面粘度与泡沫寿命实验数据

从表中可以看出，溶液表面粘度大，其起泡寿命长，泡沫稳定；溶液表面粘度小，气泡寿命短，泡沫稳定性降低。另外，表1 中的数据也说明了溶液的表面粘度对泡沫稳定性有正面的影响。2.2.3溶液泡沫双气-液界面结构液膜的弹性

与表面张力相比较，双气-液界面结构膜弹性对泡沫的稳定性有更重要的作用。溶液泡沫双气-液界面结构液膜的弹性反映泡沫液膜受到外冲击局部变形后的自我修复能力。形成相对稳定的泡沫之后，泡沫液膜内各种相互作用处于暂时平衡状态。形成泡沫的液膜弹性愈大则液膜受到外冲击局部变形后自我修复能力愈强，泡沫愈不易破裂。

2.2.4 气体通过双气-液界面结构液膜的扩散

在泡沫体系中，由于气泡有效半径大小不一，在附加压力差的作用下，小气泡内的气体将通过液膜向相邻的大气泡内扩散，使小气泡变得越来越小，最终消失；大气泡则变得越来越大而更加不稳定。

2.2.5 双气-液界面结构表面电荷的影响

当泡沫体系中有离子型表面活性剂或带电荷胶体粒子存在时，泡沫双气-液界面结构液膜的表面带有相同电荷。当液膜变薄到一定程度时，双分子层带有相同性电荷直接按产生的相互斥力作用开始变得显著起来，阻止液膜进一步变薄。

2.2.6 溶液中杂质分子结构的影响

若溶液中含有非离子表面活性剂物质时，尤其是在具有亲水性侧基的大分子表面活性剂组成的泡沫体系中，随着双分子层液膜的变薄，吸附着亲水性大分子的两个气液界面相互靠近，引起大分子链之间的相互作用和聚集，两界面的聚合物分子之间产生一种斥力阻止液膜变薄，使泡沫趋于稳定。

3 结论与展望

与溶液的起泡能力相关的因素有溶液的浓度和表面张力，溶液浓度升高，其起泡性能越高，而表面张力虽然跟溶液的起泡能力有一定相关性，但并不是影响溶液起泡能力的决定因素。

而对于泡沫稳定性来说，其影响因素主要是溶液的表面粘度和液膜弹性。可以通过检测溶液的表面粘度来表征该溶液的稳泡性能，表面粘度越大，表面吸附分子间的作用力越大，液膜强度越高，气泡寿命越长。

溶液的起泡性能包含溶液的起泡能力和稳泡能力，它们的影响因素很多，目前还没有一个属性能单独表征溶液的起泡特性。

对于湿法脱硫浆液，由于浆液成分复杂，溶液中含有的镁离子（Mg2+）和烟气带入溶液的重金属离子都会增强其起泡性能，另外，随着脱硫工艺的进行，溶液温度、浆液浓度、烟气流速等都处于不停地变化中，从而引起溶液各项指标的不断变化。所以，脱硫浆液的初始属性并不能表征其在脱硫过程中的起泡性能。

脱硫浆液的起泡性能对脱硫效率有很大的影响，寻找一项或几项指标来确定浆液的起泡特性，以预防浆液起泡给工艺过程带来影响或引起事故的发生，对脱硫工艺及其发展具有重要的意义。

[1]金祥哲.MDEA脱硫溶液发泡原因及消泡方法研究[D].西安:西安石油大学,2005.

[2]程永新.吸收塔浆液起泡溢流的原因分析及解决办法 [J].电力科学与工程,2010(10):75-78.

[3]朱?瑶,刘迎清.表面活性剂水溶液的起泡性能研究[J].精细化工,1993,(10):1-5.

[4]曲彦平,杜鹤桂,等.表面粘度对泡沫稳定性的影响[J]沈阳工业大学学报,2002,24(4):283-286.