石油焦煅燒氨法脫硫氨水罐水封改進及應用*

王小民，趙永林，王維兵，趙云祥，孟斌斌，劉 偉，張 波

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

隨著中國對環保越來越重視，企業污染物排放日益受到嚴格的限制。二氧化硫排放是中國企業控制排放的重要指標之一，這就要求二氧化硫排放企業必須采取更為有效的脫硫措施，控制二氧化硫的排放量[1]。濕法煙氣脫硫技術是當今脫硫市場的主流，約占脫硫總量的80%以上，其中石灰石（石灰）石膏法、鈉鈣雙堿法、氨法是濕法脫硫主流技術[2]。某公司采用的是氨法煙氣脫硫技術，氨法煙氣脫硫是用氨水或液氨來吸收煙氣中的二氧化硫，生成亞硫酸銨或硫酸氫銨，通過加入氨水調節吸收液的pH值，以保持高的脫硫效率，亞硫酸銨在被空氣氧化為硫酸銨，硫酸銨漿液經濃縮、離心、干燥得到固體硫酸銨產品。通過氨法煙氣脫硫技術將煙氣中的二氧化硫吸收從而達到煙氣達標排放的要求[3]。

在氨法脫硫系統生產運行中，某公司配備兩臺氨水罐用以儲備氨水，根據煙氣中二氧化硫含量調整氨水投加量，實現二氧化硫的達標排放。

氨水是氨的水溶液，主要成分為NH3·H2O，無色透明且具有刺激性氣味，具有部分堿的通性。氨水易分解放出氨氣，溫度越高，分解速度越快，可形成爆炸性氣氛[4]。氨氣易溶于水、乙醇和乙醚。氨氣有毒，對人體健康危害主要是通過口鼻吸入，引起刺激性反應和灼傷[5]。氨水罐的安全運行是安全生產工作中的必然要求。

1 內置水封工作原理及存在的不足

某公司氨水罐最初設計制作時的水封為內置U型水封，該水封設計原理如圖1所示。

圖1 氨水罐內置水封原理Fig.1 Principles of build-in water seal inside the ammonia tank

1.1 內置U型水封工作原理

由圖1可知，U型水封內存有定量的水封工作液，在氨水接卸及使用過程中，通過氨水罐內置U型管水封工作液對氨水揮發出的氨氣進行吸收，從而達到減少氨氣逃逸的目的，同時利用脫硫塔自身吸力將氨水罐內氨水揮發出的氨氣引至脫硫塔內進行吸收利用。根據運行情況對U型水封進行排污操作，維持水封正常運行。

1.2 內置水封使用中的不足

由于內置水封安裝在氨水罐內部，在日常使用過程中，無法對U型水封水封工作液進行檢查，一旦水封故障時，對其進行維修工作困難，存在失效的情況，影響U型水封的正常使用。水封失去作用后，不能充分吸收氨氣，由于氨氣極易揮發，大量的氨氣集聚在氨水罐內部，易造成氨水罐壓力急劇升高，如果超過氨水罐所能承受的設計壓力60 kPa時，存在爆破風險。氨水罐內氨水揮發出的氨氣至吸收塔管道較長且存在管道低點，氨氣在輸送過程中會攜帶一部分水，長時間運行中水會在管道低點集聚，阻塞管道影響氨氣的輸送，致使氨氣在氨水罐內集聚，氨水罐內壓力升高，此時需要打開氨氣管低處的排空閥，排出氨水罐內集存的氨水，進而導致大量氨氣隨著排空閥排出氨水罐，增加現場氨氣逃逸的情況，既造成氨氣的浪費，又會使作業人員氨中毒風險增大。

2 改進與設計要求

2.1 內置U型水封改進需求

結合氨水罐原有內置U型水封使用過程中存在的安全風險及氨氣逃逸情況，需要對氨水罐現有內置U型水封進行改進。在氨水罐氨氣排放管處氨氣排空閥連接設計的外置U型水封。

2.2 水封的設計要求

水封是利用局部充水的方法隔斷管道、設備等系統內部腔體與建筑室內空間連通的措施[6]。

水封深度除了支付管道氣壓變化引起的動態損失外，余下的水封高度還要足以支付蒸發損失、毛細作用等靜態損失[7]。

水封結構可以分為氣路和水路通道[8]，氨氣通過氣路通道進入U型水封，利用氨氣極易溶于水的物理特性被水封水吸收，水封水是連續的，處于流動狀態，下端設有排污口，定期進行排放[8]。

3 設計方案

3.1 外置U型水封設計原理

結合水封工作原理及需要解決內置U型水封運行中的不足，設計氨水罐外置U型水封。氨水罐水封改造原理如圖2所示。利用現有氨水罐氨氣排放管處氨氣排空閥與現場制作的U型水封連接，作為U型水封氣側進氣管路。U型水封運行時，通過補水管道不斷對U型水封補充循環水，氨水罐內揮發的氨氣通過氨氣排空閥進入U型水封內，氨氣在U型水封內被不斷補充的循環水吸收后，通過排水管道排入氨水罐區地坑內，經地坑潛水泵將吸收的水封水導入脫硫系統內進行回收使用。

圖2 氨水罐外置水封原理Fig.2 Principles of external water seal inside the ammonia tank

3.2 外置U型水封功能

對照設計的U型水封工作原理圖，如圖3所示，現場制作氨水罐U型水封裝置，此U型水封裝置整體采用PVC管道及管件制作完成，包括U型水封、氣相管、氨氣進氣閥、進水調節閥、進水壓力表、沖洗閥、排污閥、出水閥及相應連接管道等。

圖3 U型水封設計制作原理Fig.3 Design and fabrication principle of U type water seal

U型水封各部件的功能如下：①U型水封：利用U型水封原理儲備一定量的水封水吸收氨水罐內揮發出的氨氣；②氣相管：對U型水封進行密封，防止氨氣泄漏時危害現場作業人員；③氨氣進氣管：兩臺氨水罐內因氨水揮發產生的氨氣通過氨氣進氣管進入U型水封內；④水封補水管：對U型水封補充循環水；⑤排污管：U型水封排污管道；⑥出水管：實時排出U型水封內吸收液；⑦地坑：U型水封排水收集；⑧進水調節閥：調節U型水封進水量；⑨進水壓力表：顯示U型水封進水壓力；⑩沖洗閥：對U型水封沖洗時控制沖洗水量；[11]氨氣進氣閥：對U型水封氨氣進氣量控制；[12]排污閥：排出對U型水封沖洗時的沖洗水；[13]出水閥：排出U型水封工作時的吸收液；[14]防爆潛水泵：將U型水封運行中排出的吸收液進行回收利用。

3.3 U型水封工作原理

3.3.1 U型水封水路運行流程

打開U型水封裝置出水閥[13]，通過調整U型水封進水調節閥⑧開度，查看進水壓力表⑨確保循環水有足夠的補水壓力，調整U型水封筒內水封水的供給量，維持U型水封筒反應段內水封水保持一定的高度，并有少量循環水由出水閥[13]排出至地坑⑦內。U型水封內保持一定量的補充水循環有利于氨氣的吸收反應，提高氨氣的吸收量。

3.3.2 U型水封裝置氣路工作原理

U型水封裝置與氨水罐氨氣排出管中氨氣進氣閥[11]連接，在U型水封水路投入運行后，打開氨氣進氣閥[11]，氨氣進入U型水封中，與U型水封內水封水在反應段內反應吸收。利用氨氣極易溶于水的特性，氨水罐內揮發的氨氣在U型水封內不斷被水封水吸收，部分吸收后的水封水通過出水閥[13]排入地坑⑦內。通過U型水封工作，不斷吸收氨水罐內揮發出的氨氣，有效減少氨水罐內氨氣集聚，避免氨水罐內壓力升高帶來的氨水罐運行風險。

3.3.3 設立U型水封密封系統

在U型水封上部設計成密封氣相管②，在U型水封運行使用中，有效防止因水封失效時氨氣泄漏及氨水揮發對現場作業人員的危害。

3.3.4 U型水封沖洗原理

根據U型水封運行情況，對U型水封進行水沖洗。調整U型水封進水調節閥⑧開度，查看進水壓力表⑨確保循環水有足夠的補水壓力，依次打開U型水封排污閥[12]及沖洗閥⑩，對水封反應段進行沖洗，清除管道內的異物，確保U型水封有效運行。沖洗完成后，關閉沖洗閥⑩及排污閥[12]，調整U型水封進水調節閥⑧開度，恢復U型水封正常運行。

3.3.5 U型水封使用中的液體回收

U型水封在使用中排出的吸收液及日常維護過程中沖洗U型水封反應段產生的沖洗水通過出水管⑥及排污管⑤均引至U型水封旁邊地坑⑦內，通過防爆潛水泵[14]打入脫硫系統內進行回收使用。

4 應用效果

4.1 避免氨氣逃逸情況的出現

氨水罐內氨水揮發出的氨氣在U型水封反應段內充分反應吸收，避免了在使用內置U型水封時，為控制氨水罐內壓力而打開氨氣管排空閥，從而使氨氣直接排放出系統，導致氨氣的浪費及對現場作業人員的健康安全的危害。U型水封在運行使用中，通過進水調節閥確保U型水封有不間斷的循環水補充，出水閥始終保持一定量的水封水流出，構成U型水封水循環，將氨氣溶于水時放出的熱量及時帶走，控制循環水始終保持在較低的溫度，避免了因氨氣與靜態水反應一段時間后，氨氣溶于水時放出熱量致使水封水溫度上升、氨氣吸收率下降的情況出現，有利于對氨氣的充分吸收。

4.2 對U型水封運行中產生的廢液進行回收利用

U型水封在使用過程中廢液的產生有兩種情況：①氨氣在U型水封反應段被水封水吸收形成的低濃度的氨水經過出水管進入地坑內；②在對U型水封反應段進行日常沖洗時產生的沖洗水經排污管進入地坑內。此兩種情況產生的廢液均屬于低濃度的氨水，通過地坑內的防爆潛水泵將氨水回收至脫硫系統進行回收使用，避免了氨氣逃逸的浪費，實現了對U型水封運行中吸收液及沖洗水的回收利用。

4.3 確保氨水罐壓力穩定

U型水封使用后，氨水罐內因氨水揮發產生的氨氣通過氨水罐頂部氨氣排放管道進入U型水封內，在U型水封反應段被不斷補充的水封水吸收，有效防止氨水罐內氨水揮發出的氨氣積存在氨水罐內，引起氨水罐內壓力升高，超過氨水罐設計壓力，影響氨水罐安全運行。U型水封投入使用后，兩臺氨水罐運行壓力為：1#氨水罐運行壓力0.11 kPa，2#氨水罐運行壓力0.32 kPa，始終保持在允許最高安全壓力以下運行。

4.4 操作使用方便

U型水封裝置設計簡單，操作方便，該裝置采用外置式設計，操作人員可隨時查看U型水封工作情況，并根據水封水量及時進行調整。本裝置設計有一套沖洗系統，操作人員可根據U型水封運行情況，對U型水封工作段進行在線沖洗。

4.5 檢修維護便捷

整套裝置采用PVC材質的管件制作，該材質有良好的耐堿、耐腐蝕特性，PVC材質管件更換簡單，在使用過程中出現管件泄漏、損壞情況時，能夠及時對U型水封管件進行檢修更換，避免了維修過程中可能存在的安全風險。

5 結語

1）消除氨水罐內超壓風險。隨著氨水罐內氨氣在U型水封反應段內不斷被連續供給的循環水吸收，確保氨水罐內始終保持在允許最高安全壓力以下運行，避免了氨水罐內氨氣集聚引起的罐內壓力過高，有效防止氨水罐超壓爆破的風險；

2）避免氨氣逃逸造成的浪費。本U型水封為封閉式結構，并且與氨水罐氨氣排放管處氨氣排空閥連接，使整個系統處于封閉狀態，運行中有效的吸收氨水罐內氨水揮發出的氨氣，防止氨氣外泄，通過回收系統將外置U型水封使用維護過程中產生的吸收液及沖洗水回收至脫硫系統內進行使用，避免了因氨氣逃逸造成的浪費及對周圍環境的影響，改善了現場環境；

3）運行維護方便快捷。本裝置結構簡單，操作方便，便于日常維護和維修。