煙氣脫硝氨區系統設計

陳美因(中國昆侖工程有限公司遼寧分公司 環境工程室，遼寧 遼陽 111003)

1 工程概況

隨著中國經濟的持續發展，城市化進程和工業化進程的不斷加快，環境污染日益嚴重，特別是燃煤電廠鍋爐排放的大量硫氧化物和氮氧化物進一步加劇了環境惡化。一方面，NO2在一定條件下可以與碳氫化合物一起形成光化學煙霧，破壞大氣環境，嚴重危害人類健康，惡化人類賴以生存的環境；另一方面，硫氧化物和氮氧化物又是形成酸雨的主要因素。目前，世界各地都有大片酸雨地帶。我國酸雨帶的擴張也異常迅速，嚴重的酸性降雨導致生態系統更加脆弱，使我國的經濟遭受了嚴重損失。

火電廠煙氣脫硝的還原劑主要有液氨、尿素和氨水[1]。本文主要論述用液氨為還原劑進行脫硝的技術路線，本項目為2臺410 t/h(8、9#)鍋爐對煙氣進行脫硫、脫硝改造，分別建設2套煙氣脫硫脫硝系統，并建設脫硫、脫硝公用設施，配套進行低氮燃燒系統、省煤器、空預器及除塵系統改造。

項目建成后，2臺410 t/h(8、9#)鍋爐每臺爐處理煙氣量為467 870 Nm3/h，總處理煙氣量為935 740 Nm3/h，最大可處理煙氣量為1 122 888 Nm3/h；同時為保證鍋爐安全穩定運行，對2臺鍋爐的點火系統同時進行改造。鍋爐年利用小時數按6 000 h計。

熱電廠老機組煙氣經脫硫脫硝改造處理后，保證SO2排放濃度小于100 mg/Nm3，NOx排放濃度小于100 mg/Nm3，煙塵排放濃度小于30 mg/Nm3，符合國家頒布的最新產業政策[2]。

(1)根據此工況每臺爐計算的最大脫硝還原劑液氨耗量如表1所示。

表1 脫硝還原劑液氨耗量表

(2)還原劑液氨品質符合國家標準GB 536—88《液體無水氨》技術指標的要求[3]，如表2所示。

表2 液氨物性表

(3)氨區部分公用工程物料消耗如表3所示。

表3 氨區公用工程物料消耗表

(4)液氨蒸發系統流程簡述

氨區主要為液氨儲存、液氨蒸發、氨氣緩沖及輸送。經管道輸送進來的液氨，儲存在R201AB儲罐內，經液氨輸送泵P201AB送至蒸發器E201AB，液氨進料與蒸發器管程出口液位、溫度、壓力聯鎖控制，當蒸發器液位高報、壓力高報、溫度低報時，聯鎖關閉液氨進口調節閥。殼程蒸汽進料與殼程溫度聯鎖控制，當溫度高于65 ℃時高報，聯鎖關閉蒸汽進口調節閥。蒸發器殼程工業水來自界區，為液氨蒸發器提供水源[4]。當殼程液位低報時關閉液氨進料及蒸汽進料開工業水補水。蒸發出的氨氣經管道送至熱電廠8#、9#鍋爐煙氣脫硝系統。液氨蒸發區含氨、含污油的設備及管線的低點排凝通過密閉管道排入氨區內新建廢水池，廢液經廢水泵提升排至廢水排放口[5]。液氨蒸發器、氨氣緩沖罐或液氨儲罐的安全閥在緊急狀況下排放的氨氣排入放空總管匯合后，排至氨氣吸收罐，經水吸收后，也排至氨區廢水池。

2 R201AB液氨儲罐的設計

液氨是一種無色液體，有強烈刺激性氣味，具有腐蝕性且容易揮發，對人體有害，屬于職業病危害因素之一。對于儲罐設計，需從以下幾個方面謹慎考慮[6]，確保裝置運行安全和人員安全。

(1)液氨儲罐容積的確定。規范HJ 562—2010《火電廠煙氣脫硝工程技術規范選擇性催化還原法》中的6.3.2.8規定：液氨儲罐容量宜按照全廠脫硝系統設計工況下連續運行3～5 d(每天按24 h計)所需要的氨氣用量來設計[7]。按儲運的規定是管輸3～5 d(每天按24 h計)。根據廠具體情況暫按7 d計算。裝填系數取0.9，液氨密度取680 kg/m3。液氨消耗為：49.6×2=99.2 kg/h，最大操作彈性按120%計。儲罐容 積 為：49.6×2×120%×7×24/680×0.9=32.68 m3。設計取：φ2 600×5 600，約34.7 m3。

(2)液氨儲罐設計壓力的確定。液氨50 ℃飽和蒸汽壓20.06大氣壓(絕壓)。液氨40 ℃飽和蒸汽壓15.34大氣壓(絕壓)。儲罐操作溫度-14.3～40 ℃，設計溫度50 ℃。我國規定設計含液氨系統的設計壓力時，要求不低于液氨50 ℃的飽和蒸氣壓力。所以根據設計溫度50 ℃，確定儲罐操作壓力為1.93 MPaG。設計壓力為1.93×1.1=2.12 MPaG，最后儲罐設計壓力取2.25 MPaG。為保證儲罐安全，必須設置安全閥，儲罐安全閥泄放壓力取2.3 MPaG。

(3)液氨儲罐高低液位報警的確定。儲罐液位儀表測量范圍是0～2 600 mm，根據液氨的危險等級，儲罐在設置高液位的基礎上，增加高高液位報警[8]，確保裝置安全性和可靠性。①高高液位、高液位設計取值原則，用臥式容器液體體積計算軟件計算如下：90%儲存容積31.3 m3，液位高2 150 mm；85%儲存容積29.6 m3，液位高2 050 mm；80%儲存容積28.1 m3，液位高1 950 mm。設計高高液位為2 050 mm，高液位為1 950 mm。②低液位設計取值原則：液氨儲罐外輸泵流量為：0.3～0.5 m3/h，按SH/T 3007—2014第6.3.3條低液位報警的設定高度，應滿足從報警開始10～15 min內泵不會汽蝕的要求，即0.5 m3/h ×15/60 h =0.125 m3。用臥式容器液體體積計算軟件計算如下：容積為1.144 m3時，液位高200 mm；容積為0.287 m3時，液位高80 mm；容積為0.141 m3時，液位高50 mm。綜合考慮后設計低液位取200 mm。

(4)液氨液氨儲罐有防太陽輻射裝置。四周安裝有工業水噴淋管線及噴嘴，當儲罐罐體溫度過高時自動淋水裝置啟動，對罐體自動噴淋減溫；當有微量氨氣泄漏時也可啟動自動淋水裝置，對氨氣進行吸收，控制氨氣污染[9]。①溫度高至35 ℃聯開，低于25 ℃聯關閉。②儲罐壓力高至2.4 MPaG聯開。③氨氣可燃氣體高報啟動噴淋。在實際生產中，設計合適。

3 P201液氨輸送泵的設計

P201泵 的 流 量：0.3～0.5 m3/h，揚 程：67 m，功 率：3.7 kW。平時溫度高，液氨儲罐內壓力足夠，液氨可以進入液氨蒸發器內。該項目地點為東北，冬天溫度低時，液氨儲罐內壓力不夠，需要泵將液氨輸送到液氨蒸發器內，在實際生產中設計合適。

4 E201液氨蒸發器的設計

E201蒸發器的φ1 100×1 460 mm，氨盤管面積：約5 m2，流量(管程)：237 kg/h。脫硝需要氣氨，需要通過蒸發器將液氨蒸發為氣氨，蒸發量按250 kg/ h考慮，整臺需設備外購[10]。

實際生產存在殼程中的水經常蒸干的問題，后經檢查為殼程溫度計存在問題。

5 氨氣緩沖罐的設計

氨 氣 緩 沖 罐 的 容 積：5.1 m3，φ1 400×2 800。緩沖時間按1 min考慮，將流量173 kg/h轉換為2.99 kg/min，氨氣密度為0.608 kg/m3，根據密度公式得出需要的有效容積為4.7 m3。所以選容積：5.1 m3，φ1 400×2 800，實際生產中設計滿足生產要求。

6 氨氣吸收罐的設計

氨氣吸收罐的容積：7.6 m3，φ2 200×2 000。液氨蒸發系統、壓力容器及部分可引起超壓的液氨管線設有安全閥，以防壓力超高。安全閥泄放的氣體不可以直接排放入大氣中，以免對操作人員造成危險、造成環境污染。安全閥排放的氨氣排入氨氣稀釋罐中，經水的吸收排入廢水池，避免二次污染[11-13]。(1)根據氨水在不同溫度下的飽和濃度，推算氨氣吸收罐的尺寸、液位高度。30 ℃常壓氨水的飽和濃度28%(389 g氨/1 kg水)；50 ℃常壓氨水的飽和濃度19%(240 g氨/1 kg水)；60 ℃常壓氨水的飽和濃度16%(190 g氨/1 kg水)。R201泄放量7 537 kg/h，10 min為泄放量1 256 kg。氨氣吸收罐液位按1.6 m計，正常液位按1 m計，所儲水量為1.6×1.12 ×3.14 ×1 000=6 079 kg。因此10 min氨 氣 濃 度 為：256/(1 256+6 079)×100/100=17.1%。(2)氨氣吸收罐伴熱面積的計算。罐內常留液體量：3.14/4×2.22 ×1.1 ×1 000=4 178 kg；常留液體 吸 收 熱 量：Q吸=CMΔT=4 178×4.2(水 的 比熱)×10(溫差)=175 476 kJ/h；罐外伴熱蒸汽性質：1.0 MPa，飽和溫度180 ℃，過熱溫度280～320 ℃，K=490 kcal/(m2·h· ℃)=2 051.5 kJ /(m2·h·℃)；伴熱管面積：S=Q /KΔTm=175 476/2 051.5×140=0.61 m2；設計取伴管面積1 m2。在實際生產中，由于氨氣吸收罐內水正常不流動，伴管面積1 m2偏大，罐內水溫高，蒸發流失，現場改為0.03 m2，僅繞罐體外盤1圈DN15伴熱管，且伴管與罐體之間加隔熱墊。

7 氨區布置

氨區有2臺液氨儲罐R201AB，2臺液氨輸送泵P201AB、2臺液氨蒸發器E201AB、1臺氨氣緩沖罐、1臺氨氣吸收罐、1臺儀表風緩沖罐。在氨吸收罐及液氨蒸發系統之間設有管廊，液氨、氨氣、公用工程等管線通過管廊與界區管排相連。液氨蒸發系統布置特點如下：(1)需滿足GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》中的要求，在單個裝置內氣氨系統距離控制室、機柜間、變配電所、化驗室、辦公室需有9 m的防火間距，距離明火設備要有9 m的防火間距，距離甲類可燃氣體壓縮機或壓縮機房要有7.5 m的防火間距[14-15]。設備布置采用半敞開式結構形式，充分利用自然條件，防止氨氣積聚。按照防火、防爆規范要求進行設計。(2)液氨儲存及供應系統周邊設有多個氨氣檢測器，以檢測氨氣的泄漏，并顯示大氣中氨的濃度。當檢測器測得大氣中氨濃度過高時，在機組控制室會發出警報，操作人員可采取必要的措施，以防止氨氣泄漏的異常情況發生[16]。(3)氨區儲罐附近設置熒光風向標及風速、環境溫度測量設施。(4)氨區儲罐附近設置靜電消除器及紅外對射安防系統。(5)液氨蒸發系統的火災危險性為乙A類。(6)為了防止液氨儲罐區泄漏后散流、污染地下水環境，在儲罐四周設置高度為0.6 m的鋼筋混凝土防火堤，在液氨蒸發裝置區四周設置高度為0.2 m的鋼筋混凝土圍堰。

8 結語

本項目為改造環保項目，受現場場地及本身裝置運行狀態的制約很大。作為環保項目，更需要注意在處理目前污染物的時候，確保項目不產生新的污染。對于液氨這種危險化學物質，在設計時，不僅要考慮正常運行狀態、物料的運輸，更應考慮在事故狀態下緊急排放和廢棄物料的處理，保證現場人員的安全和環境不受污染。該項目設計時采用通用的化工知識和國家標準，根據平時工程經驗大膽創新，結合具體工程的占地、人力、公用工程等資源的實際情況，反復研討，最終完成。項目設計時間為2014年1月10日至2014年9月。項目竣工時間為2014年12月18日，項目驗收時間為2016年12月5日。工程運行至今安全平穩，此經驗可在同類項目設計中放心采用。