選擇性催化還原法煙氣脫硝裝置氨站設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

童波

(中國華電工程(集團(tuán))有限公司環(huán)保分公司，南京 210013)

1 問題的提出

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》自2012年1月1日起開始實(shí)施，對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度提出了更加嚴(yán)格的要求。從2012年1月1日起，在新建火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組中，除采用W型火焰爐膛的火力發(fā)電鍋爐、現(xiàn)有循環(huán)流化床火力發(fā)電鍋爐以及2003年12月31日前建成投產(chǎn)或通過建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書審批的火力發(fā)電鍋爐氧化物排放質(zhì)量濃度執(zhí)行200 mg/m3(NOx質(zhì)量濃度均以NO2計(jì))的限值外，其余均執(zhí)行100 mg/m3氧化物排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn);自2014年7月1日起，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組均執(zhí)行這一標(biāo)準(zhǔn)。

目前國內(nèi)火力發(fā)電廠煙氣脫硝工藝多采用選擇性催化還原法(SCR)工藝技術(shù)，脫硝還原劑一般采用液氨、氨水和尿素，由于液氨運(yùn)行成本低，其應(yīng)用范圍更為廣泛。

2 3種SCR還原劑的比較

3種SCR還原劑的比較結(jié)果見表1。從表1可以看出，在3種脫硝還原劑中，液氨還原劑的投資、運(yùn)輸和使用成本在三者中最低，但該還原劑具有一定的安全隱患，必須要有嚴(yán)格的安全保證和防火措施。

3 SCR法煙氣脫硝裝置氨站設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 液氨法脫硝氨站設(shè)計(jì)需要的設(shè)計(jì)資質(zhì)

根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2011年頒布的41號(hào)令《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)安全生產(chǎn)許可證實(shí)施辦法》的規(guī)定:“新建、改建、擴(kuò)建建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)具備國家規(guī)定資質(zhì)的單位設(shè)計(jì)、制造和施工建設(shè);涉及危險(xiǎn)化工工藝、重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品的裝置，由具有綜合甲級(jí)資質(zhì)或者化工石化專業(yè)甲級(jí)設(shè)計(jì)資質(zhì)的化工石化設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)?！?/p>

根據(jù)GB 18218—2009《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》的要求，氨儲(chǔ)存量若超過10 t即為重大危險(xiǎn)源，在火電廠200～600 MW機(jī)組氨站中，一般都需要80 t以上、甚至幾百噸液氨的儲(chǔ)存量，故屬于重大危險(xiǎn)源。其次，氨屬于首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化學(xué)品。故對(duì)于氨區(qū)的相關(guān)設(shè)計(jì)需要具有綜合甲級(jí)資質(zhì)或化工石化專業(yè)甲級(jí)設(shè)計(jì)資質(zhì)的化工石化設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 液氨的特性及危害程度評(píng)價(jià)

液氨又稱為無水氨，是一種無色液體，液氨在常溫下極易氣化為氣氨。氨易溶于水、乙醇、乙醚。溶入水后形成氫氧化銨(NH4OH)，為堿性溶液，氨在20℃水中溶解度為34%。

低質(zhì)量濃度的氨對(duì)黏膜有刺激作用，高質(zhì)量濃度的氨可使組織溶解壞死。其危害主要表現(xiàn)在急性中毒:輕者出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、咯痰等;眼結(jié)膜、鼻黏膜、咽部充血、水腫;胸部X射線征象符合支氣管炎或支氣管周圍炎;中度中毒較上述癥狀加劇，出現(xiàn)呼吸困難、紫紺;胸部X射線征象符合肺炎或間質(zhì)性肺炎;嚴(yán)重者可發(fā)生中毒性肺水腫或有呼吸窘迫綜合征，患者劇烈咳嗽、咯大量粉紅色泡沫痰、呼吸窘迫、譫妄、昏迷、休克等;還可發(fā)生喉頭水腫或支氣管黏膜壞死脫落窒息。高質(zhì)量濃度氨可引起反射性呼吸停止。液氨或高質(zhì)量濃度氨可致眼灼傷，液氨可致皮膚灼傷。

根據(jù)GB 5044—1985《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》的規(guī)定，氨屬于 IV級(jí)(輕度危害)。根據(jù)HG 20660—2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》的規(guī)定，氨屬于中度危害的化學(xué)介質(zhì)。根據(jù)GBZ 230—2010《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》的規(guī)定，氨屬中度危害物質(zhì)。

表1 3種SCR還原劑的比較

以上3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氨的危害程度的評(píng)價(jià)存在著差異，其主要原因是GB 5044—1985《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》和HG 20660—2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的用途和使用對(duì)象不同，化工行業(yè)中廣為使用的化學(xué)介質(zhì)(氨)按規(guī)定應(yīng)列入“輕度危害”之類，可根據(jù)國內(nèi)外壓力容器的行業(yè)習(xí)慣和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局頻發(fā)的質(zhì)技監(jiān)局鍋發(fā)〔1999〕154號(hào)文《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，才將氨列入“中度危害”介質(zhì)。而GB 5044—1985《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》與GBZ 230—2010《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)的差異是因?yàn)榛A(chǔ)的定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和分級(jí)原則不同。

依據(jù)上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在脫硝裝置氨站的設(shè)計(jì)中，筆者建議將氨的危害程度定為中度危害，管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照GB/T 20801—2006《壓力管道規(guī)范》的規(guī)定，將氨站的相關(guān)壓力管道定為GC2類。氨的基本性質(zhì)見表2。

3.3 氨區(qū)設(shè)備布置的間距規(guī)定

根據(jù)GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和GB 50016—2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求，筆者總結(jié)出以下氨區(qū)設(shè)備布置的間距要求，其結(jié)果見表3。

表2 氨的基本性質(zhì)

根據(jù)GB 50016—2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中的要求:甲乙類液體儲(chǔ)罐與廠內(nèi)主要道路路邊之間的距離不小于15 m;與次要道路路邊的距離不小于10 m。

3.4 液氨儲(chǔ)罐區(qū)防火堤設(shè)計(jì)高度的設(shè)計(jì)要求

GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第6.2.17條款規(guī)定“臥式儲(chǔ)罐防火堤的高度不應(yīng)低于0.5 m(以堤內(nèi)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為準(zhǔn))”，所以在很多項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，把防火堤的高度設(shè)計(jì)為0.5 m或0.6 m(以堤內(nèi)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為準(zhǔn));但GB 50016—2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第4.2.5條款相關(guān)規(guī)定則提出了更為嚴(yán)格的要求:“防火堤的設(shè)計(jì)高度應(yīng)比計(jì)算高度高出 0.2 m，且其高度應(yīng)為 1.0～2.2 m?！惫P者建議防火堤的設(shè)計(jì)高度取1 m為宜，同時(shí)需滿足吸收氨的消防水不能溢出系統(tǒng)的要求;GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中設(shè)計(jì)思想是在其中一個(gè)最大的罐子漏液時(shí)，防火堤能把此部分的漏液儲(chǔ)存在防火堤內(nèi)而不外流，避免產(chǎn)生更大的危險(xiǎn)。由于液氨的沸點(diǎn)為－33.5℃，一旦泄漏將全部氣化。此時(shí)防火堤的真正用途是在于防止吸收了氨的消防噴淋水不外流，以防止污染環(huán)境。

表3 氨區(qū)設(shè)備布置的間距要求 m

3.5 設(shè)置雙切斷閥加檢查閥

根據(jù)《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)第一篇 設(shè)計(jì)與計(jì)算》第1章第1節(jié)第4條的要求:“固定連接在工藝管道或設(shè)備上且正常操作時(shí)不使用的公用工程管道(如惰性氣體、空氣、蒸汽、水等介質(zhì)的管道)應(yīng)設(shè)置雙切斷閥加檢查閥(簡稱管道三閥組)或設(shè)置雙切斷閥加盲板。在工藝實(shí)施過程中不允許串料的管道，也應(yīng)采取這種措施?！币虼?，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在與氨管道連接的氨吹掃管道上設(shè)置雙閥且在氨主管道上設(shè)置1個(gè)檢查閥。

3.6 設(shè)置管道安全閥

根據(jù)GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第5.5.6條款的要求:“兩端閥門關(guān)閉且因外界影響可能造成介質(zhì)壓力升高的液化烴甲、乙A類液體管道應(yīng)采取泄壓安全措施”。此外由于氨氣的性質(zhì)決定了氨氣不能隨便排放，必須排入專門的吸收罐內(nèi)。由于上述原因，設(shè)置管道安全閥是十分必要的。

3.7 設(shè)置倒罐管線

在氨站的設(shè)計(jì)過程中，筆者與有關(guān)方面關(guān)于氨站的液氨儲(chǔ)罐之間是否一定需要設(shè)置倒罐管線的問題曾經(jīng)有過多次爭論。根據(jù)HGT 20559—1993《化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定(三)》的規(guī)定:“同種物料分罐儲(chǔ)存時(shí)，應(yīng)在進(jìn)出口管道上設(shè)置倒罐副線?！痹谝喊眱?chǔ)罐之間需要設(shè)計(jì)通過壓縮機(jī)的倒罐管線。

3.8 壓力等級(jí)的選擇

根據(jù)SH 3059—2001《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》第5.3.2條之規(guī)定:“除另有規(guī)定外，對(duì)于有毒、可燃介質(zhì)管道的法蘭連接最低工程壓力應(yīng)符合下列規(guī)定:SHB，SHC級(jí)管道的公稱壓力不宜低于2.0 MPa。”由該標(biāo)準(zhǔn) 3.0.2 的管道分級(jí)可知，氨管道屬于SHB級(jí)別，依據(jù)上述規(guī)定，氨氣管道的測量壓力為0.4 MPa，在管道設(shè)計(jì)中，管道法蘭連接最低工程壓力等級(jí)選用2.5 MPa為宜。

3.9 氨用管道材質(zhì)和壁厚的選取原則

3.9.1 管道材質(zhì)的選擇

管道材質(zhì)的選擇主要是根據(jù)溫度進(jìn)行選擇。依據(jù)GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》之規(guī)定，當(dāng)極端溫度可能低于－20℃時(shí)，管道材質(zhì)需要采用16 Mn或不銹鋼。

3.9.2 管道壁厚的選擇

由于氨的化學(xué)性質(zhì)較為特殊，必須謹(jǐn)慎選擇氨用管道。很多設(shè)計(jì)手冊(cè)給出了計(jì)算管子表號(hào)的方法，一旦管子表號(hào)確定下來，壁厚就可以通過一些表格查出來。由于這種方法考慮得不夠全面，筆者建議用此法校核壁厚。在中國石化化工集團(tuán)公司工程建設(shè)管理部出版的《壓力管道設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》中，查出氨用管道具體的管道等級(jí)表，其中規(guī)定了不同管徑對(duì)應(yīng)的表號(hào);根據(jù)中石化鋼管道壁厚系列可以選出具體的管道壁厚。

根據(jù)計(jì)算和多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，筆者總結(jié)出氨用管道公稱直徑與外徑對(duì)照表及其管道壁厚的選擇，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 管道材質(zhì)為20號(hào)鋼和16Mn鋼的管道壁厚選擇 mm

3.10 液氨供應(yīng)泵的設(shè)置和注意事項(xiàng)

依據(jù)《中國華電集團(tuán)公司火力發(fā)電廠煙氣脫硝技術(shù)導(dǎo)則》的規(guī)定，當(dāng)電廠所在地冬季最低氣溫低于－10℃時(shí)，應(yīng)使用液氨供應(yīng)泵。由于蒸發(fā)器前后設(shè)有調(diào)節(jié)閥組，可根據(jù)不同的鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)供氨量。當(dāng)供氨需求減少而泵又不是變頻泵時(shí)，要設(shè)置泵出口的回流裝置。

回流簡潔液氨供應(yīng)泵出口管道一般都接至液氨供應(yīng)泵前的過濾器，在回流管道中設(shè)有氨用截止閥、氨用止回閥等。從多個(gè)項(xiàng)目運(yùn)行后反饋的結(jié)果來看，這種回流方式會(huì)影響液氨供應(yīng)泵的正常工作，從而導(dǎo)致出力不足。究其原因是液氨供應(yīng)泵運(yùn)行后溫度升高，回流中存在氣體并進(jìn)入液氨供應(yīng)泵形成氣縛，導(dǎo)致其出力不足。為此，筆者建議不要將液氨供應(yīng)泵的副線管道直接接至液氨供應(yīng)泵的入口處，雖然可以考慮設(shè)置得遠(yuǎn)一些(離泵入口的距離大于10 m)，但最穩(wěn)妥的方案是把此液氨供應(yīng)泵出口的回流管線接回至液氨儲(chǔ)罐的頂部接口，這種方案雖然會(huì)增加45 m的管道用量，但可以解決由于回流而對(duì)液氨供應(yīng)泵產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

用液氨作為脫硝裝置的還原劑在投資、運(yùn)輸和使用成本方面較氨水和尿素具有較好的優(yōu)勢，但對(duì)于設(shè)計(jì)安全的要求它卻是三者中最高的。對(duì)于脫硝氨站的設(shè)計(jì)研究，要不斷總結(jié)和改進(jìn)，最終形成模塊化是脫硝技術(shù)發(fā)展的方向。

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