液氨儲罐采用水置換方案的探討

李曉輝，李勝振，朱鵬余

(三河發(fā)電有限責任公司，河北 廊坊 065201)

1 設備概況

三河發(fā)電有限責任公司一期工程為2×350 MW日本三菱凝汽式發(fā)電機組，分別于1999年和2000年投產(chǎn)發(fā)電，2007年改為抽汽供熱；二期工程為2×300 MW國產(chǎn)抽汽供熱機組，于2007年投產(chǎn)發(fā)電，2015年增容改造為2×315 MW。4臺鍋爐均為亞臨界燃煤汽包鍋爐，采用一次中間再熱、單爐膛、雙切圓燃燒、鋼架全懸吊結構、半露天布置、固態(tài)排渣。汽輪機均采用單軸、雙缸雙排汽、亞臨界汽輪機組。每臺鍋爐采用2臺雙室五電場高頻電源電除塵器；采用石灰石濕法脫硫和SCR脫硝裝置。采用液氨蒸發(fā)法供氨，氨區(qū)為4臺鍋爐SCR脫硝系統(tǒng)，共配置2臺各為80 m3的液氨儲罐、3臺液氨蒸發(fā)器、3臺氨氣緩沖罐、 1臺氨氣吸收槽處理氨區(qū)系統(tǒng)排放的氨氣、1個容積為27 m3的地坑，作為緩沖排放氨區(qū)內廢水使用。其主要參數(shù)見表1。

表1 氨區(qū)主要設備主要參數(shù)

2 確定方案

液氨作為燃煤鍋爐煙氣脫硝重要的生產(chǎn)原材料，屬于乙類易燃易爆的有毒液體，其危害主要表現(xiàn)為高毒性、可燃性、爆炸性和腐蝕性。國家TSG-R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》明確規(guī)定：液氨儲罐作為壓力容器，累積監(jiān)控使用時間不得超過3年，必須經(jīng)過檢驗，需要檢驗的表面，特別是腐蝕部位和可能產(chǎn)生裂紋性缺陷的部位，必須徹底清理干凈，母材表面應當露出金屬本體。這就要求必須要在液氨儲罐表面焊口進行打磨，并做好相應的安全措施。具體要求為液氨儲罐需要排空內部液氨并置換，氨氣質量濃度不得高于35 mg/m3；空氣中含氧體積分數(shù)應在18%～21%[1-3]。

如采用常規(guī)的氮氣置換方法，由于液氨儲罐內部長期浸泡在液氨中，需要耗費大量氮氣，并且置換過程時間長，整體耗費氮氣及人工成本都非常高。因此，本文提出了采用水置換液氨儲罐內工質的方案[4-5]。

3 方案風險源分析

液氨儲罐采取水置換方法時，在操作過程中由于液氨、氨氣、水等工質之間或自身擴容等原因產(chǎn)生化學、物理反應，因此對液氨儲罐水置換過程中的主要風險源簡要分析如下。

3.1 液氨儲罐內部壓力波動造成設備損壞的風險分析

液氨儲罐工作壓力為0～1.6 MPa，運行狀態(tài)時處于正壓強范圍。在常溫、常壓狀態(tài)下，氨氣極易溶于水，溶解度為1∶700。如液氨儲罐在水置換過程中，內部充滿氨氣狀態(tài)下充入置換水時，由于氨氣迅速溶于水，造成液氨儲罐內部壓力急劇減小，形成真空，如壓力波動超過液氨儲罐表面殼體承受負壓能力時，就會造成設備損壞，甚至發(fā)生液氨儲罐殼體塌陷現(xiàn)象。

3.2 液氨儲罐表面溫度變化造成設備損壞的風險分析

當氨氣溶解于水時會發(fā)生放熱反應，造成液氨儲罐表面溫度升高；液氨在儲罐內部發(fā)生氣化時，會發(fā)生吸熱反應，造成液氨儲罐表面溫度下降。由于液氨儲罐設計溫度范圍為-20～50 ℃，超出其溫度范圍時，會造成液氨儲罐殼體產(chǎn)生應力傷害，甚至發(fā)生殼體破損。因此，首先應在水置換操作過程中采用合理步驟，盡量減少發(fā)生放熱或者吸熱反應；其次如不得不產(chǎn)生放熱或者吸熱反應時，應控制反應速度，保障液氨儲罐表面溫度不低于0 ℃、不高于40 ℃，避免液氨儲罐殼體由于溫度變化造成的風險。

4 水置換步驟和方案要點分析

液氨儲罐進行水置換時，主要步驟按照相關規(guī)程要求做好準備工作，例如制定預案，編寫操作票，準備相應的操作工具等；排空液氨儲罐內的液氨；氮氣置換液氨儲罐中的氨氣；液氨儲罐注水，通過液氨儲罐底部排放門排放至pH值合格(7.5或以下)；充入氮氣，排出存水(如需液氨儲罐內部工作，需置換為空氣，并且氧的體積分數(shù)應為18%～21%，如無內部工作可不用置換為空氣)；液氨儲罐打磨檢測；檢查液氨儲罐內部氮氣氧量低于2%(如內部為空氣，需要置換為氮氣，且氧量低于2%)；進行液氨儲罐的氣密性試驗；多次從液氨儲罐底部排放門處排放液氨儲罐內氮氣壓力至0.2～0.3 MPa，確定底部排放門處無水霧或水滴排出為合格；氨氣置換氮氣至正常運行壓力后，注入液氨。

4.1 液氨儲罐水置換前的工作準備

a.應關閉進行水置換的液氨儲罐與氨區(qū)內工作部分的液氨、氨氣等系統(tǒng)相連接的所有相關閥門，并在閥門外側打堵板，做到與運行設備可靠隔絕，絕對避免液氨或者氨氣與置換水接觸。

b.進行水置換的水源應干凈，氯根小于25 mg/L，避免對液氨儲罐內部造成腐蝕。

4.2 液氨儲罐的液氨排空

當液氨儲罐液位為零后，打開底部排放門排放液氨至廢水坑，打開頂部排氣門排放氨氣至吸收槽，至液氨儲罐內部壓力基本為大氣壓時，進行氮氣置換。進行氮氣置換的目的是為了盡量減少液氨儲罐內的氨氣，盡量減少液氨儲罐進水時造成的內部壓力波動。

4.3 液氨儲罐的置換水注入

液氨儲罐注水的同時，必須打開液氨儲罐相應的各個頂部及底部排放門，使液氨儲罐內部與外界相通，以避免液氨儲罐內部壓力由于氨氣溶解產(chǎn)生波動。

4.4 液氨儲罐的置換水排出

a.在液氨儲罐最大水容量時通入氮氣，同時通過液氨儲罐底部排放門排水，利用氮氣壓力排出液氨儲罐內部存水。目的是為了保持液氨儲罐內為低氧量，減少氮氣置換次數(shù)，達到節(jié)約氮氣成本的目的。

b.充氮后壓力達到1.0～1.6 MPa時，保持壓力持續(xù)5 min以上，經(jīng)液氨儲罐底部排放門排放氮氣，經(jīng)幾次充氮、通過液氨儲罐底部排放門排放多次后，最終確認底部排放門處再無水滴或者水霧排出后為止,其目的是盡可能排出液氨儲罐內的存水，減少液氨儲罐充氨時造成液氨儲罐殼體溫度變化，提高安全性。

c.排放液氨儲罐內存水至pH值低于7.5時為合格。

d.液氨儲罐水置換過程中會產(chǎn)生較多含氨廢水，通過氨區(qū)地坑泵排出，需妥善處理，避免氨氮廢水外排造成環(huán)境污染。

4.5 液氨儲罐的充氨過程

a.液氨儲罐檢測工作結束并恢復至運行狀態(tài)過程中，利用氨氣置換液氨儲罐內部的氮氣，并在置換過程中就地檢測液氨儲罐的溫度變化情況。液氨儲罐內部雖然經(jīng)過多次置換，但仍然會在液氨儲罐內壁凝結部分水分。這部分水分難以排出，在氨氣進入液氨儲罐時，就會造成液氨儲罐殼體表面溫度變化。因此，在液氨儲罐氨氣置換氮氣過程中，在上位機觀察液氨儲罐溫度變化的同時，還應使用手持溫度檢測儀隨時測量液氨儲罐殼體各個點的溫度。當液氨儲罐任何部位溫度達到33 ℃時，應立刻停止氨氣置換氮氣，液氨儲罐表面任何部位溫度不得超過40 ℃，超過時需按照相關規(guī)定采取相應的降溫措施。

b.逐漸充氨提高液氨儲罐內部壓力至正常運行時的壓力(低于1.6 MPa)后方可注入液氨。注意在液氨儲罐內部壓力低時，絕對不允許直接注入液氨。液氨直接進入液氨儲罐擴容會造成液氨儲罐溫度急劇下降，液氨儲罐表面殼體應力急劇變化會造成液氨儲罐殼體炸裂。

5 結束語

液氨儲罐的水置換方案相對于氮氣置換方案操作簡單，容易達到降低氨氣濃度的置換效果，可以在較短時間內達到液氨儲罐具備檢測的工作條件，可以節(jié)約大量氮氣成本及人工操作成本；同時，一定要注意避免由于操作不當造成氨氣遇水溶解，液氨氣化揮發(fā)等情況時產(chǎn)生氨罐內壓力急劇變化、溫度急劇變化而導致氨罐本體及相關管路應力變化的設備風險。