选择性催化还原法烟气脱硝装置氨站设计要点分析

2014-10-20童波

综合智慧能源 2014年7期

童波

(中国华电工程(集团)有限公司环保分公司，南京 210013)

1 问题的提出

GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》自2012年1月1日起开始实施，对NOx排放质量浓度提出了更加严格的要求。从2012年1月1日起，在新建火力发电锅炉及燃气轮机组中，除采用W型火焰炉膛的火力发电锅炉、现有循环流化床火力发电锅炉以及2003年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉氧化物排放质量浓度执行200 mg/m3(NOx质量浓度均以NO2计)的限值外，其余均执行100 mg/m3氧化物排放质量浓度标准;自2014年7月1日起，现有火力发电锅炉及燃气轮机组均执行这一标准。

目前国内火力发电厂烟气脱硝工艺多采用选择性催化还原法(SCR)工艺技术，脱硝还原剂一般采用液氨、氨水和尿素，由于液氨运行成本低，其应用范围更为广泛。

2 3种SCR还原剂的比较

3种SCR还原剂的比较结果见表1。从表1可以看出，在3种脱硝还原剂中，液氨还原剂的投资、运输和使用成本在三者中最低，但该还原剂具有一定的安全隐患，必须要有严格的安全保证和防火措施。

3 SCR法烟气脱硝装置氨站设计要点

3.1 液氨法脱硝氨站设计需要的设计资质

根据国家安全生产监督管理总局2011年颁布的41号令《危险化学品生产企业安全生产许可证实施办法》的规定:“新建、改建、扩建建设项目经具备国家规定资质的单位设计、制造和施工建设;涉及危险化工工艺、重点监管危险化学品的装置，由具有综合甲级资质或者化工石化专业甲级设计资质的化工石化设计单位设计。”

根据GB 18218—2009《危险化学品重大危险源辨识》的要求，氨储存量若超过10 t即为重大危险源，在火电厂200～600 MW机组氨站中，一般都需要80 t以上、甚至几百吨液氨的储存量，故属于重大危险源。其次，氨属于首批重点监管的危险化学品。故对于氨区的相关设计需要具有综合甲级资质或化工石化专业甲级设计资质的化工石化设计单位进行设计。

3.2 液氨的特性及危害程度评价

液氨又称为无水氨，是一种无色液体，液氨在常温下极易气化为气氨。氨易溶于水、乙醇、乙醚。溶入水后形成氢氧化铵(NH4OH)，为碱性溶液，氨在20℃水中溶解度为34%。

低质量浓度的氨对黏膜有刺激作用，高质量浓度的氨可使组织溶解坏死。其危害主要表现在急性中毒:轻者出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、咯痰等;眼结膜、鼻黏膜、咽部充血、水肿;胸部X射线征象符合支气管炎或支气管周围炎;中度中毒较上述症状加剧，出现呼吸困难、紫绀;胸部X射线征象符合肺炎或间质性肺炎;严重者可发生中毒性肺水肿或有呼吸窘迫综合征，患者剧烈咳嗽、咯大量粉红色泡沫痰、呼吸窘迫、谵妄、昏迷、休克等;还可发生喉头水肿或支气管黏膜坏死脱落窒息。高质量浓度氨可引起反射性呼吸停止。液氨或高质量浓度氨可致眼灼伤，液氨可致皮肤灼伤。

根据GB 5044—1985《职业性接触毒物危害程度分级》的规定，氨属于 IV级(轻度危害)。根据HG 20660—2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的规定，氨属于中度危害的化学介质。根据GBZ 230—2010《职业性接触毒物危害程度分级》的规定，氨属中度危害物质。

表1 3种SCR还原剂的比较

以上3个标准对氨的危害程度的评价存在着差异，其主要原因是GB 5044—1985《职业性接触毒物危害程度分级》和HG 20660—2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的2个标准的用途和使用对象不同，化工行业中广为使用的化学介质(氨)按规定应列入“轻度危害”之类，可根据国内外压力容器的行业习惯和国家质量监督检验总局频发的质技监局锅发〔1999〕154号文《压力容器安全技术监察规程》的规定，才将氨列入“中度危害”介质。而GB 5044—1985《职业性接触毒物危害程度分级》与GBZ 230—2010《职业性接触毒物危害程度分级》标准的差异是因为基础的定级标准和分级原则不同。

依据上述2个标准的规定，在脱硝装置氨站的设计中，笔者建议将氨的危害程度定为中度危害，管道系统的设计按照GB/T 20801—2006《压力管道规范》的规定，将氨站的相关压力管道定为GC2类。氨的基本性质见表2。

3.3 氨区设备布置的间距规定

根据GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》和GB 50016—2006《建筑设计防火规范》的要求，笔者总结出以下氨区设备布置的间距要求，其结果见表3。

表2 氨的基本性质

根据GB 50016—2006《建筑设计防火规范》中的要求:甲乙类液体储罐与厂内主要道路路边之间的距离不小于15 m;与次要道路路边的距离不小于10 m。

3.4 液氨储罐区防火堤设计高度的设计要求

GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》第6.2.17条款规定“卧式储罐防火堤的高度不应低于0.5 m(以堤内设计地坪标高为准)”，所以在很多项目设计中，把防火堤的高度设计为0.5 m或0.6 m(以堤内设计地坪标高为准);但GB 50016—2006《建筑设计防火规范》第4.2.5条款相关规定则提出了更为严格的要求:“防火堤的设计高度应比计算高度高出 0.2 m，且其高度应为 1.0～2.2 m。”笔者建议防火堤的设计高度取1 m为宜，同时需满足吸收氨的消防水不能溢出系统的要求;GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》中设计思想是在其中一个最大的罐子漏液时，防火堤能把此部分的漏液储存在防火堤内而不外流，避免产生更大的危险。由于液氨的沸点为－33.5℃，一旦泄漏将全部气化。此时防火堤的真正用途是在于防止吸收了氨的消防喷淋水不外流，以防止污染环境。

表3 氨区设备布置的间距要求 m

3.5 设置双切断阀加检查阀

根据《石油化工装置工艺管道安装设计手册第一篇设计与计算》第1章第1节第4条的要求:“固定连接在工艺管道或设备上且正常操作时不使用的公用工程管道(如惰性气体、空气、蒸汽、水等介质的管道)应设置双切断阀加检查阀(简称管道三阀组)或设置双切断阀加盲板。在工艺实施过程中不允许串料的管道，也应采取这种措施。”因此，在设计过程中，应在与氨管道连接的氨吹扫管道上设置双阀且在氨主管道上设置1个检查阀。

3.6 设置管道安全阀

根据GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》第5.5.6条款的要求:“两端阀门关闭且因外界影响可能造成介质压力升高的液化烃甲、乙A类液体管道应采取泄压安全措施”。此外由于氨气的性质决定了氨气不能随便排放，必须排入专门的吸收罐内。由于上述原因，设置管道安全阀是十分必要的。

3.7 设置倒罐管线

在氨站的设计过程中，笔者与有关方面关于氨站的液氨储罐之间是否一定需要设置倒罐管线的问题曾经有过多次争论。根据HGT 20559—1993《化工装置工艺系统工程设计规定(三)》的规定:“同种物料分罐储存时，应在进出口管道上设置倒罐副线。”在液氨储罐之间需要设计通过压缩机的倒罐管线。

3.8 压力等级的选择

根据SH 3059—2001《石油化工管道设计器材选用通则》第5.3.2条之规定:“除另有规定外，对于有毒、可燃介质管道的法兰连接最低工程压力应符合下列规定:SHB，SHC级管道的公称压力不宜低于2.0 MPa。”由该标准 3.0.2 的管道分级可知，氨管道属于SHB级别，依据上述规定，氨气管道的测量压力为0.4 MPa，在管道设计中，管道法兰连接最低工程压力等级选用2.5 MPa为宜。

3.9 氨用管道材质和壁厚的选取原则

3.9.1 管道材质的选择

管道材质的选择主要是根据温度进行选择。依据GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》之规定，当极端温度可能低于－20℃时，管道材质需要采用16 Mn或不锈钢。

3.9.2 管道壁厚的选择

由于氨的化学性质较为特殊，必须谨慎选择氨用管道。很多设计手册给出了计算管子表号的方法，一旦管子表号确定下来，壁厚就可以通过一些表格查出来。由于这种方法考虑得不够全面，笔者建议用此法校核壁厚。在中国石化化工集团公司工程建设管理部出版的《压力管道设计技术导则》中，查出氨用管道具体的管道等级表，其中规定了不同管径对应的表号;根据中石化钢管道壁厚系列可以选出具体的管道壁厚。

根据计算和多个项目的实践，笔者总结出氨用管道公称直径与外径对照表及其管道壁厚的选择，详细数据见表4。

表4 管道材质为20号钢和16Mn钢的管道壁厚选择 mm

3.10 液氨供应泵的设置和注意事项

依据《中国华电集团公司火力发电厂烟气脱硝技术导则》的规定，当电厂所在地冬季最低气温低于－10℃时，应使用液氨供应泵。由于蒸发器前后设有调节阀组，可根据不同的锅炉负荷调节供氨量。当供氨需求减少而泵又不是变频泵时，要设置泵出口的回流装置。

回流简洁液氨供应泵出口管道一般都接至液氨供应泵前的过滤器，在回流管道中设有氨用截止阀、氨用止回阀等。从多个项目运行后反馈的结果来看，这种回流方式会影响液氨供应泵的正常工作，从而导致出力不足。究其原因是液氨供应泵运行后温度升高，回流中存在气体并进入液氨供应泵形成气缚，导致其出力不足。为此，笔者建议不要将液氨供应泵的副线管道直接接至液氨供应泵的入口处，虽然可以考虑设置得远一些(离泵入口的距离大于10 m)，但最稳妥的方案是把此液氨供应泵出口的回流管线接回至液氨储罐的顶部接口，这种方案虽然会增加45 m的管道用量，但可以解决由于回流而对液氨供应泵产生的影响。