浅析SCR脱硝技术中氨管道设计要点

2016-09-05胡俊生

山东化工 2016年12期

关键词：截止阀密封件液氨

胡俊生

(中石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103)

浅析SCR脱硝技术中氨管道设计要点

胡俊生

(中石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103)

结合相关设计规范，根据已经运行的多套SCR工艺烟气脱硝装置管道设计经验，就氨管道设计中对管道布置设计、阀门材质选择及管道试压检验等需要重点关注的内容总结归纳。

氨；管道；设计

1 概述

催化裂化装置烟气脱硝多采用SCR (Selective Catalytic Reduction)选择性催化还原工艺，在烟气温度300℃～400℃条件下将还原剂氨气(空气稀释后的含5%左右的氨的混合气)喷入装有催化剂的脱硝反应器中，使烟气中的NOX与还原剂氨发生反应生成N2和水，从而降低NOX的排放量，减少排放烟气中NOX对环境的污染。

SCR工艺对氨的纯度要求较高，一般炼油厂硫回收装置或污水汽提装置生产的氨质量浓度为99.22%～99.42%，其中H2S浓度为1.72～2.07mg/kg，由于H2S常温下易在氨气管道中生成(NH4)2S等物质，堵塞及腐蚀氨气流量计，H2S进入锅炉不完全燃烧易生成液态硫和硫类氨盐，堵塞腐蚀锅炉内换热管束，故SCR工艺建议采用液氨的最低标准为氨浓度99.6%，残留物0.4%[1]。液氨属于乙类易燃易爆物质，输送氨介质(液氨、气氨)的管道在脱硝装置各类工艺管线的设计中显得尤为重要，本文就氨管道在设计中需要注意的要点做简单阐述。

2 依据氨特性规范设计

氨是一种无色有刺激性恶臭气体，易溶于水、有毒、本身不燃烧，但氨与空气混合浓度达到爆炸极限遇明火就能爆炸，根据《石油化工企业防火设计规范》对有毒可燃介质分类，氨属于乙A类可燃介质，A2类流体，《职业性接触毒物危害程度分级》将氨划分为IV级，属轻度危害介质。液氨或氨气泄漏可发生中毒，遇明火会发生火灾爆炸事故，液氨喷溅人体皮肤会造成灼伤，对事故现场及周围的环境和人身财产等造成严重的影响，故设计应严格执行安全及防火等有关规范，施工及检修维护应严格执行《工业管道工程施工及验收规范》，使管道、阀门等做到不发生“跑、冒、滴、漏”等现象。

3 液氨管道设计

合理设计氨介质工艺管道系统对杜绝发生氨泄漏事故至关重要，氨管道的设计首先应满足TSGD0001-2009压力管道安全技术规程规范要求，氨管道的布置应满足工艺流程要求，管道应敷设在管架或管墩上，不能埋地或地沟敷设。宜泄漏部位应避免位于人行通道或机泵上方，否则应设置安全防护。为了防止应力腐蚀, 在综合考虑操作压力、残余应力以及安全性和经济性的情况下, 应尽可能选用强度较低的钢材。在设计中要求正确的焊后热处理可以可以降低焊接热影响区的峰值硬度，并大大降低焊接过程中的残余应力,。

4 氨专用阀的选用及操作

氨对金属铜会发生应力腐蚀(表面膜破裂学说应力腐蚀机理)[2]，材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生失效现象，故氨介质阀门材质严禁含铜。按常理，氨介质对阀门的选择无特殊要求，但从安全角度考虑尽量避免选择平面形状的密封面，闸阀的密封面一般是靠闸板斜面的压在阀座面进行密封，氨很容易对此平面进行腐蚀，长期运行会发生泄漏，故氨阀采用氨专用截止阀[3]。液氨是A2类流体，应采用防止阀杆填料处泄漏的可靠填料密封结构型式阀门。

4.1 氨用截止阀的特点

(1)针对普通阀门耐腐蚀性能差、壳体易穿孔的缺点，根据介质具体特性，氨用截止阀在阀体材料上选用耐腐蚀钢(低温碳素钢添加耐蚀合金元素)，可耐氨气、液氨腐蚀，低温可至-40℃,最大限度保证工况条件使用要求。

(2)氨用截止阀密封副配对结构型式采用球、平面型，密封自动补偿，达到双重保险的效果，密封性能稳定，无粘着磨损，有效地解决了化工管道用普通阀门密封性能差、易泄露的难题。

(3)氨用截止阀法兰采用凹凸密封结构，即使在管道压力波动的情况下，也能保证中法兰密封绝对可靠。

(4)氨用截止阀上密封装置中采用多级聚四氟乙烯密封材料，形成组合密封，确保阀门在使用期限内填料函无介质泄露，消除了普通阀门填料函密封薄弱、介质易外漏，甚至造成事故的可能。

4.2 氨用截止阀在操作使用时，应注意以下两点

(1)截止阀在开启前应进行泄漏检查，确定阀门是否无泄漏缺陷、填料函是否无泄漏缺陷。

(2)截止阀的阀杆操作如无法动手完成，可使用专用的F扳手代替，但在F扳手仍无法开启的情况下，切勿使用加长扳手强行开闭，以避免阀门损坏甚至安全事故发生。

5 破真空阀的应用及安装

装置中设置了气氨排放回收稀释罐，使用水来吸收排放的气氨或液相氨，由于氨极易溶解与水，一体积水可溶解700体积氨气，如果事故状态氨排放安全阀开启，安全阀出口直接接入水中,氨在极短的时间内溶解于水，管道形成负压，会将稀释罐的水回吸至管道，如果增加止回阀来防止倒流，系统产生的负压会导致管道稀释罐发生形变，进而导致安全事故。在进入稀释罐之前管道上安装破真空阀可以很好的解决此问题。破真空阀原理是当系统产生负压时,通过大气压跟系统压力的压差作用在密封件上,推动破真空阀密封件,打开密封面把外界大气引入系统,让系统压强升高破坏负压,直到破真空阀密封件重新下坠密封,外界大气不再进入系统.在系统正压时候，工作介质进入密封件上部，向下压紧密封件，系统压力越大，密封越紧，保证正压时破真空阀密封良好。破真空阀的结构见图1。

图1 破真空阀

破真空阀必须竖直向上安装，如果水平安装，正压时密封件不能在自重的作用下密封住密封面，就会从吸气口泄漏，如果倒置安装，正压时反而在密封件自重作用下打开吸气口，相当于正压时为常开状态，管道内氨介质将持续泄漏。破真空阀安装方式见图2。

图2 破真空阀安装方式

6 管道检验试压

SCR技术中使用液氨一般为-33℃无水氨，依据其介质特性在管道检验试压时应注意以下要求

(1)按照石油化工管道分级，-33℃液氨管线属于SHA1类管道，应采用无损检测，须按100%比例进行无损检测，检测手段为射线检测或超声波检测，其中承插焊焊缝及支管连接的焊缝可采用磁粉或液体渗透法检测，或按工程设计文件的规定进行检测。

(2) 气密性试验：高压侧应进行1.8 MPa(表压)。低压侧应进行1.2 MPa(表压)的气密性试验。应采用干燥空气或氮气进行，并应按现行国家标准《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范》有关规定执行。

(3) 抽真空试验:当系统内剩余压力小于5.333kPa(绝压)时，保持24 h，系统内压力无变化为合格。

(4) 充氨试验:充氨试验压力为0.2 MPa(表压)，系统应无泄漏。

(5)对于项目所在地有地方监管法规的，须比较国家标准与地方法规，按要求较高的执行。

7 保温保冷

SCR技术中，根据工艺流程，氨有不同的相态及储存、使用地点，对于不同工况，氨管道需要不同的防止冷量损失措施。

7．1 下列情况需要保冷

液氨、气氨管道介质温度一般低于环境温度，保冷目的是为了减少内部介质温度的升高导致管道内部压力增大，产生安全运行风险。但是否保冷主要取决于管道内液氨的温度，如果是-33℃液氨，则一定要保冷；液氨外送管道也需要保冷；如果是20℃左右的液氨，就不需要保冷。

7.2 下列情况需要保温

SCR技术所用的液氨管道一般不需要做保温。在常温下，不管是卸氨管道还是液氨输送管道，压力都比较高，环境温度越低越有利于液氨的稳定与输送。需要注意的是液氨管道温度不能太高，太高液氨气化会导致管道压力急剧上升，导致管道的破损。

气氨管道应根据介质温度和环境温度判断是否需要保温，从液氨蒸发器出口的气氨管道由于介质温度超过100℃，这段气氨管道需要保温。经过减温减压阀的气氨管道，温度已经降至常温，如果环境温度常年在零度以上，可以不考虑做保温。如果环境温度很低，低于工作压力下的氨的液化温度，就需要做保温，保证气氨不液化。如果需要加伴热，应该做蒸汽伴热，不用电伴热。气氨属于可燃易爆介质，不宜用电伴热，平时还要注意消除静电。