烟气脱硫脱硝装置仪表选型方法

徐博文

(中国昆仑工程有限公司，北京 100037)

烟气脱硫脱硝装置仪表选型方法

徐博文

(中国昆仑工程有限公司，北京 100037)

介绍了化工厂导热油锅炉烟气脱硫脱硝联合装置中的仪表选型原则和方法。根据实际使用经验，烟气脱硫脱硝装置普遍存在磨损、腐蚀和易堵工况，对仪表材质及选型的要求较高，重点对压力、流量、密度、液位、pH值等主要控制参数的仪表选型以及控制阀选型进行了分析。合理的选型可以保证烟气处理效果和装置稳定运行，延长仪表使用寿命。

脱硫脱硝 湿法脱硫 烟气处理 仪表选型

近年来，随着中国大气污染程度的日趋严重，国家对各类工厂大气污染物排放的监管和治理也更加严格。根据锅炉大气污染物排放标准和无机化学工业污染物排放标准，对颗粒物、氮氧化物和二氧化硫的排放均有严格限制。燃煤烟气脱硫脱硝联合装置采用SCR脱硝技术和石灰石湿法烟气脱硫工艺，烟气处理效果均达到污染物排放标准。脱硫脱硝装置工况存在化学腐蚀、磨蚀和沉积堵塞等复杂工况，对仪表选型要求较高，本文将首先分析脱硫脱硝装置工况条件和产生机理，并结合实际应用经验，重点介绍压力、流量、密度、液位、pH计、阀门等多种仪表选型的方法和原则。

1 脱硫脱硝装置腐蚀性分析

烟气脱硫脱硝装置分为脱硝和脱硫两步处理流程,如图1所示。典型的脱硫脱硝装置使用SCR脱硝工艺及石灰石湿法脱硫工艺，主要包括脱硝反应器、氨站、脱硫塔、石膏脱水系统和石灰石浆液调配等。

1.1 SCR脱硝装置腐蚀性分析

在SCR脱硝反应中，质量分数为20%的氨水在氨站中与空气按一定比例混合后进入脱硝反应器吸收燃煤锅炉排放出的烟气，在催化剂的作用下吸收其中的一氧化氮和二氧化氮，最终生成氮气和水，达到去除氮氧化物的目的。主要包括以下反应：

其中，SCR脱硝工艺使用的质量分数为20%的氨水在运输、储存和参与反应的过程中，可与铜产生络合反应，生成铜氨络合物，反应式如下：

由此长期会造成含铜管道及仪表发生腐蚀，导致氨水泄漏，释放氨气，氨气与氧气浓度在特定的环境下会发生爆炸事故。因此，在脱硝装置设计中，氨站应该全部采用防爆设计，另外，氨站与脱硝反应器所有仪表、设备及管道应全部做禁铜处理。

图1 烟气脱硫脱硝装置流程示意

1.2 湿法脱硫装置腐蚀性分析

石灰石湿法脱硫工艺将石灰石浆液引入脱硫吸收塔内进行雾化喷淋，形成均匀覆盖吸收塔断面的液滴，液滴与引入吸收塔的烟气接触时，吸收烟气中所含的二氧化硫，经氧化中和反应后最终生成石膏排出，主要包括以下反应：

湿法脱硫主要存在氧化性腐蚀、磨损冲刷和易沉积堵塞等工况。氧化性腐蚀主要来源于燃煤燃烧所产生的二氧化硫、氯化物、氟化物等物质。二氧化硫在湿法脱硫装置中遇水可以生成硫酸根和亚硫酸根离子，形成酸性环境。同时烟气中的氯化物、氟化物除本身具有腐蚀作用外，也会加大腐蚀环境pH值变化，强化硫酸盐的腐蚀作用，形成强氧化性环境。

由于石灰石浆液和石膏浆液含颗粒物较大，长期冲刷会对管路及仪表产生腐蚀、磨蚀，并且伴随悬浮固体沉积、结垢等问题，对仪表选型有特殊要求。所以，仪表选型应最大限度地考虑其可用性、可靠性和使用寿命。

2 压力变送器选型

在压力测量中，应重点注意燃煤烟气烟道和石膏浆液管道的压力变送器选型。由于燃煤烟气中含有大量颗粒物，采用由导压管引至压力变送器进行测量的方式，长时间会导致导压管堵塞，影响测量效果。因此，在烟道烟气测量中，普遍采用防堵取压装置替代传统导压管取压方式，如图2所示。防堵取压装置应在烟道或者设备两侧垂直安装，采用法兰安装形式。烟气由烟道斜管引入，压力变送器则通过取压装置间接取压。另外，可将仪表压缩空气引入防堵取压装置中，稳定或者定时对取压装置进行吹扫，该种方法可以避免长期使用后导致灰尘堵塞取压管的问题。由于烟道烟气中水分较少，氧化性腐蚀弱，因而对压力变送器的选型无特殊要求，材质采用普通不锈钢即可。

在石膏和石灰石浆液管道的压力测量中，由于石灰石和石膏浆液颗粒较大，对管道及仪表磨损严重，且含有强氧化性物质。因而在该类工况压力测量中，为保证仪表寿命及测量精度，应优先考虑采用法兰隔膜式化学密封压力变送器，所有接液部分材质选用哈氏合金，法兰连接管口大于DN80。

图2 防堵取压装置示意

3 流量及密度仪表选型

在SCR脱硝工艺中，氨气与空气在静态混合器中混合，形成一定比例后进入反应器中参与反应。脱硝反应对该比例有严格要求，氨气含量高会导致资金浪费、污染环境。过多的氨气也会腐蚀催化剂模块，导致催化剂失活，缩短寿命。另外，逃逸

的氨气会与空气中的亚硫酸根生成具有腐蚀性和粘结性的硫酸铵盐，造成下游管段堵塞和腐蚀。相反氨气浓度较低时，脱硝反应不充分，会导致脱硝效果不足，排放超标，因而对氨气的流量控制至关重要。该处工艺管径为DN15，标准流量仅为10～23 m3/h，因而应采用一体化内藏孔板流量计，材质为316 S.S，全部做禁铜处理。管线上也应设置温度和压力仪表，进行温压补偿计算，得到准确的流量值。

在湿法脱硫工艺中，石灰石浆液和石膏浆液密度是决定脱硫效果的重要参数。石灰石浆液密度决定了吸收塔中烟气吸收效率，而石膏浆液密度决定了塔内石膏浆液排放时机，保持塔内物料平衡。若塔内浆液密度低于设定值，喷淋吸收不完全，浆液需打回吸收塔再循环；若密度高于设定值，浆液已趋于饱和，则打至一级脱水系统，防止结垢和沉积。

当前普遍的密度测量方式包括差压密度测量法、伽马射线放射吸收法、音叉密度计和科氏力质量流量计。表1列出了4种密度测量方法的原理和优缺点。综合4种方法，由于质量流量计精度高，安装及维护简单，且可同时测量流量值，因而湿法脱硫工艺中多选用质量流量计进行流量和密度测量。

表1 脱硫工艺中4种主要密度测量方法对比

质量流量计在国内石灰石和石膏浆液管道测量中使用广泛，测量精度高，可同时对流量和密度测量。由于管道颗粒物含量高，磨蚀严重，流量计对流速要求极为严格，流量计所测的流体流速必须保证在1.2 m/s左右，才能保证设备长期运行，一般内管材质采用钛合金。同时，为了防止浆液堵塞沉积，质量流量计需选用直通管形式，内径不应小于DN40，并且必须采用垂直安装形式。在实际应用中，石灰石及石膏浆液采样管线与浆液排出管线共用，为满足浆液排出需求，浆液排出泵选型一般量程大，管道流速高。如果长期满量程运行，则会造成采样管线仪表及阀门损坏。为了避免该问题，应该在质量流量计管线旁增加旁通管线，设置工艺手阀来调节流量，以达到降低流量计及管线流速的作用。通过以上方法对质量流量计进行选型设计，会达到较佳使用效果及寿命。

4 液位仪表选型

在湿法脱硫工艺中，由于脱硫吸收塔石膏浆液具有强氧化性、颗粒物含量大等特点，普通液位计无法满足要求，该处应选用法兰式隔膜液位变送器。隔膜接液部分材质应选用哈氏合金。为了防止变送器膜片堵塞，应在吸收塔塔壁设置斜管，再将变送器安装在斜管上，变送器隔膜应采用法兰安装，口径不低于DN80，可配备冲洗水。

在石灰石浆液箱、回收水池、废水旋流器给料箱等设备的液位测量中，多采用超声波液位计。值得注意的是： 在石灰石浆液配料过程中，石灰石粉末遇水放热，会导致超声波发声体产生凝露，使测量值产生误差，严重影响测量。因而超声波液位计在放热设备液位测量中应做防结露处理，可使用稳定仪表气定时或持续吹扫发声体，也可以选用防结露功能的超声波或者雷达液位计。

5 pH计选型

脱硫吸收塔的主要作用是提供CaSO3氧化、石膏结晶、烟气吸收、向喷淋系统提供吸收剂浆液等功能。通常浆液池中的pH值稳定在5.8左右，保证所需反应条件。若pH值过高，物料利用率降低将会导致吸收塔和除雾器结垢或者堵塞，影响副产品品质，增加物料消耗；若pH值过低，脱硫效率达不到要求。

pH计采用电化学法原理，本体及电极材质应采用抗化学腐蚀的PVDF材质，内置PT100温度传感器。为了防止浆液颗粒附着于玻璃电极表面，应配置定时自动液压冲洗装置，定时器通过控制电磁阀来完成定时冲洗操作，保证长期测量效果。

6 控制类阀门选型

SCR脱硝和湿法脱硫工艺流程中大量采用控制阀和开关阀，其中湿法脱硫工艺中对阀门要求较高，由于介质有强氧化性、易磨损、易堵塞等特性，因而对金属材质、非金属材质、阀门形式的选型都有严格要求。

6.1 金属材料及非金属材料的选择

根据国内外多年使用经验分析，在湿法脱硫工艺中，采用316L不锈钢、常规双相不锈钢，通过 2～3 a实际工况运行后，阀门的腐蚀与磨损十分严重，使得阀门更换频繁。湿法脱硫工艺经过多年的发展，在浆料管道的阀门选型中，多采用Ni-Cr-Mo合金，包括蒙乃尔合金、哈氏合金、超级奥氏体合金等。其中哈氏合金在国外众多项目中广泛使用，但是价格昂贵，不适用于大批量采用。DIN1.4529 是由蒂森克努伯不锈钢公司专门针对烟气脱硫进行试验开发，含Mo 6%的超级奥氏体防腐合金，也称926合金，具有良好的机械强度、机加工和焊接性能，除可承受一般腐蚀外，还可承受冲刷磨损及挤压磨损，使用效果较为理想，国际上有使用十几年未出现腐蚀的例子。同时，该种合金的原料成本仅为哈氏合金的一半，但使用效果良好。因此，该种合金在湿法脱硫领域使用广泛，应用于蝶阀蝶板等位置具有较高性价比，而哈氏合金则适用于变送器膜片等位置。

哈氏合金以及超级奥氏体不锈钢成本昂贵，不能普遍应用于阀门阀座、阀体等部件。橡胶因材质的特殊性，在腐蚀介质的渗透和应力下腐蚀，表现为溶胀、鼓泡、分层、剥离、开裂、脱胶等，因而橡胶密封蝶阀寿命较低，一般为3～5 a。但是，橡胶密封蝶阀因价格低，一次投入少，橡胶密封圈易于更换，因而橡胶密封蝶阀亦被广泛应用于湿法脱硫系统中。

6.2 阀门选型方法

湿法脱硫工艺中，主要存在两类工况介质，包括工艺水、氧化空气及石灰石、石膏浆液。工艺水、氧化空气对阀门选型要求不高，但应注意用于浆料管线工艺水冲洗的开关阀选型要求与浆液管线开关阀选型一致，阀门形式可以采用蝶型、隔膜型或者球型，防止长时间受到浆液冲刷磨损。

石灰石和石膏浆料管线对控制阀选型要求高，一般DN40以上口径采用蝶阀。蝶阀阀座采用球墨铸铁衬EPDM橡胶；阀板材质应采用DIN1.4529超级奥氏体合金，同时为了防止阀杆等部件与浆液直接接触，造成腐蚀损坏，蝶阀阀杆应采用无销栓连接的方形轴或者花键轴结构，避免与浆液接触。当管道口径不大于DN40时，蝶阀普遍不能满足制造要求，此时应采用隔膜阀或者陶瓷球阀。在石灰石和石膏浆液采样循环管线中，由于浆液颗粒物大，流速快，且长时间处于采样开启状态，会对管线中阀门产生较大磨损，采用隔膜阀会降低使用寿命，造成隔膜膜片破损，最终导致外漏。因此，在颗粒物大、流速快、磨损大的浆液循环管线中，阀门应优先选择陶瓷球阀，并采用V型球体，可以起到节流或者剪切作用，防止浆液堵塞。但由于陶瓷球阀价格昂贵，在管道口径符合蝶阀标准制造要求的情况下，可以使用衬胶蝶阀替代。隔膜阀则更适用于工艺水冲洗、石膏废水等含清水或者有轻微磨蚀性浆液的管线。

在控制类阀门执行机构的选择上，须因地制宜，选择气动或者电动执行机构。在电厂脱硫脱硝项目中，普遍配备备用电源，电动阀较容易实现2路供电，因而多采用电动执行机构。对于化工类厂区，全部采用电动执行机构会导致UPS负荷增加，增加成本，且UPS不能长时间供电，会出现安全问题；而化工类厂区一般配备有稳定的仪表气源，因而多采用气动执行机构。同时应注意，由于湿法脱硫管道及脱硫吸收塔普遍采用衬胶或者玻璃钢防腐结构，采用气动执行机构普遍开启速度快，可能会造成局部流体瞬间高压冲刷，长时间运行造成防腐层磨损严重，易发生外漏。因此，在除雾器工艺水进水管线、石膏浆液循环等管线中，应优先选择电动执行机构或者通过降低气源压力等方法降低气动执行机构行程速度。

7 结束语

随着国家对大气污染问题的日益重视，对烟气脱硫脱硝装置的技术投入和研究日益增加，越来越多的项目开始建设。面对庞大的建设需求，只有深入了解脱硫脱硝工艺技术特点，掌握众多项目的使用经验，才能保证自控仪表及阀门选型的合理、准确及高效，保证装置稳定运行，提高设备寿命。同时也应了解各种材料、仪表的市场价格动向，使设计成本得到合理优化，满足业主及市场的需求，提高竞争力，为促进国内能源工业及大气治理的可持续发展做出贡献。

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Instrument Selection in Flue Gas Desulphurization and Denitration Plant

Xu Bowen

(China Kunlun Contracting & Engineering Corporation, Beijing, 100037, China)

s： The method and principle of instrument selection in flue gas desulfurization and denitration plant with heat conducting oil boiler in chemical plant are introduced. According to practical application experience, working conditions of abrasion, corrosion and easily blocked are common in desulfurization and denitration plant. The requirement on instrument material and type selection are high. Type selection for key control parameters of pressure, flow, liquid level, density, pH and control valve are analysed. Suitable selection can ensure the effect of flue gas treatment and stable installation operation, as well as prolong instrument service life.

desulphurization and denitration; wet flue gas desulfurization(WFGD); fluegas treatment; instrument selection

徐博文(1988—)，男，北京人，2011年毕业于北京化工大学自动化专业，获学士学位，现就职于中国昆仑工程有限公司，从事石油化工自动化设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)04-0014-05

稿件收到日期： 2017-03-13，修改稿收到日期： 2017-06-15。