Si3N4
——SiC脱硫雾化喷嘴在电力行业的应用初探*
2021-01-05和娇娇梁振海
和娇娇 王 萌 罗 娟 梁振海
(咸阳陶瓷研究设计院有限公司 陕西 咸阳 71200)
前言
中国是一个能源结构以煤炭为主的发展中国家。随着社会经济的高速发展，煤炭消费量逐年提升，尽管出台了一系列强有力的节能减排措施，但硫氧化物、氮氧化物排放量仍位居世界第一。当前中国大气环境形势十分严峻，部分区域和城市大气雾霾现象突出，许多地区主要污染物排放量超过环境容量。而电力行业是排放二氧化硫和氮氧化物的最多的行业。电力行业排放的二氧化硫和氮氧化物主要来自火力发电中煤炭或其他石化燃料的燃烧。为了加快推动能源生产及消费革命，进一步提升煤电高效清洁发展水平，国家发展改革委、环保部、国家能源局联合制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》。因此，随着超净排放标准的出台，电力行业脱硫系统的更新改造必然存在，故脱硫喷嘴的品种和需求量将会不断增大。
1 氮化硅结合碳化硅脱硫喷嘴
脱硫喷嘴早期为铸铁质，该类喷嘴成形时可以保证较标准的尺寸，但是该材质不耐腐蚀、不耐磨、使用寿命短(约为1周)，使得脱硫装置频繁更换喷嘴，从而影响脱硫系统的正常运行，故脱硫系统在目前阶段中不宜使用此类材质。
氮化硅结合碳化硅复合材料是以SiC和Si为主要组分，在SiC颗粒混合物中加入细硅粉后，加入其他添加剂形成试样，在高温炉中通入氮气进行氮化烧结，在一定温度和压力制度下形成致密的网状结构，故氮化硅结合碳化硅材料具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化、热稳定性好、抗高温蠕变性好、热膨胀系数小等多种优良性能，其材料坚硬、莫氏硬度大，在非金属材料中属于硬度材料。因此，该材料在一定的制作工艺条件下，可以制成相对尺寸精确度高的产品。该材质制成的脱硫喷嘴性能稳定、使用寿命长、耐磨性好，替代了普遍使用的合金材质喷嘴。有经验表明，氮化硅结合碳化硅脱硫喷嘴的使用寿命可达10年，而合金类喷嘴的寿命达300 h后，会严重损坏，就需要更换。
氮化硅结合碳化硅脱硫喷嘴具有良好的脱硫除尘效果，在使用过程中，投入环保费用少，安装维修简单，品种型号多样，具有多种可匹配的选择性。燃煤火电厂环保减排装置脱硫系统中的关键部件之-就是脱硫雾化喷嘴。由于脱硫吸收塔中的运行工况条件十分恶劣，所以对脱硫雾化喷嘴制作材料提出了较为严格的要求。喷嘴材质要具有防腐蚀、耐磨损、耐高温等特点，材料还必须具有较低的热膨胀系数以保证产品的精确尺寸，可制作多种复杂形状构件，进而满足材料以及喷嘴的结构设计要求。由于氮化硅结合碳化硅材料具有上述特点，氮化硅结合碳化硅脱硫雾化喷嘴现阶段常用于火电厂的湿法脱硫装置中。
2 电力行业对脱硫喷嘴的需求
在火力发电的脱硫技术中常用的有：石灰石-石膏法、钠碱法、氨吸收法、磷铵复合肥法、氯化铵法、海水脱硫。在这些技术中常用的是石灰石-石膏法湿法脱硫，这种技术在美国的采用率为80%，德国的采用率为90%，日本的采用率为75%。现阶段氮化硅结合碳化硅脱硫喷嘴主要用于利用湿法脱硫(石灰石-石膏法)的火电厂脱硫设备系统中。在对锅炉烟气进行脱硫处理时，采用石灰石乳化液通过脱硫喷嘴完成雾化，使雾化后的微小液滴与烟气充分接触而生成CaSO3(石膏)的沉淀物，从而完成对烟气中的SO2的吸收。
根据当前我国现实情况，火力发电的将长期作为生产生活的主要供应源，其中燃煤发电在火力发电中占据主导地位。2017年，我国火力发电量再次位居世界第一，总量接近6.5万亿kW·h。而且未来5年内，仍将以3.45%的年均复合增长率增加。我国火电发电量在总发电量中的占比达71.60%；燃煤发电量在火电发电量中的占比达91.07%，燃气发电、燃油发电量占比小。按照我国超级排放标准和产业政策，产能在200 MW以上的火电厂必须配置脱硫系统。
截止2017年底，我国的火电厂年产出为4.2万亿kW，消耗燃煤11.2万亿t。在2015年，电力行业的SO2排放约727.8万t，占工业SO2排放量的39.3%。一般情况下，脱硫设备投资占脱硫系统总投资的 10%～15%，火电厂的脱硫市场占到其中相当大的一部分。现国内约有1 200多家大型(产能>200 MW)发电企业，若其中有70%的企业使用湿法脱硫系统，按设计惯例，产能200 MW火电企业一套脱硫系统需700只脱硫喷嘴，300 MW机组一套脱硫系统需960只脱硫喷嘴，再计入脱硫喷嘴的寿命约60 000 h，更换所需的数量，每年脱硫喷嘴的市场需求量约30万只。
我国的电力需求会越来越大，而新型能源(太阳能、风能、核能等)所带来的电力增量并不能满足全部的电力需求，所以在相当长的一段时间内我国还将继续新建火电厂，加上已经安装脱硫装置火电厂的更新改造，那么脱硫系统就必然运行，对氮化硅结合碳化硅脱硫喷嘴的需求就会始终存在。
3 氮化硅结合碳化硅脱硫喷嘴在其他行业的应用
氮化硅结合碳化硅陶脱硫喷嘴型号品种多样，内腔结构尺寸精确，在脱硫系统中匹配度较高。所以该类喷嘴广泛应用于环保领域：气体冷却、废气脱硫、洗涤与漂淋过程、蒸发冷却、防火灭火、陶瓷厂除尘、气体洗涤、垃圾焚化厂、炼钢转炉烟道中的除尘降温等。
