烟气脱硝氨区系统设计

陈美因(中国昆仑工程有限公司辽宁分公司 环境工程室，辽宁 辽阳 111003)

1 工程概况

随着中国经济的持续发展，城市化进程和工业化进程的不断加快，环境污染日益严重，特别是燃煤电厂锅炉排放的大量硫氧化物和氮氧化物进一步加剧了环境恶化。一方面，NO2在一定条件下可以与碳氢化合物一起形成光化学烟雾，破坏大气环境，严重危害人类健康，恶化人类赖以生存的环境；另一方面，硫氧化物和氮氧化物又是形成酸雨的主要因素。目前，世界各地都有大片酸雨地带。我国酸雨带的扩张也异常迅速，严重的酸性降雨导致生态系统更加脆弱，使我国的经济遭受了严重损失。

火电厂烟气脱硝的还原剂主要有液氨、尿素和氨水[1]。本文主要论述用液氨为还原剂进行脱硝的技术路线，本项目为2台410 t/h(8、9#)锅炉对烟气进行脱硫、脱硝改造，分别建设2套烟气脱硫脱硝系统，并建设脱硫、脱硝公用设施，配套进行低氮燃烧系统、省煤器、空预器及除尘系统改造。

项目建成后，2台410 t/h(8、9#)锅炉每台炉处理烟气量为467 870 Nm3/h，总处理烟气量为935 740 Nm3/h，最大可处理烟气量为1 122 888 Nm3/h；同时为保证锅炉安全稳定运行，对2台锅炉的点火系统同时进行改造。锅炉年利用小时数按6 000 h计。

热电厂老机组烟气经脱硫脱硝改造处理后，保证SO2排放浓度小于100 mg/Nm3，NOx排放浓度小于100 mg/Nm3，烟尘排放浓度小于30 mg/Nm3，符合国家颁布的最新产业政策[2]。

(1)根据此工况每台炉计算的最大脱硝还原剂液氨耗量如表1所示。

表1 脱硝还原剂液氨耗量表

(2)还原剂液氨品质符合国家标准GB 536—88《液体无水氨》技术指标的要求[3]，如表2所示。

表2 液氨物性表

(3)氨区部分公用工程物料消耗如表3所示。

表3 氨区公用工程物料消耗表

(4)液氨蒸发系统流程简述

氨区主要为液氨储存、液氨蒸发、氨气缓冲及输送。经管道输送进来的液氨，储存在R201AB储罐内，经液氨输送泵P201AB送至蒸发器E201AB，液氨进料与蒸发器管程出口液位、温度、压力联锁控制，当蒸发器液位高报、压力高报、温度低报时，联锁关闭液氨进口调节阀。壳程蒸汽进料与壳程温度联锁控制，当温度高于65 ℃时高报，联锁关闭蒸汽进口调节阀。蒸发器壳程工业水来自界区，为液氨蒸发器提供水源[4]。当壳程液位低报时关闭液氨进料及蒸汽进料开工业水补水。蒸发出的氨气经管道送至热电厂8#、9#锅炉烟气脱硝系统。液氨蒸发区含氨、含污油的设备及管线的低点排凝通过密闭管道排入氨区内新建废水池，废液经废水泵提升排至废水排放口[5]。液氨蒸发器、氨气缓冲罐或液氨储罐的安全阀在紧急状况下排放的氨气排入放空总管汇合后，排至氨气吸收罐，经水吸收后，也排至氨区废水池。

2 R201AB液氨储罐的设计

液氨是一种无色液体，有强烈刺激性气味，具有腐蚀性且容易挥发，对人体有害，属于职业病危害因素之一。对于储罐设计，需从以下几个方面谨慎考虑[6]，确保装置运行安全和人员安全。

(1)液氨储罐容积的确定。规范HJ 562—2010《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》中的6.3.2.8规定：液氨储罐容量宜按照全厂脱硝系统设计工况下连续运行3～5 d(每天按24 h计)所需要的氨气用量来设计[7]。按储运的规定是管输3～5 d(每天按24 h计)。根据厂具体情况暂按7 d计算。装填系数取0.9，液氨密度取680 kg/m3。液氨消耗为：49.6×2=99.2 kg/h，最大操作弹性按120%计。储罐容 积 为：49.6×2×120%×7×24/680×0.9=32.68 m3。设计取：φ2 600×5 600，约34.7 m³。

(2)液氨储罐设计压力的确定。液氨50 ℃饱和蒸汽压20.06大气压(绝压)。液氨40 ℃饱和蒸汽压15.34大气压(绝压)。储罐操作温度-14.3～40 ℃，设计温度50 ℃。我国规定设计含液氨系统的设计压力时，要求不低于液氨50 ℃的饱和蒸气压力。所以根据设计温度50 ℃，确定储罐操作压力为1.93 MPaG。设计压力为1.93×1.1=2.12 MPaG，最后储罐设计压力取2.25 MPaG。为保证储罐安全，必须设置安全阀，储罐安全阀泄放压力取2.3 MPaG。

(3)液氨储罐高低液位报警的确定。储罐液位仪表测量范围是0～2 600 mm，根据液氨的危险等级，储罐在设置高液位的基础上，增加高高液位报警[8]，确保装置安全性和可靠性。①高高液位、高液位设计取值原则，用卧式容器液体体积计算软件计算如下：90%储存容积31.3 m3，液位高2 150 mm；85%储存容积29.6 m3，液位高2 050 mm；80%储存容积28.1 m3，液位高1 950 mm。设计高高液位为2 050 mm，高液位为1 950 mm。②低液位设计取值原则：液氨储罐外输泵流量为：0.3～0.5 m3/h，按SH/T 3007—2014第6.3.3条低液位报警的设定高度，应满足从报警开始10～15 min内泵不会汽蚀的要求，即0.5 m3/h ×15/60 h =0.125 m3。用卧式容器液体体积计算软件计算如下：容积为1.144 m3时，液位高200 mm；容积为0.287 m3时，液位高80 mm；容积为0.141 m3时，液位高50 mm。综合考虑后设计低液位取200 mm。

(4)液氨液氨储罐有防太阳辐射装置。四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴，当储罐罐体温度过高时自动淋水装置启动，对罐体自动喷淋减温；当有微量氨气泄漏时也可启动自动淋水装置，对氨气进行吸收，控制氨气污染[9]。①温度高至35 ℃联开，低于25 ℃联关闭。②储罐压力高至2.4 MPaG联开。③氨气可燃气体高报启动喷淋。在实际生产中，设计合适。

3 P201液氨输送泵的设计

P201泵 的 流 量：0.3～0.5 m3/h，扬 程：67 m，功 率：3.7 kW。平时温度高，液氨储罐内压力足够，液氨可以进入液氨蒸发器内。该项目地点为东北，冬天温度低时，液氨储罐内压力不够，需要泵将液氨输送到液氨蒸发器内，在实际生产中设计合适。

4 E201液氨蒸发器的设计

E201蒸发器的φ1 100×1 460 mm，氨盘管面积：约5 m2，流量(管程)：237 kg/h。脱硝需要气氨，需要通过蒸发器将液氨蒸发为气氨，蒸发量按250 kg/ h考虑，整台需设备外购[10]。

实际生产存在壳程中的水经常蒸干的问题，后经检查为壳程温度计存在问题。

5 氨气缓冲罐的设计

氨 气 缓 冲 罐 的 容 积：5.1 m3，φ1 400×2 800。缓冲时间按1 min考虑，将流量173 kg/h转换为2.99 kg/min，氨气密度为0.608 kg/m³，根据密度公式得出需要的有效容积为4.7 m³。所以选容积：5.1 m³，φ1 400×2 800，实际生产中设计满足生产要求。

6 氨气吸收罐的设计

氨气吸收罐的容积：7.6 m3，φ2 200×2 000。液氨蒸发系统、压力容器及部分可引起超压的液氨管线设有安全阀，以防压力超高。安全阀泄放的气体不可以直接排放入大气中，以免对操作人员造成危险、造成环境污染。安全阀排放的氨气排入氨气稀释罐中，经水的吸收排入废水池，避免二次污染[11-13]。(1)根据氨水在不同温度下的饱和浓度，推算氨气吸收罐的尺寸、液位高度。30 ℃常压氨水的饱和浓度28%(389 g氨/1 kg水)；50 ℃常压氨水的饱和浓度19%(240 g氨/1 kg水)；60 ℃常压氨水的饱和浓度16%(190 g氨/1 kg水)。R201泄放量7 537 kg/h，10 min为泄放量1 256 kg。氨气吸收罐液位按1.6 m计，正常液位按1 m计，所储水量为1.6×1.12 ×3.14 ×1 000=6 079 kg。因此10 min氨 气 浓 度 为：256/(1 256+6 079)×100/100=17.1%。(2)氨气吸收罐伴热面积的计算。罐内常留液体量：3.14/4×2.22 ×1.1 ×1 000=4 178 kg；常留液体 吸 收 热 量：Q吸=CMΔT=4 178×4.2(水 的 比热)×10(温差)=175 476 kJ/h；罐外伴热蒸汽性质：1.0 MPa，饱和温度180 ℃，过热温度280～320 ℃，K=490 kcal/(m2·h· ℃)=2 051.5 kJ /(m2·h·℃)；伴热管面积：S=Q /KΔTm=175 476/2 051.5×140=0.61 m2；设计取伴管面积1 m2。在实际生产中，由于氨气吸收罐内水正常不流动，伴管面积1 m2偏大，罐内水温高，蒸发流失，现场改为0.03 m2，仅绕罐体外盘1圈DN15伴热管，且伴管与罐体之间加隔热垫。

7 氨区布置

氨区有2台液氨储罐R201AB，2台液氨输送泵P201AB、2台液氨蒸发器E201AB、1台氨气缓冲罐、1台氨气吸收罐、1台仪表风缓冲罐。在氨吸收罐及液氨蒸发系统之间设有管廊，液氨、氨气、公用工程等管线通过管廊与界区管排相连。液氨蒸发系统布置特点如下：(1)需满足GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》中的要求，在单个装置内气氨系统距离控制室、机柜间、变配电所、化验室、办公室需有9 m的防火间距，距离明火设备要有9 m的防火间距，距离甲类可燃气体压缩机或压缩机房要有7.5 m的防火间距[14-15]。设备布置采用半敞开式结构形式，充分利用自然条件，防止氨气积聚。按照防火、防爆规范要求进行设计。(2)液氨储存及供应系统周边设有多个氨气检测器，以检测氨气的泄漏，并显示大气中氨的浓度。当检测器测得大气中氨浓度过高时，在机组控制室会发出警报，操作人员可采取必要的措施，以防止氨气泄漏的异常情况发生[16]。(3)氨区储罐附近设置荧光风向标及风速、环境温度测量设施。(4)氨区储罐附近设置静电消除器及红外对射安防系统。(5)液氨蒸发系统的火灾危险性为乙A类。(6)为了防止液氨储罐区泄漏后散流、污染地下水环境，在储罐四周设置高度为0.6 m的钢筋混凝土防火堤，在液氨蒸发装置区四周设置高度为0.2 m的钢筋混凝土围堰。

8 结语

本项目为改造环保项目，受现场场地及本身装置运行状态的制约很大。作为环保项目，更需要注意在处理目前污染物的时候，确保项目不产生新的污染。对于液氨这种危险化学物质，在设计时，不仅要考虑正常运行状态、物料的运输，更应考虑在事故状态下紧急排放和废弃物料的处理，保证现场人员的安全和环境不受污染。该项目设计时采用通用的化工知识和国家标准，根据平时工程经验大胆创新，结合具体工程的占地、人力、公用工程等资源的实际情况，反复研讨，最终完成。项目设计时间为2014年1月10日至2014年9月。项目竣工时间为2014年12月18日，项目验收时间为2016年12月5日。工程运行至今安全平稳，此经验可在同类项目设计中放心采用。