徐博文

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

煙氣脫硫脫硝裝置儀表選型方法

徐博文

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

介紹了化工廠導熱油鍋爐煙氣脫硫脫硝聯(lián)合裝置中的儀表選型原則和方法。根據(jù)實際使用經(jīng)驗，煙氣脫硫脫硝裝置普遍存在磨損、腐蝕和易堵工況，對儀表材質及選型的要求較高，重點對壓力、流量、密度、液位、pH值等主要控制參數(shù)的儀表選型以及控制閥選型進行了分析。合理的選型可以保證煙氣處理效果和裝置穩(wěn)定運行，延長儀表使用壽命。

脫硫脫硝 濕法脫硫 煙氣處理 儀表選型

近年來，隨著中國大氣污染程度的日趨嚴重，國家對各類工廠大氣污染物排放的監(jiān)管和治理也更加嚴格。根據(jù)鍋爐大氣污染物排放標準和無機化學工業(yè)污染物排放標準，對顆粒物、氮氧化物和二氧化硫的排放均有嚴格限制。燃煤煙氣脫硫脫硝聯(lián)合裝置采用SCR脫硝技術和石灰石濕法煙氣脫硫工藝，煙氣處理效果均達到污染物排放標準。脫硫脫硝裝置工況存在化學腐蝕、磨蝕和沉積堵塞等復雜工況，對儀表選型要求較高，本文將首先分析脫硫脫硝裝置工況條件和產(chǎn)生機理，并結合實際應用經(jīng)驗，重點介紹壓力、流量、密度、液位、pH計、閥門等多種儀表選型的方法和原則。

1 脫硫脫硝裝置腐蝕性分析

煙氣脫硫脫硝裝置分為脫硝和脫硫兩步處理流程,如圖1所示。典型的脫硫脫硝裝置使用SCR脫硝工藝及石灰石濕法脫硫工藝，主要包括脫硝反應器、氨站、脫硫塔、石膏脫水系統(tǒng)和石灰石漿液調配等。

1.1 SCR脫硝裝置腐蝕性分析

在SCR脫硝反應中，質量分數(shù)為20%的氨水在氨站中與空氣按一定比例混合后進入脫硝反應器吸收燃煤鍋爐排放出的煙氣，在催化劑的作用下吸收其中的一氧化氮和二氧化氮，最終生成氮氣和水，達到去除氮氧化物的目的。主要包括以下反應：

其中，SCR脫硝工藝使用的質量分數(shù)為20%的氨水在運輸、儲存和參與反應的過程中，可與銅產(chǎn)生絡合反應，生成銅氨絡合物，反應式如下：

由此長期會造成含銅管道及儀表發(fā)生腐蝕，導致氨水泄漏，釋放氨氣，氨氣與氧氣濃度在特定的環(huán)境下會發(fā)生爆炸事故。因此，在脫硝裝置設計中，氨站應該全部采用防爆設計，另外，氨站與脫硝反應器所有儀表、設備及管道應全部做禁銅處理。

圖1 煙氣脫硫脫硝裝置流程示意

1.2 濕法脫硫裝置腐蝕性分析

石灰石濕法脫硫工藝將石灰石漿液引入脫硫吸收塔內進行霧化噴淋，形成均勻覆蓋吸收塔斷面的液滴，液滴與引入吸收塔的煙氣接觸時，吸收煙氣中所含的二氧化硫，經(jīng)氧化中和反應后最終生成石膏排出，主要包括以下反應：

濕法脫硫主要存在氧化性腐蝕、磨損沖刷和易沉積堵塞等工況。氧化性腐蝕主要來源于燃煤燃燒所產(chǎn)生的二氧化硫、氯化物、氟化物等物質。二氧化硫在濕法脫硫裝置中遇水可以生成硫酸根和亞硫酸根離子，形成酸性環(huán)境。同時煙氣中的氯化物、氟化物除本身具有腐蝕作用外，也會加大腐蝕環(huán)境pH值變化，強化硫酸鹽的腐蝕作用，形成強氧化性環(huán)境。

由于石灰石漿液和石膏漿液含顆粒物較大，長期沖刷會對管路及儀表產(chǎn)生腐蝕、磨蝕，并且伴隨懸浮固體沉積、結垢等問題，對儀表選型有特殊要求。所以，儀表選型應最大限度地考慮其可用性、可靠性和使用壽命。

2 壓力變送器選型

在壓力測量中，應重點注意燃煤煙氣煙道和石膏漿液管道的壓力變送器選型。由于燃煤煙氣中含有大量顆粒物，采用由導壓管引至壓力變送器進行測量的方式，長時間會導致導壓管堵塞，影響測量效果。因此，在煙道煙氣測量中，普遍采用防堵取壓裝置替代傳統(tǒng)導壓管取壓方式，如圖2所示。防堵取壓裝置應在煙道或者設備兩側垂直安裝，采用法蘭安裝形式。煙氣由煙道斜管引入，壓力變送器則通過取壓裝置間接取壓。另外，可將儀表壓縮空氣引入防堵取壓裝置中，穩(wěn)定或者定時對取壓裝置進行吹掃，該種方法可以避免長期使用后導致灰塵堵塞取壓管的問題。由于煙道煙氣中水分較少，氧化性腐蝕弱，因而對壓力變送器的選型無特殊要求，材質采用普通不銹鋼即可。

在石膏和石灰石漿液管道的壓力測量中，由于石灰石和石膏漿液顆粒較大，對管道及儀表磨損嚴重，且含有強氧化性物質。因而在該類工況壓力測量中，為保證儀表壽命及測量精度，應優(yōu)先考慮采用法蘭隔膜式化學密封壓力變送器，所有接液部分材質選用哈氏合金，法蘭連接管口大于DN80。

圖2 防堵取壓裝置示意

3 流量及密度儀表選型

在SCR脫硝工藝中，氨氣與空氣在靜態(tài)混合器中混合，形成一定比例后進入反應器中參與反應。脫硝反應對該比例有嚴格要求，氨氣含量高會導致資金浪費、污染環(huán)境。過多的氨氣也會腐蝕催化劑模塊，導致催化劑失活，縮短壽命。另外，逃逸

的氨氣會與空氣中的亞硫酸根生成具有腐蝕性和粘結性的硫酸銨鹽，造成下游管段堵塞和腐蝕。相反氨氣濃度較低時，脫硝反應不充分，會導致脫硝效果不足，排放超標，因而對氨氣的流量控制至關重要。該處工藝管徑為DN15，標準流量僅為10～23 m3/h，因而應采用一體化內藏孔板流量計，材質為316 S.S，全部做禁銅處理。管線上也應設置溫度和壓力儀表，進行溫壓補償計算，得到準確的流量值。

在濕法脫硫工藝中，石灰石漿液和石膏漿液密度是決定脫硫效果的重要參數(shù)。石灰石漿液密度決定了吸收塔中煙氣吸收效率，而石膏漿液密度決定了塔內石膏漿液排放時機，保持塔內物料平衡。若塔內漿液密度低于設定值，噴淋吸收不完全，漿液需打回吸收塔再循環(huán)；若密度高于設定值，漿液已趨于飽和，則打至一級脫水系統(tǒng)，防止結垢和沉積。

當前普遍的密度測量方式包括差壓密度測量法、伽馬射線放射吸收法、音叉密度計和科氏力質量流量計。表1列出了4種密度測量方法的原理和優(yōu)缺點。綜合4種方法，由于質量流量計精度高，安裝及維護簡單，且可同時測量流量值，因而濕法脫硫工藝中多選用質量流量計進行流量和密度測量。

表1 脫硫工藝中4種主要密度測量方法對比

質量流量計在國內石灰石和石膏漿液管道測量中使用廣泛，測量精度高，可同時對流量和密度測量。由于管道顆粒物含量高，磨蝕嚴重，流量計對流速要求極為嚴格，流量計所測的流體流速必須保證在1.2 m/s左右，才能保證設備長期運行，一般內管材質采用鈦合金。同時，為了防止?jié){液堵塞沉積，質量流量計需選用直通管形式，內徑不應小于DN40，并且必須采用垂直安裝形式。在實際應用中，石灰石及石膏漿液采樣管線與漿液排出管線共用，為滿足漿液排出需求，漿液排出泵選型一般量程大，管道流速高。如果長期滿量程運行，則會造成采樣管線儀表及閥門損壞。為了避免該問題，應該在質量流量計管線旁增加旁通管線，設置工藝手閥來調節(jié)流量，以達到降低流量計及管線流速的作用。通過以上方法對質量流量計進行選型設計，會達到較佳使用效果及壽命。

4 液位儀表選型

在濕法脫硫工藝中，由于脫硫吸收塔石膏漿液具有強氧化性、顆粒物含量大等特點，普通液位計無法滿足要求，該處應選用法蘭式隔膜液位變送器。隔膜接液部分材質應選用哈氏合金。為了防止變送器膜片堵塞，應在吸收塔塔壁設置斜管，再將變送器安裝在斜管上，變送器隔膜應采用法蘭安裝，口徑不低于DN80，可配備沖洗水。

在石灰石漿液箱、回收水池、廢水旋流器給料箱等設備的液位測量中，多采用超聲波液位計。值得注意的是： 在石灰石漿液配料過程中，石灰石粉末遇水放熱，會導致超聲波發(fā)聲體產(chǎn)生凝露，使測量值產(chǎn)生誤差，嚴重影響測量。因而超聲波液位計在放熱設備液位測量中應做防結露處理，可使用穩(wěn)定儀表氣定時或持續(xù)吹掃發(fā)聲體，也可以選用防結露功能的超聲波或者雷達液位計。

5 pH計選型

脫硫吸收塔的主要作用是提供CaSO3氧化、石膏結晶、煙氣吸收、向噴淋系統(tǒng)提供吸收劑漿液等功能。通常漿液池中的pH值穩(wěn)定在5.8左右，保證所需反應條件。若pH值過高，物料利用率降低將會導致吸收塔和除霧器結垢或者堵塞，影響副產(chǎn)品品質，增加物料消耗；若pH值過低，脫硫效率達不到要求。

pH計采用電化學法原理，本體及電極材質應采用抗化學腐蝕的PVDF材質，內置PT100溫度傳感器。為了防止?jié){液顆粒附著于玻璃電極表面，應配置定時自動液壓沖洗裝置，定時器通過控制電磁閥來完成定時沖洗操作，保證長期測量效果。

6 控制類閥門選型

SCR脫硝和濕法脫硫工藝流程中大量采用控制閥和開關閥，其中濕法脫硫工藝中對閥門要求較高，由于介質有強氧化性、易磨損、易堵塞等特性，因而對金屬材質、非金屬材質、閥門形式的選型都有嚴格要求。

6.1 金屬材料及非金屬材料的選擇

根據(jù)國內外多年使用經(jīng)驗分析，在濕法脫硫工藝中，采用316L不銹鋼、常規(guī)雙相不銹鋼，通過 2～3 a實際工況運行后，閥門的腐蝕與磨損十分嚴重，使得閥門更換頻繁。濕法脫硫工藝經(jīng)過多年的發(fā)展，在漿料管道的閥門選型中，多采用Ni-Cr-Mo合金，包括蒙乃爾合金、哈氏合金、超級奧氏體合金等。其中哈氏合金在國外眾多項目中廣泛使用，但是價格昂貴，不適用于大批量采用。DIN1.4529 是由蒂森克努伯不銹鋼公司專門針對煙氣脫硫進行試驗開發(fā)，含Mo 6%的超級奧氏體防腐合金，也稱926合金，具有良好的機械強度、機加工和焊接性能，除可承受一般腐蝕外，還可承受沖刷磨損及擠壓磨損，使用效果較為理想，國際上有使用十幾年未出現(xiàn)腐蝕的例子。同時，該種合金的原料成本僅為哈氏合金的一半，但使用效果良好。因此，該種合金在濕法脫硫領域使用廣泛，應用于蝶閥蝶板等位置具有較高性價比，而哈氏合金則適用于變送器膜片等位置。

哈氏合金以及超級奧氏體不銹鋼成本昂貴，不能普遍應用于閥門閥座、閥體等部件。橡膠因材質的特殊性，在腐蝕介質的滲透和應力下腐蝕，表現(xiàn)為溶脹、鼓泡、分層、剝離、開裂、脫膠等，因而橡膠密封蝶閥壽命較低，一般為3～5 a。但是，橡膠密封蝶閥因價格低，一次投入少，橡膠密封圈易于更換，因而橡膠密封蝶閥亦被廣泛應用于濕法脫硫系統(tǒng)中。

6.2 閥門選型方法

濕法脫硫工藝中，主要存在兩類工況介質，包括工藝水、氧化空氣及石灰石、石膏漿液。工藝水、氧化空氣對閥門選型要求不高，但應注意用于漿料管線工藝水沖洗的開關閥選型要求與漿液管線開關閥選型一致，閥門形式可以采用蝶型、隔膜型或者球型，防止長時間受到漿液沖刷磨損。

石灰石和石膏漿料管線對控制閥選型要求高，一般DN40以上口徑采用蝶閥。蝶閥閥座采用球墨鑄鐵襯EPDM橡膠；閥板材質應采用DIN1.4529超級奧氏體合金，同時為了防止閥桿等部件與漿液直接接觸，造成腐蝕損壞，蝶閥閥桿應采用無銷栓連接的方形軸或者花鍵軸結構，避免與漿液接觸。當管道口徑不大于DN40時，蝶閥普遍不能滿足制造要求，此時應采用隔膜閥或者陶瓷球閥。在石灰石和石膏漿液采樣循環(huán)管線中，由于漿液顆粒物大，流速快，且長時間處于采樣開啟狀態(tài)，會對管線中閥門產(chǎn)生較大磨損，采用隔膜閥會降低使用壽命，造成隔膜膜片破損，最終導致外漏。因此，在顆粒物大、流速快、磨損大的漿液循環(huán)管線中，閥門應優(yōu)先選擇陶瓷球閥，并采用V型球體，可以起到節(jié)流或者剪切作用，防止?jié){液堵塞。但由于陶瓷球閥價格昂貴，在管道口徑符合蝶閥標準制造要求的情況下，可以使用襯膠蝶閥替代。隔膜閥則更適用于工藝水沖洗、石膏廢水等含清水或者有輕微磨蝕性漿液的管線。

在控制類閥門執(zhí)行機構的選擇上，須因地制宜，選擇氣動或者電動執(zhí)行機構。在電廠脫硫脫硝項目中，普遍配備備用電源，電動閥較容易實現(xiàn)2路供電，因而多采用電動執(zhí)行機構。對于化工類廠區(qū)，全部采用電動執(zhí)行機構會導致UPS負荷增加，增加成本，且UPS不能長時間供電，會出現(xiàn)安全問題；而化工類廠區(qū)一般配備有穩(wěn)定的儀表氣源，因而多采用氣動執(zhí)行機構。同時應注意，由于濕法脫硫管道及脫硫吸收塔普遍采用襯膠或者玻璃鋼防腐結構，采用氣動執(zhí)行機構普遍開啟速度快，可能會造成局部流體瞬間高壓沖刷，長時間運行造成防腐層磨損嚴重，易發(fā)生外漏。因此，在除霧器工藝水進水管線、石膏漿液循環(huán)等管線中，應優(yōu)先選擇電動執(zhí)行機構或者通過降低氣源壓力等方法降低氣動執(zhí)行機構行程速度。

7 結束語

隨著國家對大氣污染問題的日益重視，對煙氣脫硫脫硝裝置的技術投入和研究日益增加，越來越多的項目開始建設。面對龐大的建設需求，只有深入了解脫硫脫硝工藝技術特點，掌握眾多項目的使用經(jīng)驗，才能保證自控儀表及閥門選型的合理、準確及高效，保證裝置穩(wěn)定運行，提高設備壽命。同時也應了解各種材料、儀表的市場價格動向，使設計成本得到合理優(yōu)化，滿足業(yè)主及市場的需求，提高競爭力，為促進國內能源工業(yè)及大氣治理的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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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年畢業(yè)于北京化工大學自動化專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)就職于中國昆侖工程有限公司，從事石油化工自動化設計工作，任工程師。

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。