王小民，趙永林，王維兵，趙云祥，孟斌斌，劉 偉，張 波

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

隨著中國對環(huán)保越來越重視，企業(yè)污染物排放日益受到嚴(yán)格的限制。二氧化硫排放是中國企業(yè)控制排放的重要指標(biāo)之一，這就要求二氧化硫排放企業(yè)必須采取更為有效的脫硫措施，控制二氧化硫的排放量[1]。濕法煙氣脫硫技術(shù)是當(dāng)今脫硫市場的主流，約占脫硫總量的80%以上，其中石灰石（石灰）石膏法、鈉鈣雙堿法、氨法是濕法脫硫主流技術(shù)[2]。某公司采用的是氨法煙氣脫硫技術(shù)，氨法煙氣脫硫是用氨水或液氨來吸收煙氣中的二氧化硫，生成亞硫酸銨或硫酸氫銨，通過加入氨水調(diào)節(jié)吸收液的pH值，以保持高的脫硫效率，亞硫酸銨在被空氣氧化為硫酸銨，硫酸銨漿液經(jīng)濃縮、離心、干燥得到固體硫酸銨產(chǎn)品。通過氨法煙氣脫硫技術(shù)將煙氣中的二氧化硫吸收從而達(dá)到煙氣達(dá)標(biāo)排放的要求[3]。

在氨法脫硫系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行中，某公司配備兩臺氨水罐用以儲備氨水，根據(jù)煙氣中二氧化硫含量調(diào)整氨水投加量，實(shí)現(xiàn)二氧化硫的達(dá)標(biāo)排放。

氨水是氨的水溶液，主要成分為NH3·H2O，無色透明且具有刺激性氣味，具有部分堿的通性。氨水易分解放出氨氣，溫度越高，分解速度越快，可形成爆炸性氣氛[4]。氨氣易溶于水、乙醇和乙醚。氨氣有毒，對人體健康危害主要是通過口鼻吸入，引起刺激性反應(yīng)和灼傷[5]。氨水罐的安全運(yùn)行是安全生產(chǎn)工作中的必然要求。

1 內(nèi)置水封工作原理及存在的不足

某公司氨水罐最初設(shè)計制作時的水封為內(nèi)置U型水封，該水封設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 氨水罐內(nèi)置水封原理Fig.1 Principles of build-in water seal inside the ammonia tank

1.1 內(nèi)置U型水封工作原理

由圖1可知，U型水封內(nèi)存有定量的水封工作液，在氨水接卸及使用過程中，通過氨水罐內(nèi)置U型管水封工作液對氨水揮發(fā)出的氨氣進(jìn)行吸收，從而達(dá)到減少氨氣逃逸的目的，同時利用脫硫塔自身吸力將氨水罐內(nèi)氨水揮發(fā)出的氨氣引至脫硫塔內(nèi)進(jìn)行吸收利用。根據(jù)運(yùn)行情況對U型水封進(jìn)行排污操作，維持水封正常運(yùn)行。

1.2 內(nèi)置水封使用中的不足

由于內(nèi)置水封安裝在氨水罐內(nèi)部，在日常使用過程中，無法對U型水封水封工作液進(jìn)行檢查，一旦水封故障時，對其進(jìn)行維修工作困難，存在失效的情況，影響U型水封的正常使用。水封失去作用后，不能充分吸收氨氣，由于氨氣極易揮發(fā)，大量的氨氣集聚在氨水罐內(nèi)部，易造成氨水罐壓力急劇升高，如果超過氨水罐所能承受的設(shè)計壓力60 kPa時，存在爆破風(fēng)險。氨水罐內(nèi)氨水揮發(fā)出的氨氣至吸收塔管道較長且存在管道低點(diǎn)，氨氣在輸送過程中會攜帶一部分水，長時間運(yùn)行中水會在管道低點(diǎn)集聚，阻塞管道影響氨氣的輸送，致使氨氣在氨水罐內(nèi)集聚，氨水罐內(nèi)壓力升高，此時需要打開氨氣管低處的排空閥，排出氨水罐內(nèi)集存的氨水，進(jìn)而導(dǎo)致大量氨氣隨著排空閥排出氨水罐，增加現(xiàn)場氨氣逃逸的情況，既造成氨氣的浪費(fèi)，又會使作業(yè)人員氨中毒風(fēng)險增大。

2 改進(jìn)與設(shè)計要求

2.1 內(nèi)置U型水封改進(jìn)需求

結(jié)合氨水罐原有內(nèi)置U型水封使用過程中存在的安全風(fēng)險及氨氣逃逸情況，需要對氨水罐現(xiàn)有內(nèi)置U型水封進(jìn)行改進(jìn)。在氨水罐氨氣排放管處氨氣排空閥連接設(shè)計的外置U型水封。

2.2 水封的設(shè)計要求

水封是利用局部充水的方法隔斷管道、設(shè)備等系統(tǒng)內(nèi)部腔體與建筑室內(nèi)空間連通的措施[6]。

水封深度除了支付管道氣壓變化引起的動態(tài)損失外，余下的水封高度還要足以支付蒸發(fā)損失、毛細(xì)作用等靜態(tài)損失[7]。

水封結(jié)構(gòu)可以分為氣路和水路通道[8]，氨氣通過氣路通道進(jìn)入U型水封，利用氨氣極易溶于水的物理特性被水封水吸收，水封水是連續(xù)的，處于流動狀態(tài)，下端設(shè)有排污口，定期進(jìn)行排放[8]。

3 設(shè)計方案

3.1 外置U型水封設(shè)計原理

結(jié)合水封工作原理及需要解決內(nèi)置U型水封運(yùn)行中的不足，設(shè)計氨水罐外置U型水封。氨水罐水封改造原理如圖2所示。利用現(xiàn)有氨水罐氨氣排放管處氨氣排空閥與現(xiàn)場制作的U型水封連接，作為U型水封氣側(cè)進(jìn)氣管路。U型水封運(yùn)行時，通過補(bǔ)水管道不斷對U型水封補(bǔ)充循環(huán)水，氨水罐內(nèi)揮發(fā)的氨氣通過氨氣排空閥進(jìn)入U型水封內(nèi)，氨氣在U型水封內(nèi)被不斷補(bǔ)充的循環(huán)水吸收后，通過排水管道排入氨水罐區(qū)地坑內(nèi)，經(jīng)地坑潛水泵將吸收的水封水導(dǎo)入脫硫系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行回收使用。

圖2 氨水罐外置水封原理Fig.2 Principles of external water seal inside the ammonia tank

3.2 外置U型水封功能

對照設(shè)計的U型水封工作原理圖，如圖3所示，現(xiàn)場制作氨水罐U型水封裝置，此U型水封裝置整體采用PVC管道及管件制作完成，包括U型水封、氣相管、氨氣進(jìn)氣閥、進(jìn)水調(diào)節(jié)閥、進(jìn)水壓力表、沖洗閥、排污閥、出水閥及相應(yīng)連接管道等。

圖3 U型水封設(shè)計制作原理Fig.3 Design and fabrication principle of U type water seal

U型水封各部件的功能如下：①U型水封：利用U型水封原理儲備一定量的水封水吸收氨水罐內(nèi)揮發(fā)出的氨氣；②氣相管：對U型水封進(jìn)行密封，防止氨氣泄漏時危害現(xiàn)場作業(yè)人員；③氨氣進(jìn)氣管：兩臺氨水罐內(nèi)因氨水揮發(fā)產(chǎn)生的氨氣通過氨氣進(jìn)氣管進(jìn)入U型水封內(nèi)；④水封補(bǔ)水管：對U型水封補(bǔ)充循環(huán)水；⑤排污管：U型水封排污管道；⑥出水管：實(shí)時排出U型水封內(nèi)吸收液；⑦地坑：U型水封排水收集；⑧進(jìn)水調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)U型水封進(jìn)水量；⑨進(jìn)水壓力表：顯示U型水封進(jìn)水壓力；⑩沖洗閥：對U型水封沖洗時控制沖洗水量；[11]氨氣進(jìn)氣閥：對U型水封氨氣進(jìn)氣量控制；[12]排污閥：排出對U型水封沖洗時的沖洗水；[13]出水閥：排出U型水封工作時的吸收液；[14]防爆潛水泵：將U型水封運(yùn)行中排出的吸收液進(jìn)行回收利用。

3.3 U型水封工作原理

3.3.1 U型水封水路運(yùn)行流程

打開U型水封裝置出水閥[13]，通過調(diào)整U型水封進(jìn)水調(diào)節(jié)閥⑧開度，查看進(jìn)水壓力表⑨確保循環(huán)水有足夠的補(bǔ)水壓力，調(diào)整U型水封筒內(nèi)水封水的供給量，維持U型水封筒反應(yīng)段內(nèi)水封水保持一定的高度，并有少量循環(huán)水由出水閥[13]排出至地坑⑦內(nèi)。U型水封內(nèi)保持一定量的補(bǔ)充水循環(huán)有利于氨氣的吸收反應(yīng)，提高氨氣的吸收量。

3.3.2 U型水封裝置氣路工作原理

U型水封裝置與氨水罐氨氣排出管中氨氣進(jìn)氣閥[11]連接，在U型水封水路投入運(yùn)行后，打開氨氣進(jìn)氣閥[11]，氨氣進(jìn)入U型水封中，與U型水封內(nèi)水封水在反應(yīng)段內(nèi)反應(yīng)吸收。利用氨氣極易溶于水的特性，氨水罐內(nèi)揮發(fā)的氨氣在U型水封內(nèi)不斷被水封水吸收，部分吸收后的水封水通過出水閥[13]排入地坑⑦內(nèi)。通過U型水封工作，不斷吸收氨水罐內(nèi)揮發(fā)出的氨氣，有效減少氨水罐內(nèi)氨氣集聚，避免氨水罐內(nèi)壓力升高帶來的氨水罐運(yùn)行風(fēng)險。

3.3.3 設(shè)立U型水封密封系統(tǒng)

在U型水封上部設(shè)計成密封氣相管②，在U型水封運(yùn)行使用中，有效防止因水封失效時氨氣泄漏及氨水揮發(fā)對現(xiàn)場作業(yè)人員的危害。

3.3.4 U型水封沖洗原理

根據(jù)U型水封運(yùn)行情況，對U型水封進(jìn)行水沖洗。調(diào)整U型水封進(jìn)水調(diào)節(jié)閥⑧開度，查看進(jìn)水壓力表⑨確保循環(huán)水有足夠的補(bǔ)水壓力，依次打開U型水封排污閥[12]及沖洗閥⑩，對水封反應(yīng)段進(jìn)行沖洗，清除管道內(nèi)的異物，確保U型水封有效運(yùn)行。沖洗完成后，關(guān)閉沖洗閥⑩及排污閥[12]，調(diào)整U型水封進(jìn)水調(diào)節(jié)閥⑧開度，恢復(fù)U型水封正常運(yùn)行。

3.3.5 U型水封使用中的液體回收

U型水封在使用中排出的吸收液及日常維護(hù)過程中沖洗U型水封反應(yīng)段產(chǎn)生的沖洗水通過出水管⑥及排污管⑤均引至U型水封旁邊地坑⑦內(nèi)，通過防爆潛水泵[14]打入脫硫系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行回收使用。

4 應(yīng)用效果

4.1 避免氨氣逃逸情況的出現(xiàn)

氨水罐內(nèi)氨水揮發(fā)出的氨氣在U型水封反應(yīng)段內(nèi)充分反應(yīng)吸收，避免了在使用內(nèi)置U型水封時，為控制氨水罐內(nèi)壓力而打開氨氣管排空閥，從而使氨氣直接排放出系統(tǒng)，導(dǎo)致氨氣的浪費(fèi)及對現(xiàn)場作業(yè)人員的健康安全的危害。U型水封在運(yùn)行使用中，通過進(jìn)水調(diào)節(jié)閥確保U型水封有不間斷的循環(huán)水補(bǔ)充，出水閥始終保持一定量的水封水流出，構(gòu)成U型水封水循環(huán)，將氨氣溶于水時放出的熱量及時帶走，控制循環(huán)水始終保持在較低的溫度，避免了因氨氣與靜態(tài)水反應(yīng)一段時間后，氨氣溶于水時放出熱量致使水封水溫度上升、氨氣吸收率下降的情況出現(xiàn)，有利于對氨氣的充分吸收。

4.2 對U型水封運(yùn)行中產(chǎn)生的廢液進(jìn)行回收利用

U型水封在使用過程中廢液的產(chǎn)生有兩種情況：①氨氣在U型水封反應(yīng)段被水封水吸收形成的低濃度的氨水經(jīng)過出水管進(jìn)入地坑內(nèi)；②在對U型水封反應(yīng)段進(jìn)行日常沖洗時產(chǎn)生的沖洗水經(jīng)排污管進(jìn)入地坑內(nèi)。此兩種情況產(chǎn)生的廢液均屬于低濃度的氨水，通過地坑內(nèi)的防爆潛水泵將氨水回收至脫硫系統(tǒng)進(jìn)行回收使用，避免了氨氣逃逸的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了對U型水封運(yùn)行中吸收液及沖洗水的回收利用。

4.3 確保氨水罐壓力穩(wěn)定

U型水封使用后，氨水罐內(nèi)因氨水揮發(fā)產(chǎn)生的氨氣通過氨水罐頂部氨氣排放管道進(jìn)入U型水封內(nèi)，在U型水封反應(yīng)段被不斷補(bǔ)充的水封水吸收，有效防止氨水罐內(nèi)氨水揮發(fā)出的氨氣積存在氨水罐內(nèi)，引起氨水罐內(nèi)壓力升高，超過氨水罐設(shè)計壓力，影響氨水罐安全運(yùn)行。U型水封投入使用后，兩臺氨水罐運(yùn)行壓力為：1#氨水罐運(yùn)行壓力0.11 kPa，2#氨水罐運(yùn)行壓力0.32 kPa，始終保持在允許最高安全壓力以下運(yùn)行。

4.4 操作使用方便

U型水封裝置設(shè)計簡單，操作方便，該裝置采用外置式設(shè)計，操作人員可隨時查看U型水封工作情況，并根據(jù)水封水量及時進(jìn)行調(diào)整。本裝置設(shè)計有一套沖洗系統(tǒng)，操作人員可根據(jù)U型水封運(yùn)行情況，對U型水封工作段進(jìn)行在線沖洗。

4.5 檢修維護(hù)便捷

整套裝置采用PVC材質(zhì)的管件制作，該材質(zhì)有良好的耐堿、耐腐蝕特性，PVC材質(zhì)管件更換簡單，在使用過程中出現(xiàn)管件泄漏、損壞情況時，能夠及時對U型水封管件進(jìn)行檢修更換，避免了維修過程中可能存在的安全風(fēng)險。

5 結(jié)語

1）消除氨水罐內(nèi)超壓風(fēng)險。隨著氨水罐內(nèi)氨氣在U型水封反應(yīng)段內(nèi)不斷被連續(xù)供給的循環(huán)水吸收，確保氨水罐內(nèi)始終保持在允許最高安全壓力以下運(yùn)行，避免了氨水罐內(nèi)氨氣集聚引起的罐內(nèi)壓力過高，有效防止氨水罐超壓爆破的風(fēng)險；

2）避免氨氣逃逸造成的浪費(fèi)。本U型水封為封閉式結(jié)構(gòu)，并且與氨水罐氨氣排放管處氨氣排空閥連接，使整個系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，運(yùn)行中有效的吸收氨水罐內(nèi)氨水揮發(fā)出的氨氣，防止氨氣外泄，通過回收系統(tǒng)將外置U型水封使用維護(hù)過程中產(chǎn)生的吸收液及沖洗水回收至脫硫系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行使用，避免了因氨氣逃逸造成的浪費(fèi)及對周圍環(huán)境的影響，改善了現(xiàn)場環(huán)境；

3）運(yùn)行維護(hù)方便快捷。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于日常維護(hù)和維修。