玻璃工厂烟气SCR脱硝工艺中氨系统设计

当前，环保要求异常严格，尤其对于钢铁、水泥及玻璃等高污染行业，更是治理的重中之重。在玻璃行业，无论是新投产的还是原有生产线整改，无一例外都要进行烟气脱硫脱硝。在玻璃行业应用最为广泛的脱硝技术是SCR工艺（选择性催化还原技术SelectiveCatalyticReduction），其它脱硝技术，如SNCR工艺（选择性非催化还原技术SelectiveNon-CatalyticReduction）以及SNCR/SCR交互脱硝技术，应用很少。据统计资料显示，在用的脱硝装置中，采用SCR工艺的设备总台数占全部脱硝设备总数的73.8%，烟气处理量则达到总排放烟气量的94.7%。
1 SCR脱硝工艺原理
SCR化学反应原理就是利用氨气作为还原剂，与烟气中的NO发生氧化还原反应，生成氮x气和水，这一反应过程有温度条件限制，一般为300～380℃，而且还要在有催化剂的环境中进行。目前，可以为SCR工艺提供还原剂的物质主要有液氨、氨水及尿素3种。这3种还原剂各有优缺点。
液氨一般纯度为99.8%，纯度高，工艺流程简单，投资及运行费用低，但液氨有毒，易燃易爆，所以有严格的安全和防火要求，受到当地政府安监和质监部门的严格监管；氨水一般浓度为20%~30%，是氨的水溶液，纯度低，体积大，从中提取氨气需要消耗大量能源，费用高于液氨，工艺流程较复杂；尿素最为安全，不受政府部门监管，但是价格最高，工艺系统很繁杂。所以，玻璃工厂几乎均采用液氨为还原剂。
2 工艺流程
玻璃企业SCR工艺一般由氨的储运系统、氨气稀释喷入混合系统、催化反应系统、供配电系统、控制系统等组成。玻璃企业典型SCR工艺系统流程见图1。由图1可见，氨的使用贯穿整个工艺流程，由于氨具有毒性及火灾危险性，一直以来事故多发，相关案例不胜枚举，给生产企业造成了巨大的生命财产损失。

图1 玻璃工厂典型SCR工艺系统流程图
2.1 氨储运系统
氨的物理性质：无色透明液体，有刺激性气味，极易溶于水，有毒，在一定条件下可以燃烧和爆炸，泄漏时很容易被发现。在国家现行规范GB18218《危险化学品重大危险源辨识》重大危险源判定中，SCR工艺中氨的使用临界量为10t。在国家现行规范GB50016《建筑设计防火规范》中，氨的火灾危险性为乙类，其爆炸极限范围为15.5%～25%，遇明火、静电等能引起爆炸。氨具有较高的体积膨胀系数，超装的液氨储罐、气瓶等极易发生爆炸。因此，在氨储运系统的设计、施工及使用过程中，始终要把安全因素放在首位。
氨储运系统的功能是把液氨处理成适合SCR工艺系统使用的具有一定压力范围的氨气，氨储运区包括卸车、储存、蒸发、缓冲、输送及事故排放等工艺装置。SCR工艺系统中的氨用量绝大部分汇集于此，是消防安全的重中之重。
2.1.1 安全间距
氨储运区基本配置：卸车用的氨压缩机、液氨储罐、氨输送泵、液氨蒸发器、氨气缓冲罐、液氨稀释槽、
废水处理系统、消防喷淋系统以及控制室、配电室等。
液氨储罐的数量根据玻璃工厂规模大小，一般采用2～3个，要求其储存量能满足7~10天的使用要求。均采用地上卧式储罐，储罐应在同一防火堤内成组布置，防火堤内的有效容积要大于其中最大一台储罐的储量，一般防火堤的高度应≮1.0m，在防火堤相对应的两侧设置进出踏步。氨区应设置足够高度和覆盖面积的遮阳棚，防止夏季日晒对液氨储罐温升造成影响。氨储运区应设置净宽和净高均≮4m的环形消防车道，环形消防车道至少要有两处与工厂内道路联通。同时，在储罐区，控制室等均应配有手提式灭火器等消防器材。目前，小规模的玻璃生产线在前几年淘汰落后产能的过程中均已经停产，国内玻璃生产企业基本都是规模以上企业，厂内均有两条以上的浮法生产线，其厂内液氨罐区总容量一般为50～200m3，氨区的火灾危险性分类为乙类，其内建筑物的墙、柱、屋顶等均应采用不燃性材料，氨区内各部分的防火间距要求见表1。此外，在玻璃工厂总图设计之初，对氨储运区的总图定位要通盘考虑，宜布置在玻璃工厂全年最小频率的上风侧。氨区的摆放要远离可能发生明火的车间或装置，要有便利的交通条件，便于消防车辆进出、人员撤离等。
2.1.2 工程实例
以国内某2×800t/d浮法玻璃生产线为例，对氨区设计布局做具体说明，其氨储运区布置见图2，区域内设备间安全距离、消防道路、罐区与周边建筑的防火间距等均应满足表1的要求。
表1 氨储运区防火间距 /m
　图2 玻璃工厂液氨储运区布置图
2.2消防喷淋
消防喷淋系统是氨储运区安全运行的基本保证，必须放在安全生产的首位，消防喷淋系统应广泛覆盖液氨储罐区域、液氨蒸发缓冲区域及卸车区域，系统喷淋强度及持续时间等按照现行国家规范GB50084《自动喷水灭火系统设计规范》，GB50219《水喷雾灭火系统设计规范》执行。在氨区控制室，应设置火灾自动报警装置及消防控制装置，并能与玻璃工厂消防控制中心通信，报警及控制信号既能在氨区控制室控制，也能在消防控制中心控制。当氨区检测到空气中氨含量超限或者有火灾信号时，系统应立即声光报警，并连锁启动喷淋系统。另外，还应在安全位置设置手动操作装置。对于较大型的氨储运区，消防喷淋系统应分区设置，每区单独设置雨淋阀组，控制更加灵活，同时也避免水资源浪费。对于北方地区的企业，地上消防管道和位于冻土层内的管道，均应采取防冻措施，一般可以采用电伴热或者管道伴热装置。
在本例中，氨储运区内设水喷雾灭火系统，本系统兼有吸收泄漏到空气中的氨气的功能。防护区划分：液氨储罐纵向分为一个区，液氨蒸发及缓冲区为一个区，共两个防护区。水喷雾系统启动控制分为自动控制启动、手动远控启动和应急启动三种方式。灭火器配置：液氨蒸发区及罐区采用手提式磷酸铵盐干粉灭火器；在电控室设置手提式磷酸铵盐干粉灭火器及二氧化碳灭火器，灭火器设置在室外时，应有相应的保护措施。本例的SCR液氨储运区消防平面布置见图3，水喷雾消防系统见图4。

图3 氨区消防平面布置图
图4 水喷雾消防系统图
此外，液氨储罐还应设计夏季冷却喷淋管路，在南方地区尤为重要，夏季高温，液氨储罐极易超温超压，引起安全阀动作，导致氨气浓度报警装置报警，连锁消防喷淋系统动作。所以，对液氨储罐应配置冷却降温系统，使其与设置于液氨储罐上的温度变送器及压力变送器连锁，当温度或压力超限，即引发声光报警，连锁启动喷水降温电磁阀开启，对储罐降温冷却。一般的报警温度设置为40℃，报警压力设置为1.45MPa，此外，还应在安全位置设置手动操作装置。
液氨稀释槽中的排水及消防系统排水，严禁直接排放到厂区排水系统，应全部排放至废水收集池，经处理合格后方可排入厂内排水系统。
2.3 氮气置换
氨储运区内所有的容器及管道均应设置氮气置换接口，在设备首次投用前、设备检修、设备倒班及卸车等过程中，必须采用氮气将系统残留的氨置换出来，保证人员及设备安全。氨区日常情况下应储备足够量的氮气瓶组，放置在安全区域，并应每周检查瓶组压力，发现压力不足的应及时更换。氮气置换应保证设备中氨气与空气混合物低于其爆炸极限，一般应低于5%为合格。
2.4 连锁报警
氨储罐区及氨蒸发缓冲区均应设置氨气泄漏报警器，在控制室及电子设备间设置烟感探头，其布置应符合国家现行标准GB50116《火灾自动报警系统设计规范》的规定。报警装置是消防安全系统至关重要的一环，玻璃企业应采购质量好、精度高的知名企业产品，并应定期对其进行校验。该系统要经过安全及消防部门批准，并通过检验验收合格。
氨气泄漏检测器应设置在氨区遮阳棚下方，按其监测半径设置点位。一般要求，当空气中氨气浓度达到100×10-6时，应能自动发出报警信号，连锁打开消防喷淋系统。在本例中，为保证安全并及时发现氨泄漏，在氨区内5个点设置了氨气泄漏检测器，其氨区监测点位布置见图5。

图5 氨区监测点位布置图
3 氨逃逸的防范与监测
来自氨储运区的氨气，经厂区管网输配至氨气稀释装置，与稀释风机送风混合至一定浓度的氨气后，经烟道内喷嘴喷入烟气中，进入混合装置，与烟气充分混合，随即进入催化反应器，参加脱硝反应。为了达到较好的脱硝效果，要满足两方面要求，一是催化剂要有足够的活性，二是要提供足够量的还原剂参加反应。所以，系统总会有过量的氨气没有参加反应而随烟气排出，这种现象称之为氨逃逸。氨逃逸会引发诸多不利因素，会导致下游烟道及设备结垢堵塞，且极难清理，还会污染大气，腐蚀下游设备等。当催化剂的活性降低时，就需要喷入更多的氨气参加反应，导致氨逃逸量增加，应通过检测氨逃逸量大小，来判定催化剂的再生时间，及时更换新的催化反应器，保证较低的氨逃逸率，一般要求氨逃逸率控制在（2~4）×10-6范围内。
目前，对于氨逃逸率的检测，除了常用的激光气体分析仪外，还有一种有效的方法称为抽取法，其原理是采用高温抽气装置从脱硝后烟道中抽取一定容量的烟气，让烟气与水充分接触吸收后，再测量出水溶液中的铵离子浓度，氨逃逸的实际值可通过此浓度换算求出。此方法不受烟道内粉尘、温度、压力波动的影响，准确度较高。
4 结语
除了上述内容，在氨气的稀释装置，氨气喷入装置及氨气与烟气混合装置等方面，也应采取足够的安全措施，保持足够的安全间距，严禁烟火。尤其是氨管道，与其他管道共架敷设时要保证足够的安全距离，氨系统的阀门及仪表等也应采用氨专用产品。另外，从安全和经济角度考虑，当玻璃企业采用氨分解制氢工艺时，氢站应与SCR系统共用氨储运系统，可以节省占地面积，减少安全隐患。