石油焦煅烧氨法脱硫氨水罐水封改进及应用*

王小民，赵永林，王维兵，赵云祥，孟斌斌，刘 伟，张 波

（云南源鑫炭素有限公司，云南 建水 654300）

随着中国对环保越来越重视，企业污染物排放日益受到严格的限制。二氧化硫排放是中国企业控制排放的重要指标之一，这就要求二氧化硫排放企业必须采取更为有效的脱硫措施，控制二氧化硫的排放量[1]。湿法烟气脱硫技术是当今脱硫市场的主流，约占脱硫总量的80%以上，其中石灰石（石灰）石膏法、钠钙双碱法、氨法是湿法脱硫主流技术[2]。某公司采用的是氨法烟气脱硫技术，氨法烟气脱硫是用氨水或液氨来吸收烟气中的二氧化硫，生成亚硫酸铵或硫酸氢铵，通过加入氨水调节吸收液的pH值，以保持高的脱硫效率，亚硫酸铵在被空气氧化为硫酸铵，硫酸铵浆液经浓缩、离心、干燥得到固体硫酸铵产品。通过氨法烟气脱硫技术将烟气中的二氧化硫吸收从而达到烟气达标排放的要求[3]。

在氨法脱硫系统生产运行中，某公司配备两台氨水罐用以储备氨水，根据烟气中二氧化硫含量调整氨水投加量，实现二氧化硫的达标排放。

氨水是氨的水溶液，主要成分为NH3·H2O，无色透明且具有刺激性气味，具有部分碱的通性。氨水易分解放出氨气，温度越高，分解速度越快，可形成爆炸性气氛[4]。氨气易溶于水、乙醇和乙醚。氨气有毒，对人体健康危害主要是通过口鼻吸入，引起刺激性反应和灼伤[5]。氨水罐的安全运行是安全生产工作中的必然要求。

1 内置水封工作原理及存在的不足

某公司氨水罐最初设计制作时的水封为内置U型水封，该水封设计原理如图1所示。

图1 氨水罐内置水封原理Fig.1 Principles of build-in water seal inside the ammonia tank

1.1 内置U型水封工作原理

由图1可知，U型水封内存有定量的水封工作液，在氨水接卸及使用过程中，通过氨水罐内置U型管水封工作液对氨水挥发出的氨气进行吸收，从而达到减少氨气逃逸的目的，同时利用脱硫塔自身吸力将氨水罐内氨水挥发出的氨气引至脱硫塔内进行吸收利用。根据运行情况对U型水封进行排污操作，维持水封正常运行。

1.2 内置水封使用中的不足

由于内置水封安装在氨水罐内部，在日常使用过程中，无法对U型水封水封工作液进行检查，一旦水封故障时，对其进行维修工作困难，存在失效的情况，影响U型水封的正常使用。水封失去作用后，不能充分吸收氨气，由于氨气极易挥发，大量的氨气集聚在氨水罐内部，易造成氨水罐压力急剧升高，如果超过氨水罐所能承受的设计压力60 kPa时，存在爆破风险。氨水罐内氨水挥发出的氨气至吸收塔管道较长且存在管道低点，氨气在输送过程中会携带一部分水，长时间运行中水会在管道低点集聚，阻塞管道影响氨气的输送，致使氨气在氨水罐内集聚，氨水罐内压力升高，此时需要打开氨气管低处的排空阀，排出氨水罐内集存的氨水，进而导致大量氨气随着排空阀排出氨水罐，增加现场氨气逃逸的情况，既造成氨气的浪费，又会使作业人员氨中毒风险增大。

2 改进与设计要求

2.1 内置U型水封改进需求

结合氨水罐原有内置U型水封使用过程中存在的安全风险及氨气逃逸情况，需要对氨水罐现有内置U型水封进行改进。在氨水罐氨气排放管处氨气排空阀连接设计的外置U型水封。

2.2 水封的设计要求

水封是利用局部充水的方法隔断管道、设备等系统内部腔体与建筑室内空间连通的措施[6]。

水封深度除了支付管道气压变化引起的动态损失外，余下的水封高度还要足以支付蒸发损失、毛细作用等静态损失[7]。

水封结构可以分为气路和水路通道[8]，氨气通过气路通道进入U型水封，利用氨气极易溶于水的物理特性被水封水吸收，水封水是连续的，处于流动状态，下端设有排污口，定期进行排放[8]。

3 设计方案

3.1 外置U型水封设计原理

结合水封工作原理及需要解决内置U型水封运行中的不足，设计氨水罐外置U型水封。氨水罐水封改造原理如图2所示。利用现有氨水罐氨气排放管处氨气排空阀与现场制作的U型水封连接，作为U型水封气侧进气管路。U型水封运行时，通过补水管道不断对U型水封补充循环水，氨水罐内挥发的氨气通过氨气排空阀进入U型水封内，氨气在U型水封内被不断补充的循环水吸收后，通过排水管道排入氨水罐区地坑内，经地坑潜水泵将吸收的水封水导入脱硫系统内进行回收使用。

图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

对照设计的U型水封工作原理图，如图3所示，现场制作氨水罐U型水封装置，此U型水封装置整体采用PVC管道及管件制作完成，包括U型水封、气相管、氨气进气阀、进水调节阀、进水压力表、冲洗阀、排污阀、出水阀及相应连接管道等。

图3 U型水封设计制作原理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型水封原理储备一定量的水封水吸收氨水罐内挥发出的氨气；②气相管：对U型水封进行密封，防止氨气泄漏时危害现场作业人员；③氨气进气管：两台氨水罐内因氨水挥发产生的氨气通过氨气进气管进入U型水封内；④水封补水管：对U型水封补充循环水；⑤排污管：U型水封排污管道；⑥出水管：实时排出U型水封内吸收液；⑦地坑：U型水封排水收集；⑧进水调节阀：调节U型水封进水量；⑨进水压力表：显示U型水封进水压力；⑩冲洗阀：对U型水封冲洗时控制冲洗水量；[11]氨气进气阀：对U型水封氨气进气量控制；[12]排污阀：排出对U型水封冲洗时的冲洗水；[13]出水阀：排出U型水封工作时的吸收液；[14]防爆潜水泵：将U型水封运行中排出的吸收液进行回收利用。

3.3 U型水封工作原理

3.3.1 U型水封水路运行流程

打开U型水封装置出水阀[13]，通过调整U型水封进水调节阀⑧开度，查看进水压力表⑨确保循环水有足够的补水压力，调整U型水封筒内水封水的供给量，维持U型水封筒反应段内水封水保持一定的高度，并有少量循环水由出水阀[13]排出至地坑⑦内。U型水封内保持一定量的补充水循环有利于氨气的吸收反应，提高氨气的吸收量。

3.3.2 U型水封装置气路工作原理

U型水封装置与氨水罐氨气排出管中氨气进气阀[11]连接，在U型水封水路投入运行后，打开氨气进气阀[11]，氨气进入U型水封中，与U型水封内水封水在反应段内反应吸收。利用氨气极易溶于水的特性，氨水罐内挥发的氨气在U型水封内不断被水封水吸收，部分吸收后的水封水通过出水阀[13]排入地坑⑦内。通过U型水封工作，不断吸收氨水罐内挥发出的氨气，有效减少氨水罐内氨气集聚，避免氨水罐内压力升高带来的氨水罐运行风险。

3.3.3 设立U型水封密封系统

在U型水封上部设计成密封气相管②，在U型水封运行使用中，有效防止因水封失效时氨气泄漏及氨水挥发对现场作业人员的危害。

3.3.4 U型水封冲洗原理

根据U型水封运行情况，对U型水封进行水冲洗。调整U型水封进水调节阀⑧开度，查看进水压力表⑨确保循环水有足够的补水压力，依次打开U型水封排污阀[12]及冲洗阀⑩，对水封反应段进行冲洗，清除管道内的异物，确保U型水封有效运行。冲洗完成后，关闭冲洗阀⑩及排污阀[12]，调整U型水封进水调节阀⑧开度，恢复U型水封正常运行。

3.3.5 U型水封使用中的液体回收

U型水封在使用中排出的吸收液及日常维护过程中冲洗U型水封反应段产生的冲洗水通过出水管⑥及排污管⑤均引至U型水封旁边地坑⑦内，通过防爆潜水泵[14]打入脱硫系统内进行回收使用。

4 应用效果

4.1 避免氨气逃逸情况的出现

氨水罐内氨水挥发出的氨气在U型水封反应段内充分反应吸收，避免了在使用内置U型水封时，为控制氨水罐内压力而打开氨气管排空阀，从而使氨气直接排放出系统，导致氨气的浪费及对现场作业人员的健康安全的危害。U型水封在运行使用中，通过进水调节阀确保U型水封有不间断的循环水补充，出水阀始终保持一定量的水封水流出，构成U型水封水循环，将氨气溶于水时放出的热量及时带走，控制循环水始终保持在较低的温度，避免了因氨气与静态水反应一段时间后，氨气溶于水时放出热量致使水封水温度上升、氨气吸收率下降的情况出现，有利于对氨气的充分吸收。

4.2 对U型水封运行中产生的废液进行回收利用

U型水封在使用过程中废液的产生有两种情况：①氨气在U型水封反应段被水封水吸收形成的低浓度的氨水经过出水管进入地坑内；②在对U型水封反应段进行日常冲洗时产生的冲洗水经排污管进入地坑内。此两种情况产生的废液均属于低浓度的氨水，通过地坑内的防爆潜水泵将氨水回收至脱硫系统进行回收使用，避免了氨气逃逸的浪费，实现了对U型水封运行中吸收液及冲洗水的回收利用。

4.3 确保氨水罐压力稳定

U型水封使用后，氨水罐内因氨水挥发产生的氨气通过氨水罐顶部氨气排放管道进入U型水封内，在U型水封反应段被不断补充的水封水吸收，有效防止氨水罐内氨水挥发出的氨气积存在氨水罐内，引起氨水罐内压力升高，超过氨水罐设计压力，影响氨水罐安全运行。U型水封投入使用后，两台氨水罐运行压力为：1#氨水罐运行压力0.11 kPa，2#氨水罐运行压力0.32 kPa，始终保持在允许最高安全压力以下运行。

4.4 操作使用方便

U型水封装置设计简单，操作方便，该装置采用外置式设计，操作人员可随时查看U型水封工作情况，并根据水封水量及时进行调整。本装置设计有一套冲洗系统，操作人员可根据U型水封运行情况，对U型水封工作段进行在线冲洗。

4.5 检修维护便捷

整套装置采用PVC材质的管件制作，该材质有良好的耐碱、耐腐蚀特性，PVC材质管件更换简单，在使用过程中出现管件泄漏、损坏情况时，能够及时对U型水封管件进行检修更换，避免了维修过程中可能存在的安全风险。

5 结语

1）消除氨水罐内超压风险。随着氨水罐内氨气在U型水封反应段内不断被连续供给的循环水吸收，确保氨水罐内始终保持在允许最高安全压力以下运行，避免了氨水罐内氨气集聚引起的罐内压力过高，有效防止氨水罐超压爆破的风险；

2）避免氨气逃逸造成的浪费。本U型水封为封闭式结构，并且与氨水罐氨气排放管处氨气排空阀连接，使整个系统处于封闭状态，运行中有效的吸收氨水罐内氨水挥发出的氨气，防止氨气外泄，通过回收系统将外置U型水封使用维护过程中产生的吸收液及冲洗水回收至脱硫系统内进行使用，避免了因氨气逃逸造成的浪费及对周围环境的影响，改善了现场环境；

3）运行维护方便快捷。本装置结构简单，操作方便，便于日常维护和维修。