玻璃工廠煙氣SCR脫硝工藝中氨系統設計
摘要：討論分析了玻璃工廠煙氣SCR脫硝工藝中氨系統的設計，著重論述了氨系統安全性要求及消防設計要點。并從工程實例出發，更加直觀地展現了SCR工藝氨系統的設計布置方法。為玻璃工廠同類工程提供技術參考和依據，提高玻璃企業的生產安全性和可靠性。
0 引言
當前，環保要求異常嚴格，尤其對于鋼鐵、水泥及玻璃等高污染行業，更是治理的重中之重。在玻璃行業，無論是新投產的還是原有生產線整改，無一例外都要進行煙氣脫硫脫硝。在玻璃煙氣脫硝應用最為廣泛的脫硝技術是SCR工藝（選擇性催化還原技術SelectiveCatalyticReduction），其它脫硝技術，如SNCR工藝（選擇性非催化還原技術SelectiveNon-CatalyticReduction）以及SNCR/SCR交互脫硝技術，應用很少。據統計資料顯示，在用的脫硝裝置中，采用SCR工藝的設備總臺數占全部脫硝設備總數的73.8%，煙氣處理量則達到總排放煙氣量的94.7%。
1 SCR脫硝工藝原理
SCR化學反應原理就是利用氨氣作為還原劑，與煙氣中的NO發生氧化還原反應，生成氮x氣和水，這一反應過程有溫度條件限制，一般為300～380℃，而且還要在有催化劑的環境中進行。目前，可以為SCR工藝提供還原劑的物質主要有液氨、氨水及尿素3種。這3種還原劑各有優缺點。
液氨一般純度為99.8%，純度高，工藝流程簡單，投資及運行費用低，但液氨有毒，易燃易爆，所以有嚴格的安全和防火要求，受到當地政府安監和質監部門的嚴格監管；氨水一般濃度為20%~30%，是氨的水溶液，純度低，體積大，從中提取氨氣需要消耗大量能源，費用高于液氨，工藝流程較復雜；尿素最為安全，不受政府部門監管，但是價格最高，工藝系統很繁雜。所以，玻璃工廠幾乎均采用液氨為還原劑。
2 工藝流程
玻璃企業SCR工藝一般由氨的儲運系統、氨氣稀釋噴入混合系統、催化反應系統、供配電系統、控制系統等組成。玻璃企業典型SCR工藝系統流程見圖1。由圖1可見，氨的使用貫穿整個工藝流程，由于氨具有毒性及火災危險性，一直以來事故多發，相關案例不勝枚舉，給生產企業造成了巨大的生命財產損失。
2.1 氨儲運系統
氨的物理性質：無色透明液體，有刺激性氣味，極易溶于水，有毒，在一定條件下可以燃燒和爆炸，泄漏時很容易被發現。在國家現行規范GB18218《危險化學品重大危險源辨識》重大危險源判定中，SCR工藝中氨的使用臨界量為10t。在國家現行規范GB50016《建筑設計防火規范》中，氨的火災危險性為乙類，其爆炸極限范圍為15.5%～25%，遇明火、靜電等能引起爆炸。氨具有較高的體積膨脹系數，超裝的液氨儲罐、氣瓶等極易發生爆炸。因此，在氨儲運系統的設計、施工及使用過程中，始終要把安全因素放在首位。
氨儲運系統的功能是把液氨處理成適合SCR工藝系統使用的具有一定壓力范圍的氨氣，氨儲運區包括卸車、儲存、蒸發、緩沖、輸送及事故排放等工藝裝置。SCR工藝系統中的氨用量絕大部分匯集于此，是消防安全的重中之重。
2.1.1 安全間距
氨儲運區基本配置：卸車用的氨壓縮機、液氨儲罐、氨輸送泵、液氨蒸發器、氨氣緩沖罐、液氨稀釋槽、廢水處理系統、消防噴淋系統以及控制室、配電室等。
液氨儲罐的數量根據玻璃工廠規模大小，一般采用2～3個，要求其儲存量能滿足7~10天的使用要求。均采用地上臥式儲罐，儲罐應在同一防火堤內成組布置，防火堤內的有效容積要大于其中最大一臺儲罐的儲量，一般防火堤的高度應≮1.0m，在防火堤相對應的兩側設置進出踏步。氨區應設置足夠高度和覆蓋面積的遮陽棚，防止夏季日曬對液氨儲罐溫升造成影響。氨儲運區應設置凈寬和凈高均≮4m的環形消防車道，環形消防車道至少要有兩處與工廠內道路聯通。同時，在儲罐區，控制室等均應配有手提式滅火器等消防器材。目前，小規模的玻璃生產線在前幾年淘汰落后產能的過程中均已經停產，國內玻璃生產企業基本都是規模以上企業，廠內均有兩條以上的浮法生產線，其廠內液氨罐區總容量一般為50～200m3，氨區的火災危險性分類為乙類，其內建筑物的墻、柱、屋頂等均應采用不燃性材料，氨
區內各部分的防火間距要求見表1。此外，在玻璃工廠總圖設計之初，對氨儲運區的總圖定位要通盤考慮，宜布置在玻璃工廠全年最小頻率的上風側。氨區的擺放要遠離可能發
生明火的車間或裝置，要有便利的交通條件，便于消防車輛進出、人員撤離等。
2.1.2 工程實例
以國內某2×800t/d浮法玻璃生產線為例，對氨區設計布局做具體說明，其氨儲運區布置見圖2，區域內設備間安全距離、消防道路、罐區與周邊建筑的防火間距等均應滿足表1的要求。
2.2消防噴淋
消防噴淋系統是氨儲運區安全運行的基本保證，必須放在安全生產的首位，消防噴淋系統應廣泛覆蓋液氨儲罐區域、液氨蒸發緩沖區域及卸車區域，系統噴淋強度及持續時間等按照現行國家規范GB50084《自動噴水滅火系統設計規范》，GB50219《水噴霧滅火系統設計規范》執行。在氨區控制室，應設置火災自動報警裝置及消防控制裝置，并能與玻璃工廠消防控制中心通信，報警及控制信號既能在氨區控制室控制，也能在消防控制中心控制。當氨區檢測到空氣中氨含量超限或者有火災信號時，系統應立即聲光報警，并連鎖啟動噴淋系統。另外，還應在安全位置設置手動操作裝置。對于較大型的氨儲運區，消防噴淋系統應分區設置，每區單獨設置雨淋閥組，控制更加靈活，同時也避免水資源浪費。對于北方地區的企業，地上消防管道和位于凍土層內的管道，均應采取防凍措施，一般可以采用電伴熱或者管道伴熱裝置。
在本例中，氨儲運區內設水噴霧滅火系統，本系統兼有吸收泄漏到空氣中的氨氣的功能。防護區劃分：液氨儲罐縱向分為一個區，液氨蒸發及緩沖區為一個區，共兩個防護區。水噴霧系統啟動控制分為自動控制啟動、手動遠控啟動和應急啟動三種方式。滅火器配置：液氨蒸發區及罐區采用手提式磷酸銨鹽干粉滅火器；在電控室設置手提式磷酸銨鹽干粉滅火器及二氧化碳滅火器，滅火器設置在室外時，應有相應的保護措施。本例的SCR液氨儲運區消防平面布置見圖3，水噴霧消防系統見圖4。
此外，液氨儲罐還應設計夏季冷卻噴淋管路，在南方地區尤為重要，夏季高溫，液氨儲罐極易超溫超壓，引起安全閥動作，導致氨氣濃度報警裝置報警，連鎖消防噴淋系統動作。所以，對液氨儲罐應配置冷卻降溫系統，使其與設置于液氨儲罐上的溫度變送器及壓力變送器連鎖，當溫度或壓力超限，即引發聲光報警，連鎖啟動噴水降溫電磁閥開啟，對儲罐降溫冷卻。一般的報警溫度設置為40℃，報警壓力設置為1.45MPa，此外，還應在安全位置設置手動操作裝置。
液氨稀釋槽中的排水及消防系統排水，嚴禁直接排放到廠區排水系統，應全部排放至廢水收集池，經處理合格后方可排入廠內排水系統。
2.3 氮氣置換
氨儲運區內所有的容器及管道均應設置氮氣置換接口，在設備首次投用前、設備檢修、設備倒班及卸車等過程中，必須采用氮氣將系統殘留的氨置換出來，保證人員及設備安全。氨區日常情況下應儲備足夠量的氮氣瓶組，放置在安全區域，并應每周檢查瓶組壓力，發現壓力不足的應及時更換。氮氣置換應保證設備中氨氣與空氣混合物低于其爆炸極限，一般應低于5%為合格。
2.4 連鎖報警
氨儲罐區及氨蒸發緩沖區均應設置氨氣泄漏報警器，在控制室及電子設備間設置煙感探頭，其布置應符合國家現行標準GB50116《火災自動報警系統設計規范》的規定。報警裝置是消防安全系統至關重要的一環，玻璃企業應采購質量好、精度高的知名企業產品，并應定期對其進行校驗。該系統要經過安全及消防部門批準，并通過檢驗驗收合格。
氨氣泄漏檢測器應設置在氨區遮陽棚下方，按其監測半徑設置點位。一般要求，當空氣中氨氣濃度達到100×10-6時，應能自動發出報警信號，連鎖打開消防噴淋系統。在本例中，為保證安全并及時發現氨泄漏，在氨區內5個點設置了氨氣泄漏檢測器，其氨區監測點位布置見圖5。
3 氨逃逸的防范與監測
來自氨儲運區的氨氣，經廠區管網輸配至氨氣稀釋裝置，與稀釋風機送風混合至一定濃度的氨氣后，經煙道內噴嘴噴入煙氣中，進入混合裝置，與煙氣充分混合，隨即進入催化反應器，參加脫硝反應。為了達到較好的脫硝效果，要滿足兩方面要求，一是催化劑要有足夠的活性，二是要提供足夠量的還原劑參加反應。所以，系統總會有過量的氨氣沒有參加反應而隨煙氣排出，這種現象稱之為氨逃逸。氨逃逸會引發諸多不利因素，會導致下游煙道及設備結垢堵塞，且極難清理，還會污染大氣，腐蝕下游設備等。當催化劑的活性降低時，就需要噴入更多的氨氣參加反應，導致氨逃逸量增加，應通過檢測氨逃逸量大小，來判定催化劑的再生時間，及時更換新的催化反應器，保證較低的氨逃逸率，一般要求氨逃逸率控制在（2~4）×10-6范圍內。
目前，對于氨逃逸率的檢測，除了常用的激光氣體分析儀外，還有一種有效的方法稱為抽取法，其原理是采用高溫抽氣裝置從脫硝后煙道中抽取一定容量的煙氣，讓煙氣與水充分接觸吸收后，再測量出水溶液中的銨離子濃度，氨逃逸的實際值可通過此濃度換算求出。此方法不受煙道內粉塵、溫度、壓力波動的影響，準確度較高。
4 結語
除了上述內容，在氨氣的稀釋裝置，氨氣噴入裝置及氨氣與煙氣混合裝置等方面，也應采取足夠的安全措施，保持足夠的安全間距，嚴禁煙火。尤其是氨管道，與其他管道共架敷設時要保證足夠的安全距離，氨系統的閥門及儀表等也應采用氨專用產品。另外，從安全和經濟角度考慮，當玻璃企業采用氨分解制氫工藝時，氫站應與SCR系統共用氨儲運系統，可以節省占地面積，減少安全隱患。
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