Si3N4
——SiC脫硫霧化噴嘴在電力行業的應用初探*

和嬌嬌 王 萌 羅 娟 梁振海

(咸陽陶瓷研究設計院有限公司 陜西 咸陽 71200)

前言

中國是一個能源結構以煤炭為主的發展中國家。隨著社會經濟的高速發展，煤炭消費量逐年提升，盡管出臺了一系列強有力的節能減排措施，但硫氧化物、氮氧化物排放量仍位居世界第一。當前中國大氣環境形勢十分嚴峻，部分區域和城市大氣霧霾現象突出，許多地區主要污染物排放量超過環境容量。而電力行業是排放二氧化硫和氮氧化物的最多的行業。電力行業排放的二氧化硫和氮氧化物主要來自火力發電中煤炭或其他石化燃料的燃燒。為了加快推動能源生產及消費革命，進一步提升煤電高效清潔發展水平，國家發展改革委、環保部、國家能源局聯合制定了《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》。因此，隨著超凈排放標準的出臺，電力行業脫硫系統的更新改造必然存在，故脫硫噴嘴的品種和需求量將會不斷增大。

1 氮化硅結合碳化硅脫硫噴嘴

脫硫噴嘴早期為鑄鐵質，該類噴嘴成形時可以保證較標準的尺寸，但是該材質不耐腐蝕、不耐磨、使用壽命短(約為1周)，使得脫硫裝置頻繁更換噴嘴，從而影響脫硫系統的正常運行，故脫硫系統在目前階段中不宜使用此類材質。

氮化硅結合碳化硅復合材料是以SiC和Si為主要組分，在SiC顆粒混合物中加入細硅粉后，加入其他添加劑形成試樣，在高溫爐中通入氮氣進行氮化燒結，在一定溫度和壓力制度下形成致密的網狀結構，故氮化硅結合碳化硅材料具有耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、熱穩定性好、抗高溫蠕變性好、熱膨脹系數小等多種優良性能，其材料堅硬、莫氏硬度大，在非金屬材料中屬于硬度材料。因此，該材料在一定的制作工藝條件下，可以制成相對尺寸精確度高的產品。該材質制成的脫硫噴嘴性能穩定、使用壽命長、耐磨性好，替代了普遍使用的合金材質噴嘴。有經驗表明，氮化硅結合碳化硅脫硫噴嘴的使用壽命可達10年，而合金類噴嘴的壽命達300 h后，會嚴重損壞，就需要更換。

氮化硅結合碳化硅脫硫噴嘴具有良好的脫硫除塵效果，在使用過程中，投入環保費用少，安裝維修簡單，品種型號多樣，具有多種可匹配的選擇性。燃煤火電廠環保減排裝置脫硫系統中的關鍵部件之-就是脫硫霧化噴嘴。由于脫硫吸收塔中的運行工況條件十分惡劣，所以對脫硫霧化噴嘴制作材料提出了較為嚴格的要求。噴嘴材質要具有防腐蝕、耐磨損、耐高溫等特點，材料還必須具有較低的熱膨脹系數以保證產品的精確尺寸，可制作多種復雜形狀構件，進而滿足材料以及噴嘴的結構設計要求。由于氮化硅結合碳化硅材料具有上述特點，氮化硅結合碳化硅脫硫霧化噴嘴現階段常用于火電廠的濕法脫硫裝置中。

2 電力行業對脫硫噴嘴的需求

在火力發電的脫硫技術中常用的有：石灰石-石膏法、鈉堿法、氨吸收法、磷銨復合肥法、氯化銨法、海水脫硫。在這些技術中常用的是石灰石-石膏法濕法脫硫，這種技術在美國的采用率為80%，德國的采用率為90%，日本的采用率為75%。現階段氮化硅結合碳化硅脫硫噴嘴主要用于利用濕法脫硫(石灰石-石膏法)的火電廠脫硫設備系統中。在對鍋爐煙氣進行脫硫處理時，采用石灰石乳化液通過脫硫噴嘴完成霧化，使霧化后的微小液滴與煙氣充分接觸而生成CaSO3(石膏)的沉淀物，從而完成對煙氣中的SO2的吸收。

根據當前我國現實情況，火力發電的將長期作為生產生活的主要供應源，其中燃煤發電在火力發電中占據主導地位。2017年，我國火力發電量再次位居世界第一，總量接近6.5萬億kW·h。而且未來5年內，仍將以3.45%的年均復合增長率增加。我國火電發電量在總發電量中的占比達71.60%；燃煤發電量在火電發電量中的占比達91.07%，燃氣發電、燃油發電量占比小。按照我國超級排放標準和產業政策，產能在200 MW以上的火電廠必須配置脫硫系統。

截止2017年底，我國的火電廠年產出為4.2萬億kW，消耗燃煤11.2萬億t。在2015年，電力行業的SO2排放約727.8萬t，占工業SO2排放量的39.3%。一般情況下，脫硫設備投資占脫硫系統總投資的 10%～15%，火電廠的脫硫市場占到其中相當大的一部分。現國內約有1 200多家大型(產能>200 MW)發電企業，若其中有70%的企業使用濕法脫硫系統，按設計慣例，產能200 MW火電企業一套脫硫系統需700只脫硫噴嘴，300 MW機組一套脫硫系統需960只脫硫噴嘴，再計入脫硫噴嘴的壽命約60 000 h，更換所需的數量，每年脫硫噴嘴的市場需求量約30萬只。

我國的電力需求會越來越大，而新型能源(太陽能、風能、核能等)所帶來的電力增量并不能滿足全部的電力需求，所以在相當長的一段時間內我國還將繼續新建火電廠，加上已經安裝脫硫裝置火電廠的更新改造，那么脫硫系統就必然運行，對氮化硅結合碳化硅脫硫噴嘴的需求就會始終存在。

3 氮化硅結合碳化硅脫硫噴嘴在其他行業的應用

氮化硅結合碳化硅陶脫硫噴嘴型號品種多樣，內腔結構尺寸精確，在脫硫系統中匹配度較高。所以該類噴嘴廣泛應用于環保領域：氣體冷卻、廢氣脫硫、洗滌與漂淋過程、蒸發冷卻、防火滅火、陶瓷廠除塵、氣體洗滌、垃圾焚化廠、煉鋼轉爐煙道中的除塵降溫等。