活性炭法煙氣脫硫脫裝置的儀表設計與選型

金升

（一重集團大連工程建設有限公司，遼寧 大連 116113）

0 引言

從2010 年太鋼660m2和450m2燒結廠[1]活性炭法煙氣脫硫脫硝[2]裝置投運起，這種工藝在燃煤電廠和燒結廠中被廣泛應用。然而，由于技術自主化方面并不完善，現已建成的裝置存在運行不佳的情況，儀表的設計選型不合理也是影響裝置穩定運行的因素之一。在大氣污染防治要求越來越嚴格的今天，尚有大量的燃煤電廠和燒結廠即將淘汰原有的脫硫裝置，而改用活性炭法煙氣脫硫脫硝工藝。因此合理的儀表設計與選型，為工程設計人員提供參考具有重要意義。

1 活性炭干法煙氣脫硫脫硝工藝簡介

以河北某鋼鐵廠265m2燒結機的活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置為例，活性炭的再生熱源利用燃燒高爐煤氣產生的熱風，裝置的主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 活性炭法煙氣脫硫脫硝工藝流程

工藝裝置主要由凈化單元、供氨單元、再生單元、制酸單元以及增壓風機、輸送鏈斗機、粉炭收集及除塵等輔助設備組成。燒結機排放的原煙氣或經過降溫措施，溫度保持在酸露點以上約110℃，經增壓風機升壓后，依次進入凈化單元的脫硫反應器與脫硝反應器，凈化后排入煙囪。

在脫硫反應器中，經活性炭的物理吸附與化學反應的共同作用下，煙氣被脫硫處理；在脫硝反應器中，通入一定量的5%氨空混合氣進行脫硝處理。

吸附過SO2及其他反應生成物（SO3、硫酸銨等）的活性炭從凈化單元下部滾式卸料器排出，經輸送鏈斗機送入再生反應器，再經過再生反應器的預熱段、加熱段、冷卻段，活性炭完成再生并且冷卻后，由具有氮氣密封作用的旋轉卸料器排出，經振動篩篩出碎粉后送入輸送鏈斗機，重新回到凈化單元參與脫硫脫硝。

在再生反應器的加熱段，活性炭被熱風爐產生的循環熱風加熱到400～450℃，SO2被解析出來，硫酸和硫酸銨鹽經高溫分解，產生的解析氣送入制酸單元生成濃硫酸，制酸單元產生的尾氣被重新送入凈化單元入口，并且為制酸單元設置旁路。

2 儀表的設計與選型

制酸單元等由成套設備供貨廠家提供的儀表相對已經成熟，其選型在設計范圍，活性炭法脫硫脫硝主裝置的關鍵部位的儀表設計與選型是本文討論的重點。

2.1 溫度儀表設計與選型

脫硫和脫硝反應器中活性炭的溫度檢測儀表需要特殊設計和選型，關乎裝置的安全運行，屬于關鍵儀表[2]。

在脫硫和脫硝反應器中，正常狀態下活性炭溫度在135～155℃之間，遠傳溫度儀表選擇熱電阻，但是由于活性炭本身的成分復雜且存在緩慢升溫達到300℃以上的情況，即活性炭溫度超過其著火點導致活性炭自燃[3]。檢測到超溫情況，需采用熱電偶，實時監控報警并記錄曲線，判斷升溫趨勢，及時采取對凈化反應器進行充氮氣的操作，以避免活性炭著火而危及設備安全。脫硫脫硝反應器寬度可達11m，采用分層且多點均布測溫點。在每個檢測點，設備內部設計一根貫穿設備DN50 的不銹鋼管作為套管，每個測溫點選用一臺8 點K 型鎧裝熱電偶，各點的插入長度按套管總長均布。

再生反應器加熱段的活性炭溫度可達400℃以上，超過了活性炭的著火點，溫度儀表選帶固定法蘭套管的單支K 型鎧裝熱電偶，插入設備內部300mm，套管材質不低于316L，表面噴涂耐磨層以滿足活性炭向下流動的易磨損工況。

2.2 壓力儀表設計與選型

就地指示的壓力表，在工藝介質為氮氣、低壓蒸汽、壓縮空氣、儀表空氣、生產循環水等場合，壓力為兆帕級，選用不銹鋼彈簧管壓力表；再生反應器的熱循環風、冷卻風、熱風爐的助燃空氣、氨氣等介質的就地壓力檢測，壓力為幾千帕至十幾千帕，選用不銹鋼膜盒壓力表。其中風機和水泵出口的壓力表選擇耐震型，氨水和氨氣的壓力表選氨專用壓力表，需要禁銅。

低壓蒸汽、氮氣、生產水等介質的遠傳壓力檢測儀表選用智能型壓力變送器；高爐煤氣、循環熱風、氨氣、煙氣、酸性氣等介質，壓力在千帕級或是微負壓，壓力檢測選用智能型差壓變送器，正壓室接被測介質，負壓室接大氣。所有壓力/差壓變送器均為二線制24VDC，精度可達±0.075%，輸出為4～20mA 疊加HART 協議，除酸性氣的壓力檢測元件材質選為哈式合金外，其他變送器的壓力檢測元件材質均為316L，高爐煤氣和氨氣管線區域的壓力變送器選為隔爆型。

2.3 流量儀表設計與選型

界區處的低壓蒸汽、氮氣和壓縮空氣總管線，再生反應器上部和下部氮封總管線以及氨水汽化后的90%濃度氨氣管線，介質潔凈度高、脈動及震動小、粘度低、管道口徑在DN80～DN150 之間，這些場合的體積流量測量選擇法蘭連接一體式渦街流量計，具有結構簡單可靠、安裝維護方便、測量范圍度寬、壓力損失小的特點，溫度壓力補償可利用遠傳的溫度、壓力信號，在DCS 上位機中實現。

生產水總管需要埋地，測量其流量需設置水表井，選用分體式電磁流量計，傳感器安裝在井中水管上，變送器安裝在井邊地面上，二者通過儀表自帶連接電纜連接。

一級噴氨管線為DN600，二級噴氨管線為DN350，高爐煤氣管線為DN700，循環熱風管線為DN2000，助燃空氣管線為DN400，在這種大口徑管道的氣體體積流量測量的場合，選用節流裝置與差壓變送器組合的方式測量流量是比較適合的。噴氨管線選擇標準孔板作為節流元件，循環熱風和助燃空氣的流量測量選擇一體式帶吹掃功能的巴類流量計。鋼鐵廠的高爐煤氣用氣點多且用量大，脫硫脫硝裝置用高爐煤氣屬于末端，在實際應用中發現高爐煤氣的壓力波動范圍較大，影響火焰的穩定，壓力過低時會導致熱風爐滅火，因此選擇多孔平衡孔板作為節流元件，以保證盡可能的減少壓損，有高的測量準確度、較短的直管段要求以及有較寬的量程比。

2.4 物位儀表設計與選型

主裝置中需要檢測物位的主要介質、部位及大概工況如表1 所示。

表1 主要部位的介質工況及物位儀表的選型

顆粒和粉狀固體物料的物位開關量檢測選擇電容式或射頻導納式物位開關。設備法蘭短管處由于設備邊緣內外存在溫差，有產生凝結水的可能性，且在靜電吸附的作用下，氣相中的粉塵容易附著在電極上，影響檢測效果。因此，電容式物位開關需具有抗黏附功能，射頻導納式物位開關具有抗黏附補償功能，屏蔽層要超出法蘭短管50mm。以往設計中，采用側壁斜上45°的安裝方式，由于活性炭顆粒在短管內有存料的現象，引起誤報警。經過實踐改良，物位開關設計為頂裝式，插入長度根據計算報警點位置設計，消除了誤報警的情況。

脫硫脫硝凈化反應器多點布料器、再生反應器中活性炭的連續物位，是活性炭輸送布料過程的重要參數，控制系統根據物位的變化完成均勻布料和補料的控制。因此，活性炭連續物位檢測儀表需具有高可靠性、高準確度、抗干擾能力強、安裝維護方便的特點。太鋼的燒結機活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置的連續物位檢測儀表，日本承包方選用的是電容式物位計，檢測探桿接近4m，儀表的安裝需要在設備內部做固定支撐結構，增加了設備設計制造和儀表安裝的難度，而且在氣相存在大量炭粉的環境中，長探桿容易附著粉塵，降低了檢測結果的準確度，也增加了清灰維護的頻次。目前活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置中，活性炭和粉炭連續物位的檢測儀表，已選為高頻雷達物位計。其發射頻率在70GHz 以上，發射角小于6°，具有直線性好、穿透力強、抗粉塵干擾的優點，因其是非接觸性儀表，同時也避免了與活性炭接觸產生的損壞或腐蝕。安裝設計為萬向法蘭，可根據設備內固體物料的實際堆角做相應的調整，通過法蘭自帶吹掃接口通以氮氣，設計手動氣源球閥，定期吹掃雷達鏡面即可，安裝和維護方便。

2.5 控制閥設計與選型

2.5.1 切斷閥設計與選型

根據氨氣、炭粉、事故噴淋水、高爐煤氣的工況和管道口徑，切斷閥主要的技術參數如密封等級和形式、閥型、填料材質、閥芯閥座材質、執行機構形式按以下原則進行設計選型。

（1）密封等級、密封形式：切斷閥要求泄露等級在羅馬數字級以上。氣體和液體介質的切斷閥密封類型為軟密封，介質為炭粉和氣相含粉塵的切斷閥，密封形式為硬密封。

（2）閥型：切斷閥閥芯型式根據密封性要求、管道口徑以及經濟性原則選擇。氣相介質如5%氨空混合氣和高爐煤氣的管道口徑在DN200 以上，切斷閥選擇雙偏心蝶閥；氣相含炭粉的除塵管道，口徑DN250，選擇三偏心蝶閥，口徑在DN150 以下的選擇O 型球閥；90%濃度氨氣管道口徑DN100，選擇O 型球閥；事故噴淋水管道口徑在DN150 以下，選擇中線式蝶閥；炭粉排放的切斷閥，管道口徑為DN250，因其所連接的除塵系統需要負壓操作，要求高氣密性，選擇雙插板閥。

（3）填料材質：在切斷閥應用的場合，所有介質的操作溫度在150℃以下，因此切斷閥填料材質均選擇PTFE。

（4）閥芯、閥座材質：根據介質腐蝕性、操作溫度、對金屬是否易磨、密封性要求，氣相介質的切斷閥一般為軟密封，閥芯材質為316，閥座材質為316+PTFE。含粉炭顆粒的切斷閥一般為硬密封，閥芯、閥座材質為304+耐磨金屬（如鍍鉻、Ni60 或斯太萊合金）。

（5）執行機構：所有切斷閥都是角行程，執行機構一般都選為氣缸式，雙插板采用雙作用氣缸，DN400 口徑的切斷閥執行機構選擇氣動撥叉式。

2.5.2 調節閥選型

調節閥的泄漏等級和流量特性統一設計為IV 級以上和等百分比，電-氣閥門定位器均選為智能型，主要調節閥型式與適用的工況介質如下。

（1）Globe 籠型單座調節閥：用于DN150 以下的管線，介質為低壓蒸汽、氮氣的流量調節。低壓蒸汽溫度200℃，其閥芯與閥座材質為304+STL，填料為石墨；氮氣流量調節閥閥芯閥座材質分別為304 和304+PTFE，填料為PTFE。閥籠材質和執行機構分別為304 和氣動薄膜式。

（2）高性能雙/三偏心蝶閥：用于DN300、DN400 的管線，介質為5%氨空混合氣、高爐煤氣和助燃空氣流的流量調節。介質溫度在200℃以下時，閥芯材質為304，閥座材質為304+PTFE，填料為PTFE，執行機構為氣缸。熱風爐的爐膛壓力調節閥所在管道口徑為DN700，介質溫度在400℃，選擇高溫型三偏心蝶閥，安裝形式為對夾式，閥芯、閥座材質為316，填料為柔性石墨，執行機構為氣動撥叉式。

（3）偏心旋轉半球型球閥：特殊且關鍵的調節閥是再生反應器解析氣管線及其旁路的調節閥。解析出來含SO2的酸性氣送至制酸單元或經旁路返回到凈化單元入口，兩根DN350 的酸性氣管線上設置自控閥門，起到切換和調節作用。酸性氣管線內的介質工況比較復雜，正常操作時介質溫度在400～450℃，除含酸性氣與粉塵外，當介質溫度降低時硫酸銨鹽結晶大量存在，會堵塞管道且極難被清除，嚴重時要更換管線。因此，酸性氣調節閥閥體需采用電伴熱維持高溫，閥芯選擇偏心旋轉半球型，閥芯與閥座材質選擇A351-CF8M+STL，填料為雙層石墨，且具有耐腐蝕、耐磨和切割介質的性能，閥桿需加長且帶散熱片，防止高溫影響電氣閥門定位器工作，流量特性為近似等百分比，執行機構為氣缸。

3 結語

儀表的設計與選型是工業裝置實現自動化控制的重要基礎，既要滿足合理性、準確性、可靠性、穩定性，也要滿足經濟性和便于安裝維護，保證工業裝置的連續穩定運行。經過5 套鋼鐵廠燒結機和1 套燃煤電廠的活性炭法煙氣脫硫脫硝裝置的實踐，裝置穩定運行，驗證了這套儀表設計與選型的結果是合理的。