液氨储罐采用水置换方案的探讨

李晓辉，李胜振，朱鹏余

(三河发电有限责任公司，河北 廊坊 065201)

1 设备概况

三河发电有限责任公司一期工程为2×350 MW日本三菱凝汽式发电机组，分别于1999年和2000年投产发电，2007年改为抽汽供热；二期工程为2×300 MW国产抽汽供热机组，于2007年投产发电，2015年增容改造为2×315 MW。4台锅炉均为亚临界燃煤汽包锅炉，采用一次中间再热、单炉膛、双切圆燃烧、钢架全悬吊结构、半露天布置、固态排渣。汽轮机均采用单轴、双缸双排汽、亚临界汽轮机组。每台锅炉采用2台双室五电场高频电源电除尘器；采用石灰石湿法脱硫和SCR脱硝装置。采用液氨蒸发法供氨，氨区为4台锅炉SCR脱硝系统，共配置2台各为80 m3的液氨储罐、3台液氨蒸发器、3台氨气缓冲罐、 1台氨气吸收槽处理氨区系统排放的氨气、1个容积为27 m3的地坑，作为缓冲排放氨区内废水使用。其主要参数见表1。

表1 氨区主要设备主要参数

2 确定方案

液氨作为燃煤锅炉烟气脱硝重要的生产原材料，属于乙类易燃易爆的有毒液体，其危害主要表现为高毒性、可燃性、爆炸性和腐蚀性。国家TSG-R7001—2013《压力容器定期检验规则》明确规定：液氨储罐作为压力容器，累积监控使用时间不得超过3年，必须经过检验，需要检验的表面，特别是腐蚀部位和可能产生裂纹性缺陷的部位，必须彻底清理干净，母材表面应当露出金属本体。这就要求必须要在液氨储罐表面焊口进行打磨，并做好相应的安全措施。具体要求为液氨储罐需要排空内部液氨并置换，氨气质量浓度不得高于35 mg/m3；空气中含氧体积分数应在18%～21%[1-3]。

如采用常规的氮气置换方法，由于液氨储罐内部长期浸泡在液氨中，需要耗费大量氮气，并且置换过程时间长，整体耗费氮气及人工成本都非常高。因此，本文提出了采用水置换液氨储罐内工质的方案[4-5]。

3 方案风险源分析

液氨储罐采取水置换方法时，在操作过程中由于液氨、氨气、水等工质之间或自身扩容等原因产生化学、物理反应，因此对液氨储罐水置换过程中的主要风险源简要分析如下。

3.1 液氨储罐内部压力波动造成设备损坏的风险分析

液氨储罐工作压力为0～1.6 MPa，运行状态时处于正压强范围。在常温、常压状态下，氨气极易溶于水，溶解度为1∶700。如液氨储罐在水置换过程中，内部充满氨气状态下充入置换水时，由于氨气迅速溶于水，造成液氨储罐内部压力急剧减小，形成真空，如压力波动超过液氨储罐表面壳体承受负压能力时，就会造成设备损坏，甚至发生液氨储罐壳体塌陷现象。

3.2 液氨储罐表面温度变化造成设备损坏的风险分析

当氨气溶解于水时会发生放热反应，造成液氨储罐表面温度升高；液氨在储罐内部发生气化时，会发生吸热反应，造成液氨储罐表面温度下降。由于液氨储罐设计温度范围为-20～50 ℃，超出其温度范围时，会造成液氨储罐壳体产生应力伤害，甚至发生壳体破损。因此，首先应在水置换操作过程中采用合理步骤，尽量减少发生放热或者吸热反应；其次如不得不产生放热或者吸热反应时，应控制反应速度，保障液氨储罐表面温度不低于0 ℃、不高于40 ℃，避免液氨储罐壳体由于温度变化造成的风险。

4 水置换步骤和方案要点分析

液氨储罐进行水置换时，主要步骤按照相关规程要求做好准备工作，例如制定预案，编写操作票，准备相应的操作工具等；排空液氨储罐内的液氨；氮气置换液氨储罐中的氨气；液氨储罐注水，通过液氨储罐底部排放门排放至pH值合格(7.5或以下)；充入氮气，排出存水(如需液氨储罐内部工作，需置换为空气，并且氧的体积分数应为18%～21%，如无内部工作可不用置换为空气)；液氨储罐打磨检测；检查液氨储罐内部氮气氧量低于2%(如内部为空气，需要置换为氮气，且氧量低于2%)；进行液氨储罐的气密性试验；多次从液氨储罐底部排放门处排放液氨储罐内氮气压力至0.2～0.3 MPa，确定底部排放门处无水雾或水滴排出为合格；氨气置换氮气至正常运行压力后，注入液氨。

4.1 液氨储罐水置换前的工作准备

a.应关闭进行水置换的液氨储罐与氨区内工作部分的液氨、氨气等系统相连接的所有相关阀门，并在阀门外侧打堵板，做到与运行设备可靠隔绝，绝对避免液氨或者氨气与置换水接触。

b.进行水置换的水源应干净，氯根小于25 mg/L，避免对液氨储罐内部造成腐蚀。

4.2 液氨储罐的液氨排空

当液氨储罐液位为零后，打开底部排放门排放液氨至废水坑，打开顶部排气门排放氨气至吸收槽，至液氨储罐内部压力基本为大气压时，进行氮气置换。进行氮气置换的目的是为了尽量减少液氨储罐内的氨气，尽量减少液氨储罐进水时造成的内部压力波动。

4.3 液氨储罐的置换水注入

液氨储罐注水的同时，必须打开液氨储罐相应的各个顶部及底部排放门，使液氨储罐内部与外界相通，以避免液氨储罐内部压力由于氨气溶解产生波动。

4.4 液氨储罐的置换水排出

a.在液氨储罐最大水容量时通入氮气，同时通过液氨储罐底部排放门排水，利用氮气压力排出液氨储罐内部存水。目的是为了保持液氨储罐内为低氧量，减少氮气置换次数，达到节约氮气成本的目的。

b.充氮后压力达到1.0～1.6 MPa时，保持压力持续5 min以上，经液氨储罐底部排放门排放氮气，经几次充氮、通过液氨储罐底部排放门排放多次后，最终确认底部排放门处再无水滴或者水雾排出后为止,其目的是尽可能排出液氨储罐内的存水，减少液氨储罐充氨时造成液氨储罐壳体温度变化，提高安全性。

c.排放液氨储罐内存水至pH值低于7.5时为合格。

d.液氨储罐水置换过程中会产生较多含氨废水，通过氨区地坑泵排出，需妥善处理，避免氨氮废水外排造成环境污染。

4.5 液氨储罐的充氨过程

a.液氨储罐检测工作结束并恢复至运行状态过程中，利用氨气置换液氨储罐内部的氮气，并在置换过程中就地检测液氨储罐的温度变化情况。液氨储罐内部虽然经过多次置换，但仍然会在液氨储罐内壁凝结部分水分。这部分水分难以排出，在氨气进入液氨储罐时，就会造成液氨储罐壳体表面温度变化。因此，在液氨储罐氨气置换氮气过程中，在上位机观察液氨储罐温度变化的同时，还应使用手持温度检测仪随时测量液氨储罐壳体各个点的温度。当液氨储罐任何部位温度达到33 ℃时，应立刻停止氨气置换氮气，液氨储罐表面任何部位温度不得超过40 ℃，超过时需按照相关规定采取相应的降温措施。

b.逐渐充氨提高液氨储罐内部压力至正常运行时的压力(低于1.6 MPa)后方可注入液氨。注意在液氨储罐内部压力低时，绝对不允许直接注入液氨。液氨直接进入液氨储罐扩容会造成液氨储罐温度急剧下降，液氨储罐表面壳体应力急剧变化会造成液氨储罐壳体炸裂。

5 结束语

液氨储罐的水置换方案相对于氮气置换方案操作简单，容易达到降低氨气浓度的置换效果，可以在较短时间内达到液氨储罐具备检测的工作条件，可以节约大量氮气成本及人工操作成本；同时，一定要注意避免由于操作不当造成氨气遇水溶解，液氨气化挥发等情况时产生氨罐内压力急剧变化、温度急剧变化而导致氨罐本体及相关管路应力变化的设备风险。